高性能松棒機設計應用

李慧斌

（中冶京誠工程技術有限公司， 北京 100176）

鋼管市場對小規格無縫鋼管的需求量逐年遞增，CPE 頂管機組適合于生產小規格無縫鋼管，具有產品質量高、投資少、排產靈活等特點，尤其是小直徑薄壁鋼管生產方面具有優勢。

CPE 生產線按照工藝流程順序主機設備有：穿孔機—縮口機—頂管機—松棒機—脫棒機—張力減徑機。松棒機用于將從頂管機出來的抱緊芯棒的荒管碾松，以便于芯棒在后續脫棒機中從荒管中脫出，松棒是CPE 機組生產中重要工藝環節，松棒機的性能對產品質量起著關鍵的作用。生產中需要確保松棒輥表面質量好，松棒角度和壓下量調整精確，保證輥面與鋼管表面貼合度大于75%，進而保證松棒后鋼管內外表面不產生螺旋印；基于鋼管后續的加工工藝，鋼管內表面質量很大程度上受限于松棒工藝流程。為此，下面對高性能松棒機進行介紹[3-6]。

1 工藝參數

松棒機采用四輥式方案，即由兩對雙曲線輥對荒管進行松棒軋制，上下兩輥布置成一定的角度，且與荒管軸線成一定的角度，軋制方式為斜軋（或稱螺旋輾軋）；荒管以螺旋方式前進[2]。

沿軋制方向看，上下軋輥形成一定的孔型，并且孔型可以自動調整，壓下量一般設定在1.5～2.0 mm，由孔型設定產生的軋制力，從上輥通過管壁傳遞到芯棒，再從芯棒傳遞到下輥。經過軋制使荒管擴徑3～5 mm，并且使芯棒與荒管內壁產生間隙，脫棒機便可以將芯棒從荒管中拔出[5]。

對于不同規格的荒管，采用工藝程序計算相應孔型的設定參數，根據計算好的參數，調整上松棒輥壓下量，以及上下松棒輥與軋制線的夾角，進而調整松棒機的孔型，見圖1。

圖1 松棒機工作原理示意圖

松棒機主要性能參數：荒管直徑為Φ113～Φ255mm；荒管壁厚為5～16 mm；荒管長度為12 m；松棒速度為1.5～2.0 m/s；松棒輥喉徑為450 mm；軋輥傾角為25°±3°，可調；傳動電機為2×355 kW，740 r/min。

2 設備組成

松棒機由2個上松棒輥、2個下松棒輥、機架裝配、上輥調整裝置、下輥調整裝置、傳動裝置、換輥裝置等組成，見圖2。

圖2 松棒機三維模型

每對軋輥單獨配置有軋輥調整裝置，其中松棒機上輥調整裝置具有液壓轉角調整、電動壓下和液壓平衡的功能，可根據程序自動調整上軋輥的壓下量和角度，并且配置有液壓鎖緊裝置，參數調整完成后，通過鎖緊裝置鎖緊。下輥安裝在松棒機下平臺上，下輥輥面為軋制基準面，高度方向保持不變，當下松棒輥磨損后，可以通過墊片補償下輥高度，下輥也具有液壓轉角自動調整的功能。

機架裝配采用6 立柱形式的機架，上下平臺通過立柱軸肩的定位安裝在立柱上，上平臺上安裝有上輥調整裝置，下平臺安裝有下輥調整裝置，立柱上下加工有螺紋，通過液壓鎖緊螺母將立柱與平臺固定，安裝時拉桿施加一定的預緊力。

3 總體性能介紹

目前中冶京誠開發的高性能松棒機填補了國內大口徑管材松棒機的技術空白，并且申請了國家專利。該機組中采用了多項自主知識產權的先進技術，研發過程實行工藝、設備、電氣同步進行，打造了機電一體化的高性能松棒機。

1）松棒產品范圍大。荒管外徑Φ113～Φ255 mm，設計25°為的松棒基準角，顯著提高大直徑荒管重軋系數，松棒后鋼管表面質量更好。

2）采用液壓快開裝置，發生卡鋼事故時，快速打開輥縫，可以測定松棒力和保護設備安全的作用。變剛性機架為柔性機架，當松棒力超過允許值時，快開裝置通過大流量的方式快速打開，快開液裝置泄壓，平衡裝置會快速提升上松棒輥，減小過載的軋制力對設備的損壞。

3）完善的工藝參數設定系統，根據荒管規格計算松棒機設定參數。

4）松棒機上下軋輥調整采用自動轉角調整和輥縫調整裝置，安裝有位移傳感器，實時檢測反饋松棒輥輥縫和角度。

轉角調整裝置的功能是根據工藝設定調整松棒輥軸線與軋制線的夾角，每個松棒輥單獨由一個轉角油缸調整，轉角油缸通過內置位移傳感器檢測油缸的伸出量，進而換算檢測松棒輥的轉動角度。松棒輥在工作狀態時松棒輥軸線與軋制線的夾角范圍為25°±3°。

上輥壓下調整裝置用來調整上松棒輥的壓下量，壓下調整裝置主要由壓下調整電機、蝸輪蝸桿減速機、絲桿及螺母等組成。通過壓下調整電機及減速機傳動絲杠上下升降運動，在絲杠上安裝有壓下位置檢測的位移傳感器。通過位移傳感器檢測松棒輥的壓下量，實現輥縫調整及控制。

上輥鎖緊裝置的功能是將角度調整到位的上松棒輥鎖緊，采用鎖緊液壓缸推動斜楔鎖緊上輥轉盤。通過接近開關和壓力繼電器的檢測信號，控制液壓缸的伸出狀態及鎖緊力。

采用液壓平衡方式，每個松棒上輥配置2個平衡液壓缸，用于平衡軋輥及升降平臺等設備的質量，消除壓下螺絲間隙。

5）松棒輥在換輥采用液壓換輥裝置，松棒輥在換輥狀態時軸線與軋制線的夾角為90°。減少換輥時間，操作流程簡單，維護方便。

6）在松棒機設計過程中全面采用三維軟件設計，優化設備結構。三維設計過程中，結構可視性強；零件模型、裝配模型、零件工程圖、裝配工程圖四者相互關聯；參數化設定，結構自動更新，方便快捷地調整結構尺寸及外形，提高設計效率，有利于設備結構快速優化。另外三維設計可以進行運動仿真，自動檢查裝配干涉，生成材料表，提高松棒機設計的準確性；在松棒機研發過程中，采用先進的有限元計算軟件ANSYS 對軋輥、壓下裝置等關鍵部件進行了強度和剛度仿真分析。根據計算結果，并結合鋼管松棒設備特定的工況安全系數，改善松棒機結構強度和機架剛度，達到最優化設計，見圖3。

圖3 松棒輥和壓裝置有限元分析結果

7）由于機架裝配精度直接影響松棒機本體各部件的安裝精度，在松棒機制造過程中，對6個立柱的定位測量采用三坐標測量儀進行檢測，保證了設備加工及裝配精度。

4 結語

目前高性能松棒機已經在湖北新冶鋼Φ219CPE生產線中投入使用，松棒機使用效果良好，設備運行安全可靠，達到預期研制目標。高性能松棒機項目研發成功為國內CPE 大口徑無縫鋼管生產領域填補技術空白，促進了國內CPE 無縫鋼管技術進步。