三輥連軋管機換輥結構研究探討

周超群，穆 東，王建輝，歐陽建，覃 宣

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122）

三輥連軋管技術的核心工藝為三輥連續縱向軋制。連軋管機相鄰機架的輥縫相互交錯布置，毛管經過軋制后，壁厚減薄，長度延伸，壁厚精度和表面光潔度提高。因此，三輥連軋管機以其產品質量好、生產效率高的技術優勢成為當今無縫鋼管生產中的首選的軋管機型［1-8］。

1 三輥連軋管機的結構型式

基于換輥方式易操作性和機座整體剛度的綜合考慮，三輥連軋管機組目前有3種不同的換輥型式：軸向換輥、單側換輥和雙側換輥［9］。

1.1 軸向換輥式三輥連軋管機

軸向換輥適用于隧道式三輥連軋管機，這種型式的軋管機，主機座為封閉結構——隧道，其上安裝有液壓伺服壓下缸，固定安裝在牌坊上。軸向換輥式三輥連軋管機主要由軋輥機架、隧道式牌坊和傳動裝置3部分組成。連軋管機主機的結構設計緊湊，連軋管機的牌坊通過連桿形成一個整體，呈隧道狀，軋輥機架、芯棒支撐架彼此間相互緊靠相連形成一個機架列，通過換輥小車的滑道被推入隧道內，換輥時需將其整體拉出來進行更換。

這類軋管機換輥時，需要先把軋管機到脫管機之間的輥道移開，鎖緊釋放，脫開傳動軸，拉出小機架列，更換所需機架后，再逆向操作一遍。隧道式主機座剛性較好，應力分布均勻，但軸向換輥操作不靈活，步驟較復雜，耗時較長。軸向換輥式三輥連軋管機如圖1所示。

圖1 軸向換輥式三輥連軋管機示意

1.2 單側換輥式三輥連軋管機

單側換輥式三輥連軋管機牌坊由多片厚鋼板通過螺柱固定相連形成框架式結構。每個機架有3個液壓小倉，其中換輥側的1個液壓小倉可擺動，液壓小倉通過螺桿安裝在牌坊上；擺動液壓小倉有1個擺動液壓缸和1個鎖緊液壓缸。

單側換輥式三輥連軋管機的各個機架換輥路徑獨立，可以根據需要進行單獨或者多個機架更換。

在實際生產中，軸向換輥式和側向換輥式三輥連軋管機均有單個機架出現軋制故障的情況，比如軸承損壞、軋卡、軋輥缺陷等。相比較而言，具備單機架獨立更換功能的側向換輥可減少停機換輥時間，因為每個機架換輥1次，都需要重新定位和脫接傳動軸1次。單側換輥式三輥連軋管機如圖2所示。

圖2 單側換輥式三輥連軋管機示意

1.3 雙側換輥式三輥連軋管機

雙側換輥式三輥連軋管機的液壓小倉均固定安裝在牌坊上，為讓出換輥通道，其壓下缸的行程較長。以Φ159 mm三輥連軋管機組為例，雙側換輥的壓下缸比軸向換輥和單側換輥大30 mm。

雙側換輥式連軋管機的換輥裝置位于軋管機的兩側，需占用穿孔到連軋之間的空間，使得穿孔中心到連軋中心的距離加長。比如，某Φ159 mm單側換輥式三輥連軋管機，穿孔機到連軋管機的距離為15 m；某Φ159 mm雙側換輥式三輥連軋管機，穿孔機到連軋管機的距離為17.5 m。另外，奇數機架和偶數機架從不同的方向進入主機牌坊，奇偶機架的定位面位于軋制中心的兩側。

雙側換輥式軋管機的奇數和偶數機架交替在軋制中心線兩側更換。這種換輥方式可實現單機架更換，換輥時間較短，但結構復雜，需要兩套換輥裝置。雙側換輥式三輥連軋管機如圖3所示。三輥連軋管機對比分析見表1。

表1 不同換輥結構的三輥連軋管機對比

圖3 雙側換輥式三輥連軋管機示意

2 三輥連軋管機換輥動作過程

三輥連軋管機組因軋輥和軸承壽命的限制、生產規格更換、生產事故導致的軋輥或機架損傷等，生產操作中換輥較頻繁，耗時長，影響生產效率。

一個完整的換輥過程主要包含的關鍵步驟：①新機架吊裝就位；②傳動軸脫開，各部件鎖緊釋放；③將舊機架拉出，并裝載新機架；④各部件復位鎖緊、傳動軸接合；⑤舊機架吊離。其中新、舊機架吊裝不占用生產時間，影響換輥操作的主要環節為傳動軸的脫開與嚙合和各部件的鎖緊與松開等。

單側換輥式三輥連軋管機需將單側擺動液壓壓下裝置擺開，讓出機架換輥通道。雙側換輥則通過適當加大壓下缸行程，同時將換輥側傳動軸脫開后擺開，讓出換輥通道。這2種方式的換輥時間相當，理論時間少于30 min。軸向換輥由于需將機架列整體從牌坊隧道內拉出與推入，理論換輥時間40 min左右。在實際操作中，傳動軸對軸嚙合需人工觀察，根據生產人員操作經驗，實際換輥時間在50~150 min。

3 三輥連軋管機換輥結構研究

三輥連軋管機3個軋輥互為120°布置，減速機和軋輥間連接是可伸縮的鼓形齒傳動軸，軸身內部中空，內部有1套彈簧組件。在換輥時傳動軸通過軸支撐裝置進行支撐，傳動軸驅動回縮脫離和軋輥的連接，讓出機架換輥通道。

在操作側設有液壓驅動的機架更換裝置，用于接受從軋管機中拉出的舊機架，并裝載新機架。當新工作機架推入后，傳動軸內部壓縮的彈簧自動回彈，傳動軸伸出和軋輥連接［10-17］。傳動軸及軸支撐裝置如圖4所示。

圖4 傳動軸及軸支撐裝置示意

已知擺臂角度ψ，最大軋輥名義直徑D，實際軋輥名義直徑d，傳動軸擺動角度α1，擺臂偏轉角度β1，BH與BF的初始夾角γ0，傳動軸擺動后BH與BF的夾角γ1。

以某三輥連軋管機為例，軋輥最大名義直徑為620 mm，則軋輥名義直徑為d時的偏移值Δ=（620-d）/2，托輥液壓缸行程定義為L1，則有L1=a×Δ+c（其中a為線性系數，c為常數），根據公式計算并擬合的奇數機架下輥曲線如圖5所示。驅動奇數機架下輥傳動軸托輥擺動的液壓缸行程L1為：

圖5 托輥液壓缸行程擬合曲線

其余機架軋輥以此類推。

根據分析可知，由于安裝誤差對常數c的影響較大，而對線性系數a的影響在可容許的范圍內；因此，在調試時，需按照最大名義軋輥直徑620 mm標定c值，由于此時Δ=0，c值即為軋輥直徑620 mm時的液壓缸初始行程L0。

由于結構及空間限制，三輥連軋管機靠近軋輥側的軸頭無法設置支撐裝置，因此換輥時，主傳動軸只能在鼓形齒處脫開。在傳動軸和軋輥連接的過程中，傳動軸定位精度不高，傳動軸對接困難，且由于鼓形齒的齒隙較小，鼓形齒對接困難。實際操作中，需要人工到聯軸器軸頭側觀察軸的對接情況，然后通過對講機與操作臺通信。

另外，傳動軸內部的彈簧在運行過程中常常會遇到各種阻力，使得傳動軸的位置無法確定。該處的檢測元件安裝不便，且信號不易檢測，可在托輥液壓缸及脫軸液壓缸的尾部設置位移傳感器，以檢測是否對接到位。

4 結 語

通過對比分析連軋管機軸向換輥、單側換輥和雙側換輥三種換輥型式可知，3種型式各有利弊，軸向換輥的換輥時間相對較長。根據三輥連軋管機換輥設備的結構研究，結合生產現場的使用情況，對于3種換輥型式，提高換輥效率實現快速換輥的關鍵點為：

（1）在整個換輥過程中，傳動軸的嚙合控制是影響換輥效率的主要因素，可以增加傳動軸對接導向裝置來提高換輥效率。

（2）傳動軸內部復位彈簧失效也是換輥過程中的不利因素，可考慮傳動軸主動驅動復位。

（3）整個換輥過程設備動作較多，為了節省操作時間、提高換輥效率，需要盡量減少人為干預，設備到位檢測尤為重要，包括軋輥機架就位檢測、軸嚙合檢測等，這些到位檢測點直接影響著換輥的正確性和效率。

從三輥連軋管機應用的情況來看，軸向換輥式三輥連軋管機和單側換輥式連軋管機應用較多，小規格機組既有軸向換輥式也有單側換輥式，但從操作方便性和利于軋卡故障處理來考慮，更傾向于選用單側換輥式三輥連軋管機，大規格機組（Φ460 mm以上）目前都是用的軸向換輥式三輥連軋管機。雙側換輥式三輥連軋管機推出時間短，目前應用較少，其綜合了軸向換輥和單側換輥的優點，但也有其自身的限制，在今后的生產運行中能否達到設計期望，還有待進一步實踐驗證。