Φ159mm熱軋無縫鋼管廠穿孔機(jī)頂桿脫出裝置的設(shè)計(jì)

尹俊杰，焦栓栓，崔海清

（包鋼鋼聯(lián)股份有限責(zé)任公司 無縫鋼管廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

目前，國(guó)際最先進(jìn)的Φ159 mm熱軋無縫鋼管生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)，其年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為40萬t，主要產(chǎn)品規(guī)格為直徑Φ 38～168 mm、壁厚2.9～25 mm、長(zhǎng)度6～12 m的各類無縫鋼管，主要用于石油石化、電站鍋爐、管線敷設(shè)、船舶制造用管等。該生產(chǎn)線的軋制節(jié)奏為1支/24 s，穿孔機(jī)在軋制完成后，需要脫出頂桿進(jìn)行循環(huán)冷卻。針對(duì)工藝的要求，設(shè)計(jì)一種工作穩(wěn)定的頂桿脫出夾送輥裝置，以期達(dá)到平穩(wěn)、快速脫出頂桿的目標(biāo)。

1 頂桿脫出夾送鏈裝置及存在問題

1.1 頂桿脫出夾送裝置主要構(gòu)成及作用

頂桿脫出夾送裝置，主要是由電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)和傳動(dòng)軸，帶動(dòng)夾送鏈抽出頂桿。下夾送鏈由液壓缸作用到水平位置，上夾送輥由液壓缸推動(dòng)做閉合、分離動(dòng)作，從而在啟動(dòng)工作制度下完成頂桿的抽出。

頂桿脫出夾送裝置，是CTP頂桿循環(huán)冷卻系統(tǒng)的一部分，主要用來在CTP軋制完成后，從毛管中抽出頂桿。

1.2 頂桿脫出夾送裝置存在問題

在日常生產(chǎn)中，頂桿脫出夾送裝置的主要問題，是鏈條裝置斷裂頻繁。

鏈條裝置斷裂，主要是因?yàn)閮煞矫娴脑颍?/p>

（1）設(shè)計(jì)選型的問題。鏈條裝置傳動(dòng)的準(zhǔn)確性較差，穩(wěn)定性不好，對(duì)運(yùn)行工況的要求高。

（2）所使用鏈條裝置的品質(zhì)問題。包括鏈輪的軸承研死、軸孔磨損等。

2 頂桿脫出裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)的基本要求

本次設(shè)計(jì)基本要求是：

（1）頂桿脫出夾送裝置的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)不變。

（2）全部的安裝可以利用檢修日完成，不占用生產(chǎn)時(shí)間。

2.2 設(shè)計(jì)的基本思路

本次設(shè)計(jì)的基本思路是：頂桿脫出裝置的上下夾送鏈裝置，改換成整體夾送輥的形式，對(duì)夾送輥增加輥槽，其中上夾送輥?zhàn)龀善妮伈邸?/p>

改為夾送輥的形式，使得結(jié)構(gòu)比較緊湊，運(yùn)行較穩(wěn)定。夾送輥的脫出形式，是一種在冶金行業(yè)很成熟的輸送方式。

本次設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)，就是最大可能地利用了原有設(shè)備。

3 夾送輥的力能參數(shù)計(jì)算

通過分析，本次設(shè)計(jì)需要解決兩個(gè)主要問題：

（1）夾送輥所需的空間。

（2）原有電動(dòng)機(jī)是否可以滿足設(shè)計(jì)后的需要。

3.1 夾送輥所需空間的問題

查閱已有圖紙可知，頂桿共有 Φ102 mm、Φ130 mm、Φ140 mm。

原夾送鏈工作時(shí)最大半徑為

原夾送鏈工作時(shí)最小半徑為

設(shè)計(jì)后的夾送輥，取消了夾送鏈、張緊裝置、滑板，再拆除張緊裝置的臺(tái)座或把臺(tái)座切割一部分，即可滿足設(shè)計(jì)后所需的空間。

3.2 夾送輥的受力分析

在頂桿達(dá)到規(guī)定速度平穩(wěn)抽出時(shí)，上下兩個(gè)夾送輥都驅(qū)動(dòng)，作用在上夾送輥上的力如圖1所示。

圖1 夾送輥受力分析圖

在工作過程中，輥?zhàn)訅壕o頂桿，頂桿受拉力T的作用。頂桿對(duì)上下輥的水平方向摩擦力可按下式計(jì)算

式中，

P為作用于上輥上的壓緊力，，N；

G1為上輥的總質(zhì)量，N；

μ為輥?zhàn)优c頂桿之間的靜摩擦系數(shù)。

頂桿對(duì)上下輥的垂直作用力均為P+G1，實(shí)際上，這一垂直作用力的方向并不嚴(yán)格和兩輥中心的連線重合；下輥軸承座對(duì)下輥的垂直支撐力為P+G1+G2，其中G2為下輥的總質(zhì)量。

3.3 夾送輥的驅(qū)動(dòng)力矩

頂桿脫出夾送裝置的工作制度，是啟動(dòng)工作制。

啟動(dòng)工作制夾送輥，是在加速情況下運(yùn)送頂桿，除了靜力矩M1外，還要考慮夾送輥和頂桿所產(chǎn)生的動(dòng)力矩M2，夾送輥在啟動(dòng)時(shí)所需的力矩M為

（1）夾送輥的靜力矩M1。上下夾送輥軸徑處的摩擦阻力矩分別為

式中，

f為軸徑處的摩擦系數(shù)

d為軸徑的回轉(zhuǎn)直徑，對(duì)于滾動(dòng)軸承就是滾珠處的直徑。

水平摩擦力T1、T2所產(chǎn)生的力矩

此外，由于頂桿的垂直作用力偏離輥?zhàn)又行乃a(chǎn)生的力矩（又稱為滾動(dòng)摩擦力矩）

式中，μk為滾動(dòng)摩擦因數(shù)（鋼對(duì)鋼時(shí)，約為0.05）。

所以，傳動(dòng)一對(duì)夾送輥所需的靜力矩為

其中，

μ取為0.15；

f軸徑處得摩擦系數(shù)取為0.001 0；

μk取為 0.05。

P=Pm×A×ηm=49 235.2 N；

輥?zhàn)又睆綖?05 mm；

G1=G2=1 498.8 kg。

（2）夾送輥的動(dòng)力矩M2。動(dòng)力矩M2的初步計(jì)算，可根據(jù)夾送輥和頂桿在加速時(shí)的動(dòng)力矩來計(jì)算，即

其中，

Q為該夾送輥上作用的頂桿的重力，N；

N、D為夾送輥的直徑，m；

ε為夾送輥的角加速度，如果以頂桿的加速度a來表示，則

M2如用加速度a來表示，則

式中，加速度a受到一定限制。

如果加速度太大，當(dāng)頂桿慣性力T0大于夾送輥與頂桿間的滑動(dòng)摩擦力F時(shí)，頂桿在啟動(dòng)時(shí)會(huì)打滑。因此，最大加速度amax應(yīng)由下式確定

或

則

代入上面的已知值，得到

amax≤7.3 m/s2（在圖紙上查的原夾送鏈的加速度為4.8 m/s2，遠(yuǎn)小于許允的加速度。）

而

Q=0.75(P+G1+mg)=47 050.5 N

同時(shí)可算出

則，動(dòng)力矩M2為

所以，由M=M1+M2可得啟動(dòng)力矩:

3.4 電動(dòng)機(jī)的功率

原電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為

電機(jī)的啟動(dòng)力矩與額定轉(zhuǎn)矩之比在1.2～2.0之間，所以原電機(jī)的啟動(dòng)力矩為630.3～1 050.5 N·m。

在電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，為保證頂桿能在輥?zhàn)由弦苿?dòng)，所用電機(jī)的啟動(dòng)力矩Mp應(yīng)該滿足

其中，

η為傳動(dòng)系統(tǒng)效率,

i為傳動(dòng)比（由圖紙查的）。

原電機(jī)的啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許允啟動(dòng)力矩（Mp=630.3 N·m～1 050.5 N·m＜9.63 kN·m），所以原電動(dòng)機(jī)仍符合使用要求。

4 結(jié)束語

利用原有的傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)情況下，將夾送鏈改為夾送輥形式的頂桿脫出裝置，滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需要，而且運(yùn)行穩(wěn)定、噪音小。在實(shí)際實(shí)施后，減少了備件的消耗，節(jié)約了小停時(shí)間，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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