羅 濤 謝 貽

中國第二重型機械集團公司，四川618000)

?630mm皮爾格熱軋周期軋管機的優(yōu)化設(shè)計

羅 濤 謝 貽

中國第二重型機械集團公司，四川618000)

?630 mm皮爾格熱軋周期軋管機是周期軋管生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備。其生產(chǎn)的管材規(guī)格范圍大、品種多，既可生產(chǎn)管材，也可生產(chǎn)棒材。根據(jù)周期軋管機的工作特性，對軋管機各個部分的設(shè)計提出了特殊要求。本文主要闡述了在設(shè)計過程中對周期軋管機各個部分進行的優(yōu)化設(shè)計，不僅滿足了現(xiàn)場使用要求，也使整臺軋管機的整體設(shè)計具有最佳性價比。

皮爾格熱軋周期軋管機；有限元分析及計算；沖擊載荷；優(yōu)化設(shè)計

?630mm皮爾格熱軋周期軋管機組為某特種鋼管有限公司新上生產(chǎn)線，主要是為滿足市場對高強度、高壓力、大口徑合金鋼、不銹鋼等特種無縫管材的需求。其中的關(guān)鍵設(shè)備“?630 mm皮爾格熱軋周期軋管機”是目前國內(nèi)最大的周期熱軋管軋機，屬國內(nèi)首次自主設(shè)計。 該機組產(chǎn)品為外徑?273 mm～?720 mm，壁厚10 mm～80 mm，長度3 mm～12 m的不銹鋼及合金鋼熱軋無縫鋼管，及外徑為?250 mm～?500 mm的不銹鋼及合金鋼鍛造棒材。

由于熱軋周期軋管機生產(chǎn)管材時是以周期鍛軋的方式進行，具有鍛軋的特性，所以在生產(chǎn)過程中會周期性產(chǎn)生較大的沖擊力，這對軋管機的設(shè)計提出了特殊要求。為了滿足設(shè)備的實際需要，在設(shè)計過程中不斷對軋管機的各個部分進行優(yōu)化，對主要零部件采用有限元分析計算，使其既滿足強度需要，也符合結(jié)構(gòu)與尺寸的雙重限制，力求達到最佳性價比。實踐證明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的軋管機在現(xiàn)場使用良好，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

以下是對部分主要零件、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的過程。

1 對主要零件的優(yōu)化設(shè)計

1.1軋輥

由于皮爾格熱軋管軋機生產(chǎn)的管材規(guī)格范圍大，相對應(yīng)的軋輥尺寸品種繁多，軋輥消耗大。在軋輥設(shè)計中，既要軋輥滿足強度的要求，還要盡量減小軋輥重量，提高軋輥的使用壽命，以降低生產(chǎn)成本。

初步設(shè)計時確定了軋輥輥徑尺寸，并初定輥徑部分結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過有限元計算，此時最大等效應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的屈服極限，同時在扁頭與輥頸銜接處的倒圓上產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計在使用中會出現(xiàn)問題。通過對輥頸及倒圓部分的尺寸及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使最大等效應(yīng)力降至許用范圍。見圖1。

1.2軌座

軌座是承受設(shè)備靜載荷的主要零件，在軋制狀況異常時還要承受軋制力的沖擊。

初步設(shè)計后，將軌座進行有限元分析，顯現(xiàn)部分點應(yīng)力偏高，通過分析應(yīng)力偏高點的分布，發(fā)現(xiàn)主要集中在中間的筋板及地腳螺栓孔附近。通過對筋板及地腳螺栓孔布置重新優(yōu)化，并將部分應(yīng)力值極低的部分去除后，成功地降低了最大等效應(yīng)力值。見圖2。

輥頸分析圖 優(yōu)化后的分析圖圖1 軋輥輥頸有限元分析圖Figure 1 Finite element analysis drawing of roll neck

優(yōu)化前 優(yōu)化后圖2 軌座有限元分析圖Figure 2 Finite element analysis drawing of rail support

圖3 機架初始方案圖Figure 3 Primary project drawing of housing

1.3機架

初步設(shè)計時，確定皮爾格熱軋管軋機機架結(jié)構(gòu)見圖3。

初步設(shè)計的機架重量超過了當(dāng)初確定的重量。經(jīng)過對機架的有限元應(yīng)力點分析，壓下螺母孔頂部的應(yīng)力值較高，圖3中箭頭所示陰影部分應(yīng)力值較低，故而優(yōu)化方案為改進壓下螺母孔頂部結(jié)構(gòu)，削除應(yīng)力點較低部位的體積。在滿足機架的實際使用要求情況下，單個機架的重量減少30t。優(yōu)化后的機架應(yīng)力分析見圖4。

圖4 機架有限元分析圖Figure 4 Finite element analysis drawing of housing

圖5 脫管叉裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structural sketch of mandrel stripper fork device

2 脫管叉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)毛管裹著芯棒被送入軋管機進行軋制時，在入口側(cè)設(shè)有脫芯棒裝置將芯棒逆向回拉，使軋件、軋管機和芯棒均要承受巨大的軸向力，此時芯棒的重量及軸向力要完全由脫管叉裝置來平衡及承載；但在實際工作中，脫管叉裝置只能布置在軋管機及導(dǎo)槽升降裝置之間，空間的位置狹小，工作條件惡劣，這給該裝置的布置及設(shè)計帶來了更多的約束和難度。

脫管叉裝置由提升液壓缸、托管叉、托管架、連接梁及導(dǎo)槽固定梁組成，見圖5。經(jīng)過對整個裝置各零部件的強度計算分析，最終該裝置所承受的復(fù)合力通過固定梁、導(dǎo)槽及固定鍵傳遞至機架，較好地解決了承受脫棒時沖擊力的問題。

3 軋輥軸向鎖緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于周期軋管機的工作特性，軋管機在工作中要承受極大的軸向載荷和沖擊載荷，所以防止軋輥軸向串動的鎖緊裝置就不能采用傳統(tǒng)方式的結(jié)構(gòu)。

解決方案是：

(1)在軋機傳動側(cè)和操作側(cè)均設(shè)有軸向鎖緊裝置；

(2)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將鎖臂液壓缸固定在機架上；

(3)鎖緊臂板鉸接在固定于機架上的旋轉(zhuǎn)銷軸上，由柱塞缸推動進行鎖緊。鎖緊臂板與軋輥軸承座接觸面、液壓缸柱塞面均設(shè)計為球面，具有良好的自位性；

(4)鎖臂液壓缸為雙向柱塞缸；

(5)在鎖臂液壓缸的液壓回路上進行特殊設(shè)計，使軸向鎖緊裝置工作更平穩(wěn)。

鎖緊缸結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

4 壓下裝置設(shè)計

周期軋管機的來料品種繁多，規(guī)格范圍大，有連鑄圓坯、鍛坯、多邊形圓鋼錠、離心澆注空心坯等，因此對軋管機的壓下裝置設(shè)計也提出了新的要求。

對應(yīng)設(shè)計方案為：

(1)提高壓下電機功率，增大壓下能力；

(2)在壓下減速機側(cè)端設(shè)計了回松出軸及回松扳手，有效解決了座輥或卡鋼現(xiàn)象。

壓下裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖6 鎖緊缸結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Structural sketch of lock hydraulic cylinder

圖7 壓下裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7 Structural sketch of screwdown device

5 結(jié)論

設(shè)計過程中，在滿足用戶要求的同時，對主要件進行了有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果進行了優(yōu)化設(shè)計，使整個軋機結(jié)構(gòu)更加合理，實現(xiàn)了穩(wěn)定軋制，保證了軋制質(zhì)量，還可以擴大軋機的生產(chǎn)能力和規(guī)格品種，有效的降低制造和軋機運行成本，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

編輯 傅冬梅

Optimization and Design of ?630 mm Piliger Hot Rolling Rotary Forging Mill

LuoTao,XieYi

?630 mm piliger hot rolling rotary forging mill is the vital device for rotary forging mill production line, the mill could produce both tubes and bars possessed of large extents of size specification and various types. According to performance characteristic of rotary forging mill, special demands on components design have been put forward. The paper described mainly the optimization and design regarding to sections of rotary forging mill, which satisfied operation requirement at work site, and provided optimization for integrity design of complete set of forging mill as well.

piliger hot rolling rotary forging mill; finite element analysis and calculation; impact load; optimization and design

TF302

A

2012—09—26