汪有源，張軼蔚，朱紅安

（1.湖北新冶鋼有限公司，湖北黃石435001；2.湖北理工學院，湖北黃石435003）

Φ460 mm錐形輥穿孔機主傳動系統(tǒng)的改造

汪有源1，張軼蔚2，朱紅安1

（1.湖北新冶鋼有限公司，湖北黃石435001；2.湖北理工學院，湖北黃石435003）

Φ460 mm錐形輥穿孔機在生產(chǎn)大規(guī)格厚壁管尤其是P91、P92高壓鍋爐管時，主傳動系統(tǒng)作用在軋輥上的傳動力矩不能滿足要求。在保留原有主電機及電氣傳動裝置的前提下，采取適當增大主減速機減速比、更換萬向接軸的方案對穿孔機主傳動系統(tǒng)進行了改造。實踐證明：改造后的穿孔機主傳動系統(tǒng)提高了軋輥傳動力矩，滿足批量生產(chǎn)大規(guī)格高鋼級鋼管的需要。

三輥軋管機組；錐形輥穿孔機；主傳動系統(tǒng)；減速比；萬向接軸；改造

某廠Φ460 mm三輥軋管機組采用立式錐形輥穿孔機，生產(chǎn)Φ203～500 mm×15～100 mm的高精度中厚壁無縫鋼管。但在生產(chǎn)大規(guī)格優(yōu)質(zhì)碳鋼、低合金鋼和較小規(guī)格合金鋼毛管時，特別是用大規(guī)格管坯軋制P91、P92等高合金鋼厚壁管時，穿孔機主電機電流接近甚至超出了電流過載保護值。

以45鋼和P91兩個鋼種Φ460 mm管坯生產(chǎn)Φ520 mm×65 mm毛管為例：在管坯實測溫度1 200℃的條件下，穿軋45鋼時，勉強穿出毛管，穿孔機主電機電流峰值達到3 288 A（電流過載保護值為3 300 A）；而在同樣調(diào)整參數(shù)下，穿軋P91時，穿孔機軋卡且主電機電流峰值達到3 416 A；將管坯出爐鋼溫調(diào)高至1 270℃再穿軋P91時，同樣發(fā)生軋卡現(xiàn)象，電流峰值依然達到3 417 A。又如，用Φ390 mm管坯試軋P92高壓鍋爐管時，穿孔機可以順利穿出毛管（Φ436 mm×67 mm），但電機電流峰值已達到3 230 A，接近電流過載保護值。生產(chǎn)情況表明：該穿孔機在生產(chǎn)大規(guī)格厚壁毛管時，主傳動系統(tǒng)作用在軋輥上的傳動力矩不夠，滿足不了高鋼級、大規(guī)格管坯穿孔的需要。

P91、P92等鋼種的大規(guī)格厚壁合金鋼鋼管是制造超臨界、超超臨界發(fā)電設(shè)備鍋爐的必需材料，市場需求量將隨著電力需求增加而不斷增大［1-4］，P91、P92等鋼種的大規(guī)格厚壁合金鋼鋼管不僅產(chǎn)品附加值高，而且適合三輥軋管機組生產(chǎn)［5-8］。所以對現(xiàn)有穿孔機主傳動系統(tǒng)進行改造，增大軋輥傳動力矩，對高鋼級品種的生產(chǎn)以及自身裝備優(yōu)勢的發(fā)揮具有重要的意義。

1 Φ460 mm錐形輥穿孔機主傳動系統(tǒng)

Φ460 mm錐形輥穿孔機主機座為錐形軋輥立式布置，導板左右水平布置，出口側(cè)單獨傳動。其主傳動系統(tǒng)如圖1所示，由主電機、齒式聯(lián)軸器、主減速機、萬向接軸以及軋輥等組成，上、下軋輥各由1臺交流變頻電機通過圓柱齒輪減速機驅(qū)動。

圖1 Φ460 mm錐形輥穿孔機主傳動系統(tǒng)示意

主電機額定功率6 500 kW，額定電壓3 150 V，額定電流1 382 A，頻率18.5～25.2 Hz，轉(zhuǎn)速359～500 r/min，電機額定轉(zhuǎn)矩為173 kN·m，過載能力（全速范圍）225%。主減速機為一級減速，減速比i=5.056。萬向接軸的回轉(zhuǎn)直徑為860 mm。

2 改造方案的確定

提高穿孔機軋輥的傳動力矩有兩種方式：一是增大主電機功率［9］，相應(yīng)地更換電氣傳動裝置以及機械部分的主減速機和萬向接軸；二是保留現(xiàn)有主電機和電氣傳動裝置不變，增大主減速機的減速比，更換主減速機以及換裝大規(guī)格的萬向接軸。

采用第1種方式，設(shè)備能力提高且生產(chǎn)率不受影響，但涉及到更換主電機、電氣傳動裝置和主減速機及萬向接軸，改造費用高，施工、調(diào)試時間長，對生產(chǎn)影響大；采用第2種方式，可以保持主電機及傳動裝置不變，只更換主減速機及萬向接軸，費用相對較低，而且施工時間短，對生產(chǎn)影響小，但是軋制速度將下降，頂頭壽命及生產(chǎn)節(jié)奏會受到一定影響。

綜合考慮各種因素，決定采用第2種方式進行改造，即在滿足生產(chǎn)率的前提下適當增大主減速機減速比，提高軋輥傳動力矩，以滿足生產(chǎn)大規(guī)格高鋼級鋼管的需要。

2.1 確定主減速機減速比

在生產(chǎn)絕大多數(shù)品種規(guī)格時，穿孔機軋輥轉(zhuǎn)速為20～50 r/min，主電機工作在恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。Φ460 mm錐形輥穿孔機主電機最大轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示，過載能力225%，最大轉(zhuǎn)矩391 kN·m。

圖2 Φ460 mm錐形輥穿孔機主電機最大轉(zhuǎn)矩曲線

根據(jù)文獻［10］計算出P91管坯在不同穿孔溫度下要求的最大軋制力矩，見表1。為確定主減速機的減速比，對不同減速比下主電機轉(zhuǎn)速和主減速機輸出力矩進行了比較，見表2。

表1 P91管坯在不同穿孔溫度下要求的最大軋制力矩

根據(jù)文獻［11］，作用在軋輥上的傳動力矩T為：T=Tz+Tf1+Tf2。顯然，要實現(xiàn)正常穿孔必須滿足條件Tm≥T。比較表1和表2，當減速比選i=8和i=9時，主電機轉(zhuǎn)速均在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，而且在正常軋制溫度（1 250℃）下均能滿足軋制要求。

在毛管長度為10 m，主電機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速359 r/min的條件下，當減速比i=9時，對應(yīng)的毛管出口速度為0.45 m/s，穿孔時間為22 s；而當減速比i=8時，對應(yīng)的毛管出口速度為0.51 m/s，穿孔時間為19.6 s。由此可見：如果主減速機減速比過大，不僅延長了穿孔時間，對頂頭壽命不利，而且降低了生產(chǎn)節(jié)奏［12］。考慮到這一因素，確定主減速機減速比i=8。

表2 不同減速比下主電機轉(zhuǎn)速和主減速機輸出力矩的比較

由于增大主減速機的減速比可在主電機輸出力矩不變的情況下增大軋輥傳動力矩，而只要轉(zhuǎn)速控制在主電機的工作范圍內(nèi)，減速比的改變不會影響主電機的工作狀況；因此，在生產(chǎn)小規(guī)格管坯或一般鋼種時，可在允許的范圍內(nèi)通過適當提高主電機轉(zhuǎn)速的方式，減輕主減速機減速比增大后對軋制速度的影響。

2.2 主減速機的參數(shù)及結(jié)構(gòu)

原有主減速機為一級減速，減速比i=5.056，輸入軸與輸出軸的中心距為1 450 mm，中心高1 400 mm。為了保證上、下萬向接軸的水平傾角不變并盡量減少破除原有設(shè)備基礎(chǔ)，改造后的主減速機中心高應(yīng)維持不變。在與設(shè)備制造廠家協(xié)調(diào)后，改造后的主減速機為兩級減速，總減速比i=8.108，輸入軸與輸出軸的中心距為2 200 mm，中心高1 400 mm，齒輪精度6級，齒向完全修形，使用系數(shù)2.25。

2.3 確定萬向接軸的規(guī)格

萬向接軸的規(guī)格與其工作壽命有關(guān)，確定萬向接軸的工作壽命需要足夠精確的疲勞載荷譜［13］，而疲勞載荷譜則取決于穿孔機所軋鋼管的規(guī)格、鋼種及產(chǎn)量等諸多因素，所以準確的疲勞載荷譜在生產(chǎn)現(xiàn)場是很難得到的。在這種情況下，根據(jù)文獻［8］推薦的方法來選擇萬向接軸：將預計的峰值力矩Tmax與所選萬向接軸的單向脈沖疲勞轉(zhuǎn)矩TDS（由產(chǎn)品樣本給出）進行比較，必須滿足以下條件：

Tmax≤TDS

Tmax≈K·TN

式中K——沖擊系數(shù)，由從動端工況確定；

TN——萬向接軸的額定轉(zhuǎn)矩，kN·m。

若改造后的主減速機減速比i=8.108，則萬向接軸額定轉(zhuǎn)矩TN=1 403（kN·m），主減速機最大輸出力矩Tm=3 156（kN·m）。根據(jù)文獻［8］，取沖擊系數(shù)K=5，于是：

Tmax≈K·TN=5×1 403=7 015（kN·m）

按照制造廠商提供的樣本資料，考慮到設(shè)備安裝的空間限制，確定改造后的萬向接軸回轉(zhuǎn)直徑為1 060 mm，其單向脈沖疲勞轉(zhuǎn)矩TDS=8 897（kN·m），符合上述條件。

3 改造方案的實施

按上述方案對現(xiàn)有主傳動系統(tǒng)進行了改造，并在實施過程中采取了以下措施：

（1）校核了軋輥軸以及軋輥軸承的強度，結(jié)果表明相關(guān)零部件有足夠的安全系數(shù)。

（2）驗算了主減速機的傾翻力矩，結(jié)果表明原有主電機和主減速機底座的地腳螺栓可以保留。

（3）為適應(yīng)主減速機中心距變化，重新設(shè)計了主電機和主減速機底座，并保證原基礎(chǔ)標高不變，盡量保留原地腳螺栓位置，減少因改造而產(chǎn)生的土建施工，降低改造成本。

（4）因萬向接軸回轉(zhuǎn)直徑增大，核對了新、舊軋輥上下極限位置以及喂入角極限位置時萬向接軸與穿孔機機架窗口、三輥導向裝置之間的干涉情況，并對干涉之處做了修改。

（5）因萬向接軸回轉(zhuǎn)直徑增大，隨之修改了用于換輥的托架的尺寸和結(jié)構(gòu)。

（6）更改了主減速機稀油潤滑管線。

4 改造效果

改造后的穿孔機主傳動系統(tǒng)順利投入使用，并通過軋制大規(guī)格P91鋼管對主傳動系統(tǒng)進行了驗證。改造前后穿孔機主電機的工作情況對比見表3。

表3 改造前后主電機的工作情況對比

改造后軋制P91鋼種Φ532 mm×65 mm規(guī)格鋼管時穿孔機主電機輸出力矩峰值330 kN·m，電流峰值2 829 A，與設(shè)備允許值（主電機最大輸出力矩391 kN·m，最大允許電流3 300 A）相比均有15%左右的富余，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

5 結(jié)語

在保留原有主電機及電氣傳動裝置不變的前提下，適當增大主減速機減速比，可以提高Φ460 mm錐形輥穿孔機軋輥傳動力矩，能夠滿足生產(chǎn)大規(guī)格高鋼級鋼管的需要。本文所述改造方案具有投資省、見效快，對生產(chǎn)影響小的優(yōu)點；但另一方面必需考慮到因主電機功率的限制，軋制速度會受到一定程度的制約。

從改造之后的運轉(zhuǎn)情況可以看出，改造后設(shè)備能力明顯提升，可以滿足批量生產(chǎn)P91、P92等大規(guī)格厚壁合金鋼鋼管的要求。

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Revamp of Main Drive System of Φ460 mm Cone Type Piercer

WANG Youyuan1，ZHANG Yiwei2，ZHU Hongan1
（1.Hubei Xinyegang Steel Co.，Ltd.，Huangshi 435001，China；2.Hubei Polytechnic University，Huangshi 435003，China）

When producing the large-sized heavy-wall pipe especially the P91 or P92 high-pressure boiler pipe，the drive torque forcing on the roll by the main drive system of the Φ460 mm cone type piercer is insufficient.So while keeping the original main motors and electric drive devices，the main drive system of the piercer is revamped by appropriately increasing the reduction ratio of the main reducer and changing the universal shaft.Relevant actual operation practice shows that the revamped main drive system of the piercer has increased the drive torque of the roll and can meet the requirements of batch production of large-sized high-grade steel pipes.

three-roll pipe mill；cone type piercer；main drive system；main reducer reduction ratio；universal shaft；revamp

TG333.15

B

1001-2311（2014）03-0079-04

2014-03-16）

汪有源（1973-），男，工程師，鋼管事業(yè)部設(shè)備部長，長期從事設(shè)備管理、維修及改造等工作。