穆樹亮 米 楠 徐海亮

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

·設(shè)計與研究·

除鱗螺旋輥道的設(shè)計與計算

穆樹亮①米 楠 徐海亮

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

鋼管軋制車間經(jīng)常會設(shè)置一道除鱗工序。此工序要求不同規(guī)格的鋼管以相同的中心線高度螺旋通過除鱗箱體。就以上工藝要求介紹除鱗螺旋輥道的設(shè)計，并解析輥道實(shí)現(xiàn)自動控制所必須的調(diào)整量計算。

鋼管設(shè)備 螺旋輥道 除鱗輥道

1 概述

鋼管軋制車間經(jīng)常會設(shè)置一道除鱗工序。除鱗工序是利用高壓砂水的沖擊力將鋼管內(nèi)外表面的氧化鐵皮除去，除鱗效果將直接影響后續(xù)工序的順利進(jìn)行，并進(jìn)而影響成品管的表面質(zhì)量。但一般而言，除鱗箱就是一個內(nèi)部呈環(huán)形的，密布高壓水噴頭的密封箱體，該箱體直接固定在基礎(chǔ)上。除鱗箱要求不同規(guī)格的鋼管以一定的速度螺旋通過，并且所有規(guī)格鋼管通過時鋼管中心線應(yīng)位于同一位置。

將就以上工藝要求介紹除鱗螺旋輥道的設(shè)計，并解析輥道實(shí)現(xiàn)自動控制所必須的調(diào)整量計算。

2 除鱗螺旋輥道的設(shè)計

鋼管直徑規(guī)格從φ220mm至φ500mm分布，鋼管來料彎曲度≤4‰ 。

除鱗工藝流程：上料到除鱗輥道→內(nèi)外表面同時除鱗→撥料到?jīng)_洗輥道→沖洗→空水→下料。

鋼管冷態(tài)除鱗設(shè)備是利用砂水射流的沖蝕作用來清除鋼管表面的氧化鐵皮，使鋼管表面機(jī)械呈現(xiàn)出金屬本色。為了保證除鱗的連續(xù)性，必須不斷地供給高壓水和砂子，并處理廢砂水，形成閉路循環(huán)，并要不斷補(bǔ)充新砂和水。被處理的鋼管也必須連續(xù)不斷地輸入、輸出除鱗箱，這樣就需要配備各種專門的傳輸設(shè)備和控制系統(tǒng)，而且所有設(shè)備在工作過程中必須可靠運(yùn)行。

方案采用鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)和后退的運(yùn)動方式來除鱗，即鋼管通過輸送輥道送入除鱗箱除鱗，當(dāng)噴頭到達(dá)鋼管另一端時，輥道反向運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼管退出除鱗箱后完成除鱗過程。

除鱗后的鋼管撥入沖洗輥道后，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖洗，沖洗完后采用液壓缸支起鋼管的一端空水，并用壓縮空氣吹掃。

鋼管冷態(tài)除鱗設(shè)備主要由鋼管除鱗輥道、鋼管外圓除鱗箱、鋼管內(nèi)圓除鱗桿、鋼管沖洗輥道、低壓供水系統(tǒng)、高壓供水系統(tǒng)、磨料供料及砂水回收系統(tǒng)、廢砂水處理系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。在除鱗箱內(nèi)設(shè)計有鋼管外表清洗噴嘴，在鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)輥道的末端設(shè)計有安全擋板。鋼管沖洗工位設(shè)計有空水裝置，空水后管內(nèi)無積水、管端無線狀流。鋼管冷態(tài)除鱗系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示。

在以上系統(tǒng)中，除鱗螺旋輥道運(yùn)送鋼管的速度可調(diào)，其速度包括軸向運(yùn)動速度T1和圓周運(yùn)動切線速度T2。其中T1的速度范圍：1m/min～10m/min；T2的速度范圍：3m/min～20m/min。要求鋼管旋轉(zhuǎn)一圈軸向移動距離不大于除鱗箱的高壓水有效噴射寬度。本系統(tǒng)中除鱗箱的高壓水有效噴射寬度為450mm。要求除鱗螺旋輥道可以根據(jù)鋼管的規(guī)格自動調(diào)節(jié)驅(qū)動輥的偏轉(zhuǎn)角度，完成鋼管的軸向和徑向速度調(diào)整，且需保證不同直徑鋼管以相同的軸線位置進(jìn)入除鱗箱。

針對以上要求，除鱗螺旋輥道的設(shè)計速度為：2m/min～20m/min，鋼管旋轉(zhuǎn)一周的設(shè)計位移量為250mm～450mm。輥道設(shè)計俯視圖如圖2所示，輥道設(shè)計側(cè)視圖如圖3所示，輥體設(shè)計簡圖如圖4所示。

圖2 輥道設(shè)計俯視圖

圖3 輥道設(shè)計側(cè)視圖

圖4 輥體設(shè)計簡圖

在方案中，輥體采用近錐形圓弧輪廓面，輥體相對布置，軸線平行，軸線間距為490mm。其中一側(cè)輥體由變頻電機(jī)直接驅(qū)動，另一側(cè)輥體由鏈條傳動。雙輥及驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)安裝在一個旋轉(zhuǎn)平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺由中心軸及滑板安裝在底座上。底座固定不動。旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)鋼管在輥面上的接觸位置，從而影響鋼管的軸向運(yùn)動速度和圓周運(yùn)動切線速度的分配比例，并同時改變了鋼管的軸線高度。由于軸線速度、圓周速度和軸線高度之間存在一定關(guān)聯(lián)，無法做到單個參數(shù)的自由調(diào)節(jié)。這就要求發(fā)揮變頻電機(jī)的變頻調(diào)速能力，使鋼管的軸向速度和圓周速度均在工藝要求的控制范圍之內(nèi)，且鋼管軸線位于正確的位置，鋼管每旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離不能大于除鱗箱的高壓水有效噴射寬度，即450mm。并且在此基礎(chǔ)上，盡量提高生產(chǎn)節(jié)奏。旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)由連桿液壓缸機(jī)構(gòu)驅(qū)動，液壓缸設(shè)置有直線位移傳感器，傳感器最大線性誤差不大于0.1mm。

3 除鱗螺旋輥道的計算

鋼管冷態(tài)除鱗系統(tǒng)需要計算的環(huán)節(jié)有：產(chǎn)能計算、除鱗覆蓋面積及效率計算、除鱗用水流量計算、高壓泵功率計算、吹掃風(fēng)量及風(fēng)機(jī)計算、系統(tǒng)實(shí)際耗電量計算、磨料消耗量計算等。下面主要分析螺旋輥道速度控制、高度調(diào)節(jié)及液壓缸伸縮量的計算，其余暫不贅述。

螺旋輥道液壓缸伸縮量需要根據(jù)鋼管管徑并結(jié)合各種工藝參數(shù)預(yù)先計算完成，實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)計算結(jié)果給液壓缸動作指令，液壓缸在直線位移傳感器的輔助下精確調(diào)整伸縮量以滿足生產(chǎn)工藝條件。

計算初始條件：

為計算的方便和其通用性，計算參數(shù)均以字母替代，字母含義見圖5俯視展開圖和圖6切面計算模型圖所示。

圖5 俯視展開圖

參數(shù)設(shè)定：

A=螺距(mm)；

d=鋼管外表面直徑(mm)；

r=鋼管外表面半徑(mm)；

C=鋼管相對于輥體軸線的偏轉(zhuǎn)角度(°)；

D=鋼管與輥體相切位置輥體實(shí)際直徑(mm)；

E=變頻電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)；

F=鋼管與輥體相切位置輥面線速度(m/min)；

V=鋼管軸向速度(m/min)；

W=鋼管圓周速度(m/min)；

T=鋼管旋轉(zhuǎn)一周所用的時間(s)；

R=輥體圓弧段半徑(mm)(本例中實(shí)際數(shù)值為350mm)；

L=兩輥體間軸承座安裝間距(mm)(本例中實(shí)際數(shù)值為490mm)；

N=輥體圓弧廓面中心點(diǎn)至輥體旋轉(zhuǎn)中心的距離(mm)(本例中為85mm)；

U=切面計算模型圖中輥體廓面圓弧中心點(diǎn)至輥體中心線投影點(diǎn)之間的距離(mm)；

H=鋼管中心距輥體軸承座中心的高度(mm)；

J=輥道組拉桿軸線與旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動軸線之間的距離(mm)；

X=液壓缸相對于原始安裝狀態(tài)需要調(diào)整的行程(mm)；

圖6 切面計算模型圖

P=輥道中心線至液壓缸擺軸的距離(mm)；

Q=液壓缸安裝狀態(tài)擺軸至缸頭銷軸的長度(mm)(本例中安裝狀態(tài)為轉(zhuǎn)臺偏轉(zhuǎn)10°)；

Z=原始安裝狀態(tài)輥道中心線至拉桿中心線的距離(mm)。

S、α、β、γ及θ位置如圖7拉桿位移計算模型圖所示。

分析計算：

以上參數(shù)中，A為螺距，條件已知，由除鱗有效寬度限制，本例中為450mm。

圖7 拉桿位移計算模型圖

B為鋼管外直徑，可由當(dāng)天生產(chǎn)安排獲知，或在上游工藝路線中在線測定。

C為轉(zhuǎn)臺需要的偏轉(zhuǎn)角度，相當(dāng)于螺旋升角，公式如下：

C=arctg(A/dπ)

D為鋼管與輥體接觸點(diǎn)位置輥體的實(shí)際直徑，公式：

D=(350×cosC-85)×2

F為接觸點(diǎn)的輥面線速度，其大小會隨鋼管直徑及轉(zhuǎn)臺角度變化，計算公式為：

F=πDE/1000

由此可得鋼管的軸向速度及圓周速度計算公式：

T為鋼管旋轉(zhuǎn)一周所用的時間，也即鋼管上某點(diǎn)的被噴射除鱗時間，公式：

T=A/V=πB/W

由計算模型圖可知：

則有：

由于設(shè)備在運(yùn)行調(diào)整過程中軸承座安裝高度不變，所以H加上軸承座的安裝高度就是鋼管軸線的高度。

由圖7中幾何關(guān)系可知：

cosα=Z/J

sinβ=(Z-P)/Q

S=2Jsin(C/2)

θ=β+γ

所以有：

綜上可得：

有了以上推導(dǎo)公式可以較為方便地在EXCEL表格中進(jìn)行自動計算，為實(shí)際生產(chǎn)控制提供了很大便利。

4 結(jié)論

基于實(shí)際生產(chǎn)需求介紹了一種鋼管生產(chǎn)線上除鱗用螺旋輥道的設(shè)計和其相關(guān)控制參數(shù)的計算。這種思路對現(xiàn)有一些主機(jī)設(shè)備前后的螺旋升降輥道的設(shè)計有一定的啟發(fā)作用。這些主機(jī)包括矯直機(jī)、松棒機(jī)、芯棒輾軋機(jī)等等。利用以上推導(dǎo)公式，配合計算機(jī)的優(yōu)越計算能力，可以很方便地編制自動控制程序，使用時只需要提供來料鋼管的外徑數(shù)據(jù)，設(shè)備將自動調(diào)整至恰當(dāng)?shù)淖藨B(tài)和參數(shù)運(yùn)行。本文建議來料鋼管的外徑數(shù)據(jù)采集來自于輥道之前的某個在線自動測徑工序，這樣既避免了人工輸入數(shù)據(jù)的繁瑣工作，也避免了由于人工失誤輸入了錯誤的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步提高設(shè)備至全自動化自適應(yīng)工作狀態(tài)。本文所介紹的設(shè)計和計算成果，已在國內(nèi)某大型鋼廠成功實(shí)用，并將為新建生產(chǎn)線的工藝優(yōu)化和落后生產(chǎn)線的升級改造提供借鑒和支持。

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DesignandCalculationoftheDescalingScrewRollTable

Mu Shuliang Mi Nan Xu Hailiang

(Capital Engineering & Research Incorporation Limited，Beijing 100176)

Steel tube workshop always install a descaling procedure. This procedure require all tube through the descaling box by same centre-line height and spiral motion. This essay will introduce the descaling screw roller-table according to this procedure, also analyze necessary adjusting variables for automatic control.

Tube equipment Spiral roller-table Descaling roller-table

穆樹亮，男，1982年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，工學(xué)碩士，工程師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計工作

TG178

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10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.001

2014-05-18)