周超群，金　強，覃　宣，穆　東

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

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連軋管機芯棒支撐機架改造設(shè)計

周超群，金強，覃宣，穆東

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

摘要：分析了連軋管機芯棒支撐機架的同心連桿機構(gòu)；針對某連軋管機為擴大規(guī)格范圍進行改造后芯棒支撐機架無法適應(yīng)改造要求的情況，通過改變主動輥支撐位置，加大主動臂長度，對芯棒支撐機架進行改造；并對改造前后的芯棒支撐方案進行仿真分析。分析結(jié)果表明：改造后的芯棒支撐機架可以很好地適應(yīng)加重芯棒，滿足擴大產(chǎn)品規(guī)格改造的要求。

關(guān)鍵詞：連軋管機；芯棒支撐機架；主動輥支撐位置；主動臂長度；表面質(zhì)量；連桿機構(gòu)；仿真分析

周超群（1982-），女，碩士，高級工程師，從事鋼管車間設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)工作。

鋼管連軋管機以其產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的技術(shù)優(yōu)勢已成為當今無縫鋼管生產(chǎn)中最具代表性的機型，也是國內(nèi)外無縫鋼管主要生產(chǎn)企業(yè)首選的軋管機型［1-10］。在連軋管機孔型構(gòu)成中，軋輥為鋼管的外變形工具，芯棒在鋼管內(nèi)部形成內(nèi)變形工具，內(nèi)外工具一起組成無縫鋼管軋制孔型［11］，軋輥孔槽中心要求與軋制中心線精確重合，而芯棒中心與軋制中心線也要求有較高的對中精度和穩(wěn)定性，以保證運行中芯棒與輥槽間形成均勻的間隙，從而避免與軋輥碰撞和摩擦引起相互損壞。

芯棒支撐機架是連軋管機中保持芯棒穩(wěn)定和對中的關(guān)鍵裝置。芯棒支撐機架的數(shù)量和安裝位置，取決于連軋管機配置情況［12］。芯棒支撐機架抱輥的位置精度和穩(wěn)定性對芯棒和軋輥的表面質(zhì)量和使用壽命等起到非常重要的作用，從而也為順利軋制和保證軋制鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。尤其是軋制薄壁管時，芯棒與軋輥孔槽間的間隙很小，當芯棒高速回退時，若芯棒穩(wěn)定性不好，甩動較大，將影響芯棒和軋輥的表面質(zhì)量和使用壽命。因此，對該裝置進行研究具有非常重要的意義。

1　芯棒支撐機架分析

芯棒支撐機架通過1個液壓缸驅(qū)動3個擺臂擺動來對軋制過程中不同直徑規(guī)格的芯棒進行支撐。3個擺臂同步擺動且擺動角度完全相同，從而保證了3個擺臂上的托輥在整個擺動過程中始終保持一個固定的中心（與軋制中心線重合），確保芯棒被準確地支撐在軋制中心線上。芯棒支撐機架結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1　芯棒支撐機架結(jié)構(gòu)原理示意

3個擺臂的鉸點OO′O″位于以軋制中心點C為圓心的圓周上，并在圓周上均勻分布，即OO′O″為等邊三角形。3個擺臂等長，即OM=O′M′=O″M″。初始位置，可將OM、O′M′、O″M″位于弦邊OO″、OO′、O′O″上。為使3個擺臂擺動時角度完全相同，OB′E′O′和OB″E″O″為平行四連桿機構(gòu)，O、B′、B″、M、F為主動擺臂上的5個點；因此，當OB′、OB″和OM被驅(qū)動擺動一定的角度δ時，O′E′和O″E″也擺動角度δ，從而O′M′和O″M″也擺動角度δ，保證3個擺臂上的托輥始終保持一個固定的中心。因此，該機構(gòu)也可稱為同心連桿機構(gòu)。

PF為可伸縮機構(gòu)，通常為液壓缸，通過機構(gòu)伸縮驅(qū)動擺臂擺動來調(diào)整托輥打開和閉合的程度。

2　芯棒支撐受力分析

某Ф258 mm三輥連軋管機共有6個軋制機架、3個芯棒支撐機架及1個芯棒支撐輥，其設(shè)備配置如圖2所示。3個芯棒支撐機架分別在2號與3號軋制機架之間、4號與5號軋制機架之間、6號軋制機架之后，芯棒支撐輥在1號軋制機架之前。

在軋制開始前，芯棒支撐輥處于毛管支撐位置，待毛管尾部離開后，芯棒支撐輥馬上升至芯棒支撐位置；3個芯棒支撐機架在軋制開始前則處于芯棒支撐位置，1號芯棒支撐機架在收到毛管擋叉下降信號后延時打開，收到3號軋制機架無負載信號后閉合至芯棒支撐位置；2號芯棒支撐機架在收到3號軋制機架有負載信號時打開，收到5號軋制機架無負載信號后閉合至芯棒支撐位置；3號芯棒支撐機架在收到5號軋制機架有負載信號時打開，在收到毛管尾部離開6號軋制機架信號并延時一段時間后閉合至芯棒支撐位置。3個芯棒支撐機架和連軋管機入口芯棒支撐輥具有對芯棒支撐和導向的功能，以防止芯棒在插入毛管和高速回退時與軋輥發(fā)生碰撞和摩擦而引起相互損壞。

圖2　某Ф258 mm三輥連軋管機設(shè)備配置示意

尤其是在高速回退時，芯棒若穩(wěn)定性不好，易與軋輥發(fā)生碰撞。此時，芯棒尾部由限動齒條的夾持頭夾持，并由3個芯棒支撐機架和連軋管機前后的芯棒支撐輥支撐，夾持頭對芯棒不起支撐作用，只用于限制芯棒的軸向運動。當芯棒頭部退出2號芯棒支撐機架時，芯棒由連軋管機前臺的數(shù)個芯棒支撐輥和1號芯棒支撐機架支撐。在實際運行時，由于托輥表面磨損程度不一，連軋管機前臺的數(shù)個芯棒支撐輥往往并不同時與芯棒接觸。為便于對芯棒支撐機架進行研究，芯棒支撐簡化力學模型如圖3所示［13］。在圖3中，L0為芯棒總長，L1為芯棒尾部到實際起支撐作用的芯棒支撐輥的距離，L2為芯棒支撐輥到芯棒支撐機架的距離，L3為芯棒頭部到芯棒支撐機架的距離。芯棒承受均勻分布的重力、芯棒支撐輥和芯棒支撐機架對它的反作用力。

3　芯棒支撐機架優(yōu)化改造設(shè)計

以某Ф258 mm三輥連軋管機為例，芯棒最大直徑為280.1 mm，芯棒總長度為19.8 m，采用實心芯棒的質(zhì)量為9.6 t/根［14］。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)驗證，圖1所示的芯棒支撐機架（方案1）能夠很好的對芯棒進行支撐，滿足生產(chǎn)要求。

當Ф258 mm三輥連軋管機擴大規(guī)格到Ф340 mm時，芯棒最大直徑為352.6 mm，芯棒總長度為19.8 m。當采用實心芯棒時，質(zhì)量為15.2 t；當采用空心芯棒時，質(zhì)量為10.8 t。采用ADAMS仿真軟件對上述兩種情況分別進行仿真分析［15］。

仿真分析時，對芯棒尾部中心點進行約束，限制芯棒的軸向運動，一端被一個升降輥道支撐，另外一端被一架芯棒支撐機架支撐，芯棒支撐方案1的仿真界面如圖4所示，分析結(jié)果見表1。

圖3　芯棒支撐簡化力學模型示意

圖4　芯棒支撐方案1仿真界面

表1　芯棒支撐方案1的仿真分析結(jié)果

通過上述仿真分析可知，在Ф258 mm三輥連軋管機中，芯棒支撐機架支撐芯棒的偏移距離僅為0.38 mm；而使用原有芯棒支撐機架支撐加重后的芯棒，芯棒偏離軋制中心線距離過大，最大可達5.30 mm。當軋制薄壁管時，芯棒插入毛管和高速回退時，會碰撞和摩擦軋輥，因此可以認為原芯棒支撐機架已經(jīng)無法適應(yīng)新的改造要求，需要對芯棒支撐機架進行改造。

根據(jù)上述芯棒支撐方案受力仿真分析情況，從兩個方面對芯棒支撐機架進行改造：一是改變主動輥的支撐位置，使其更加接近芯棒正下方的位置，以便更好地支撐芯棒；二是加大主動臂的長度，使芯棒支撐機架具有更大的支撐力。芯棒支撐方案2的仿真界面如圖5所示，分析結(jié)果見表2。

通過上述仿真分析可知，使用改造后的芯棒支撐機架支撐加重后的芯棒，芯棒偏離軋制中心線的距離都∧1 mm，對芯棒與輥槽的間隙幾乎不產(chǎn)生影響，避免了芯棒與軋輥發(fā)生碰撞和摩擦而產(chǎn)生表面缺陷，以保證改造后的連軋管機軋制出高質(zhì)量的荒管。因此，通過采取調(diào)整芯棒支撐機架主動輥的位置和加大其主動臂的長度，可以很好地適應(yīng)加重的芯棒，改造方案可行。

改造后，四連桿擺臂的鉸點位置發(fā)生改變，主動擺臂加長，從而加長了力臂，液壓缸直徑可保持不變，行程需相應(yīng)加長。鉸點改變后，連桿動作已超出現(xiàn)有機架的框架范圍；因此，在不影響外形安裝尺寸的情況下，將機架框架適當加寬。同時可增加斜筋板等加強機架結(jié)構(gòu)。

圖5　芯棒支撐方案2的仿真界面

表2　芯棒支撐方案2的仿真分析結(jié)果

4　結(jié)　語

綜上所述，本文對芯棒支撐機架的同心連桿機構(gòu)進行了分析，針對某Ф258 mm連軋管機擴大規(guī)格改造，對兩種芯棒支撐方案進行了仿真分析，提供了更好的芯棒支撐解決方案，采用改造后的方案能更好地適應(yīng)擴大產(chǎn)品規(guī)格所需的芯棒質(zhì)量，此方案可以用于以后的改造和新建工程中。

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Design for Modification of Mandrel Bar Steadier of Mandrel Pipe Mill

ZHOU Chaoqun，JIN Qiang，QIN Xuan，MU Dong
（CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Abstract：Analyzed in the paper is the concentric linkage mechanisms of the mandrel bar steadier of the mandrel pipe mill. Addressing the problem that after a product mix expansion-aiming modification of a certain mandrel pipe mill，its mandrel bar steadier fails to meet the modification requirement，the bar steadier proper is modified by means of changing the supporting position of the drive roller，and increasing the length of the drive arm. Furthermore，a simulation analysis of the pre-modification bar supporting scheme and the post-modification bar suppor-% ting scheme is performed. As a result，it is revealed that the modified bar steadier is well suitable for the heavier mandrel bars so as to meet the requirements of the product mix expansion-aiming modification of the mill line.

Key words：mandrel pipe mill；mandrel bar steadier；drive roller supporting position；drive arm length；surface quality；linkage mechanisms；simulation analysis

收稿日期：（2015-08-10；修定日期：2015-09-08）

中圖分類號：TG333.8搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0031-04