玉向?qū)?，熊兆軍，趙增強

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

1 概 述

立輥是螺旋焊管生產(chǎn)線上必不可少的設備，對整條生產(chǎn)線的帶鋼起導向?qū)χ凶饔茫苑乐箮т撝行?（邊緣） 偏離遞送線而導致成型不穩(wěn)，進而產(chǎn)生缺陷[1]。 螺旋焊管生產(chǎn)采用埋弧焊接方式，為保證焊管的管徑及直度，對焊接用帶鋼寬度有嚴格要求。 在實際生產(chǎn)中采購的原材料為熱軋卷板，板寬存在一定的公差，整卷材料寬度尺寸精度低，特別是在板頭、板尾部位還會存在 “月牙彎”，為了保證遞送線不偏離，就要通過立輥定位來實現(xiàn)。 因此，在整條焊管生產(chǎn)線中，從開卷機到進入成型器前的所有工序，一般會設立至少5 組立輥裝置，其具體位置如圖1 所示。 圖1 中立棍分布在矯平機和剪板機之間、剪板機和夾送輥之間、銑邊機前后以及遞送機前[2]。 另外，為了保證帶鋼平穩(wěn)準確地進入成型器內(nèi)，在導板側(cè)面設側(cè)立輥，在成型器0#輥兩側(cè)設前立輥和后頂輥機構。 在焊管生產(chǎn)線中，立輥是使用最多、故障率相對較高的設備，研究立輥的結構，分析其主要故障點及原因并加以優(yōu)化改進，對提高焊管生產(chǎn)線的設備能力以及生產(chǎn)效率具有重要意義。

圖1 焊管生產(chǎn)線立輥位置示意圖

2 立輥的使用現(xiàn)狀分析

2.1 立輥的結構

焊管生產(chǎn)線立輥位置調(diào)節(jié)傳動機構主要由底座、主傳動機構、輥座、輥子組成，具體結構如圖2 所示。 圖2 中，通過手動或電動機帶動減速機轉(zhuǎn)動兩邊的絲杠、絲母使立輥橫向移動，從而通過帶鋼板寬變化實現(xiàn)立輥位置的調(diào)節(jié)[3]。

圖2 立輥結構示意圖

2.2 立輥受力分析

在生產(chǎn)過程中帶鋼邊緣與立輥面是緊密接觸的，鋼板行進中板邊和立輥接觸面會產(chǎn)生擠壓力P，從結構中看出立輥通過絲杠直接傳動，因為絲杠具有自鎖特性，帶鋼板寬變化時立輥位置不能隨之變化，這就造成了帶鋼對輥面造成很大的徑向擠壓力，因其兩者間硬度的差異，帶鋼邊緣受力產(chǎn)生板邊擠厚，致使卷板邊緣發(fā)生塑性變形[4]，如圖3 所示。 鋼板局部變形量為 S，變形區(qū)域長度為L，對應的立輥轉(zhuǎn)動中心角度為α。

根據(jù)理想材料應力變形特點分析可知，材料受力變形其應力是隨著變形量的增大而增大[5]，但增大到一定值時趨于平衡。 帶鋼邊緣變形達到彈塑性變形極限時，其與立輥間產(chǎn)生的應力為鋼板的屈服極限σ，帶鋼邊緣應變?yōu)棣模瑒t

式中： B——鋼板寬度；

E——彈性模量。

圖3 立輥受力分析示意圖

由公式 （1） 可以得出

理想狀態(tài)下認為帶鋼邊緣與立輥間的應力是均布的，則可得出壓力

式中： t——卷板厚度。

依據(jù)圖3，可得出幾何關系式

其中，R 為立輥的半徑，立輥轉(zhuǎn)動需要的力矩為

由公式 （4） 和公式 （5） 可以計算得出立輥克服鋼板塑性變形的阻力

另外，立輥在轉(zhuǎn)動過程中軸承也會產(chǎn)生摩擦阻力。

2.3 立輥故障的產(chǎn)生

在螺旋焊管生產(chǎn)調(diào)型中，根據(jù)卷板寬度先調(diào)節(jié)立輥的開口量，因為同種規(guī)格或相近規(guī)格鋼管一般采用寬度相同的卷板批量生產(chǎn)，主傳動機構使用頻率遠遠低于輥子，因此立輥故障一般都是出現(xiàn)在輥子部件上。

生產(chǎn)過程中卷板板邊與立輥緊密接觸，鋼板前進帶動立輥轉(zhuǎn)動產(chǎn)生滾動摩擦，從輥子受力分析可知輥面長期受力會出現(xiàn)各種故障以及磨損。為了提高輥子使用壽命，要減少輥面溝槽的產(chǎn)生，輥面硬度一定要遠大于卷板，且有很高的耐磨性。 現(xiàn)用立輥材質(zhì)一般采用9Cr2Mo，調(diào)質(zhì)處理后硬度為240～270HB，輥子表面淬火后硬度為 50～55HRC。

通過對立輥受力分析，并結合實際生產(chǎn)中立輥故障率的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)輥面磨損產(chǎn)生的立輥維修幾率很低，一個輥子可以使用至少一年，造成立輥故障率高的原因是軸承的損壞。 傳統(tǒng)立輥結構如圖4 所示，輥子的轉(zhuǎn)動是依靠一對圓錐輥子軸承來實現(xiàn)，兩個軸承背向安裝，軸承內(nèi)環(huán)向外，軸承外圈的定位依靠壓蓋實現(xiàn)，內(nèi)圈靠定位套來定位。 立輥在長期的連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，此軸承結構受徑向載荷為主的徑向力和軸向載荷力的聯(lián)合沖擊。 在立輥結構中定位方式屬于間隙配合，這就使得軸承游隙比較大，當受到比較大的徑向阻力時，其內(nèi)環(huán)產(chǎn)生較大的軸向分力，產(chǎn)生磨損，隨之進一步加大了軸承的游隙。 如此循環(huán)會導致立輥的支撐裝置強度降低，軸承滾柱與外圈接觸不均勻，產(chǎn)生軸承的載荷不均和滾柱卡死現(xiàn)象，軸承外圈受到較大沖擊和震動時，加速了軸承的疲勞損壞[6]。

圖4 傳統(tǒng)立輥結構示意圖

在生產(chǎn)中軸承出現(xiàn)問題由于沒有及時發(fā)現(xiàn)或維修，常常使得與軸承配合的輥軸以及軸套等隨之損壞，增加了維修成本，同時軸承的變形拆檢更加困難，也使得維修時間和費用有所增加。

3 立輥的改進

3.1 立輥結構的改進

針對立輥軸承故障的這一問題，引入了以自潤滑銅套替代軸承的結構。 綜合考慮了替代軸承的尺寸以及鋼和銅材料的價格成本等因素，設計了以鋼套為載體內(nèi)部鑲嵌銅套的形式取代原來軸承位置，具體結構如圖5 所示。 改進的立棍是以鋼為基體鑲嵌入銅套，銅套設有油槽可以加油潤滑，該結構除了銅套式滑動軸承所具有的工作平穩(wěn)、可靠、承載力大、抗沖擊、無噪聲等特點[7]，以及在潤滑液條件下滑動表面被潤滑油分開而不發(fā)生直接接觸，大大減少了摩擦損失和表面磨損，潤滑油膜還能起到吸振、散熱、減摩、延長銅套壽命等優(yōu)勢外，還具有節(jié)省成本，提高抗壓強度的優(yōu)點。 此結構的軸承在運行過程中，鋼套承擔了大部分的沖擊負荷，在輥子不斷轉(zhuǎn)動中潤滑脂減少了長期運行時對摩擦副的損害[8]，選用的潤滑脂具有良好的高低溫性能、防銹性能和機械安全性能，特別適用于生產(chǎn)線立輥這種多灰塵、多沖擊的環(huán)境。

圖5 改進后立輥結構示意圖

3.2 銅套的設計選用

3.2.1 銅套尺寸

在設計銅套結構時要充分考慮裝配前后銅套內(nèi)徑的變化關系，以此來預測銅套內(nèi)徑變化量，從而設計出適宜尺寸的銅套結構[9]。 由于鋼套的剛度遠大于銅套，鑲嵌時銅套的變形可忽略不計，鑲嵌前后銅套的外徑變形量視為銅套的過盈量Δ，依據(jù)力學理論公式可得出銅套在鑲嵌前后的體積變化為

式中： D——銅套外徑；

d——銅套內(nèi)徑；

δ——銅套內(nèi)徑變化量。

鑲嵌前后 V1≈V2，且 L1≈L2。

由公式 （7） 和公式 （8） 可以得出

當銅套過盈量和內(nèi)徑變化量分別遠小于銅套外徑和內(nèi)徑時，2D-Δ≈2D，2d-δ≈2d，則由公式 （9） 可得

依據(jù)公式 （10） 可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑變化量與過盈量是成正比關系的，比例系數(shù)由銅套內(nèi)外徑尺寸的比值構成。 在實際設計中綜合考慮外部因素如溫度、粗糙度和孔橢圓度等的影響，選配的銅套內(nèi)徑尺寸會留有余量。

3.2.2 銅套材質(zhì)

耐磨銅套的材質(zhì)種類很多，考慮立輥軸承等零件的加工和拆裝精度，以及裝配難度等方面的原因，銅套材質(zhì)選擇比較軟且耐磨的銅合金[10]，比如磷錫青銅、鋁鐵青銅、錫鋅青銅以及常見的黃銅等。 設計中選擇了具有較好強度與硬度、加工性好的黃銅作為鑲嵌銅套的材料[11]。

4 應用效果

對兩條螺旋焊管生產(chǎn)線電動立輥和成型頂輥均進行軸承改銅套的更換，改進后的立輥軸套使用壽命由原來的2～3 個月延長到6 個月以上，且改造后的結構易于安裝，維修成本和時間均有降低。

同時，自潤滑軸套代替軸承可以引入到焊管生產(chǎn)線的其他設備上。 例如矯平機設備，其工作輥由于長期運轉(zhuǎn)，輥子軸承在沒有及時維修的情況下會出現(xiàn)輥子端部配合部位磨損變形情況，輥子修復拆裝困難，維修時間長，在生產(chǎn)任務繁重時，無法及時檢修。 為了不影響生產(chǎn)，在未對工作輥進行拆卸的情況下，在線打開輥端壓蓋，拆卸軸承，對輥頭進行手工修磨后，根據(jù)修后的輥頭尺寸加工鑲銅鋼套作為軸承，維修后的矯平機完全能夠達到生產(chǎn)要求，節(jié)省了維修時間以及成本，效果良好。