無縫鋼管矯直設(shè)備選擇

王志平 劉煥利 王立芳（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

無縫鋼管矯直設(shè)備選擇

王志平 劉煥利 王立芳（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

介紹了鋼管生產(chǎn)中常用的鋼管矯直設(shè)備——壓力矯直機(jī)和斜輥矯直機(jī)，分析了兩種矯直機(jī)的工作原理、主要參數(shù)。通過對(duì)比二者在矯直精度、生產(chǎn)效率等方面的不同，提出了企業(yè)應(yīng)根據(jù)無縫鋼管生產(chǎn)實(shí)際情況合理選擇矯直設(shè)備的觀點(diǎn)。

無縫鋼管 矯直機(jī) 矯直機(jī) 矯直精度 研究

1 引言

無縫鋼管在軋制、運(yùn)送、熱處理過程中均會(huì)產(chǎn)生不同程度的彎曲，彎曲會(huì)影響成品管的質(zhì)量，使鋼管達(dá)不到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以在無縫鋼管生產(chǎn)過程中都會(huì)采用相應(yīng)的矯直設(shè)備對(duì)鋼管進(jìn)行矯直。矯直是鋼管精整工序的一部分，目前用于無縫鋼管矯直的設(shè)備主要有壓力矯直機(jī)和斜輥矯直機(jī)兩種。本文對(duì)兩種矯直機(jī)的工作原理、主要參數(shù)等進(jìn)行了分析，比較了二者在矯直精度、生產(chǎn)效率、適用條件等方面的不同，生產(chǎn)中可根據(jù)實(shí)際需要合理選擇矯直設(shè)備。

2 壓力矯直機(jī)

2.1 壓力矯直機(jī)工作原理

壓力矯直機(jī)屬于反復(fù)彎曲式矯直機(jī)，它采用三點(diǎn)彎曲的矯正方法，通過反復(fù)彎曲并逐漸減小壓彎撓度的方式在同一個(gè)平面內(nèi)對(duì)鋼管進(jìn)行矯直。鋼管矯直過程也就是鋼管發(fā)生彈、塑性變形的過程。初始時(shí)，鋼管以中性層為界發(fā)生彈性變形，凸彎側(cè)受拉，凹彎側(cè)受壓；當(dāng)彎曲力矩增大到一定數(shù)值時(shí)，鋼管表層發(fā)生塑性變形并隨著彎曲力矩的增大向中性層擴(kuò)展，形成一定厚度的塑性層；當(dāng)外力去除后，鋼管在內(nèi)力作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈復(fù)變形，直至達(dá)到新的平衡，得到所需的形狀[1]。利用壓力矯直機(jī)矯直鋼管前，鋼管需先通過檢測(cè)裝置找出彎曲點(diǎn)，然后鋼管被送入矯直機(jī)且擺正使彎曲點(diǎn)對(duì)正壓頭，之后壓頭對(duì)鋼管施加壓力。壓力矯直時(shí)，鋼管相當(dāng)于中點(diǎn)受集中力作用的簡(jiǎn)支梁，如圖1和2所示。

2.2 壓力矯直機(jī)主要參數(shù)

確定壓力矯直機(jī)的參數(shù)對(duì)保證矯直精度及工作效率有重要意義[1]。

2.2.1 支點(diǎn)距離L

壓力矯直機(jī)支點(diǎn)距離的確定需要綜合考慮多種因素，如壓頭行程過小或工作臺(tái)面較小時(shí)，L值不能太大；L值過小時(shí)矯直機(jī)的矯直力有可能不夠用，所以在允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能增大L使矯直機(jī)的能力得到充分發(fā)揮。

對(duì)不同規(guī)格的鋼管而言，其截面抗彎能力不相同?？箯澞芰Υ蟮匿摴茉谏a(chǎn)過中曲率變化比較平緩，而抗彎能力小的鋼管曲率變化比較急。因此，矯直大彈性模量鋼管時(shí)，支點(diǎn)距離應(yīng)較大，反之則較小。

2.2.2 反彎撓度

由于矯直鋼管要先產(chǎn)生彈性變形，之后才產(chǎn)生塑性變形，所以壓頭需提供一定程度的反彎撓度δw才能將鋼管矯直。

Mt—彈性極限彎矩;

L—支點(diǎn)距離;

E—彈性模量;

I—截面慣性矩;

CW—反彎曲率比;

C0—原始曲率比;

a—鋼管孔徑比（即內(nèi)外徑之比）;

δ0—原始彎曲撓度;

D—鋼管外徑;

σt—彈性極限（具體運(yùn)算時(shí)以屈服點(diǎn)代替）;

R—鋼管外圓半徑。

定義彈塑性彎矩與彈性極限彎矩之比為彎矩比。

M—彈塑性彎矩;

ξ—邊層應(yīng)力增大系數(shù);

若彎矩比過大，鋼管在矯直過程中的彈塑性彎矩就會(huì)較大，鋼管極有可能因受到塑性壓扁而產(chǎn)生畸變。因此，實(shí)際調(diào)整壓彎程度時(shí)要避免過大的壓彎，推薦用ζ=a-0.1m來計(jì)算彎矩比最大值max。由最大彎矩比得出鋼管所能承受的最大彎矩為：

此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓頭壓力即矯直力為：

若要一次將鋼管矯直，壓頭壓下量δ應(yīng)滿足：

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過檢測(cè)裝置對(duì)壓頭壓下量及矯直力進(jìn)行測(cè)量，若壓頭壓下量δ達(dá)到時(shí)所測(cè)量的力值小于Pmax，那么鋼管可通過一次矯直達(dá)到要求。若壓下量沒有達(dá)到δ時(shí)，矯直力已經(jīng)達(dá)到Pmax，那么鋼管不能通過一次加壓完成矯直，而必須采用兩次甚至多次壓彎進(jìn)行矯直。在一次矯直之后對(duì)殘留撓度值進(jìn)行測(cè)量并以此修正第二次壓下量，用新的壓下量對(duì)鋼管進(jìn)行第二次施壓，之后再檢測(cè)，直到將鋼管完全矯直。

需要注意的是，在壓力矯直狀態(tài)下，載荷作用點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)很小的區(qū)域，受力狀態(tài)可認(rèn)為是集中載荷?？紤]鋼管彎曲及壓頭接觸點(diǎn)處鋼管的彈性壓扁，當(dāng)壓力過大時(shí)，鋼管易出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象。特別是對(duì)大徑壁比的鋼管來說，其截面抗彎能力較大，壓頭需施加較大壓力才能將鋼管矯直。但由于鋼管壁厚較薄，壓力過大時(shí)尤其容易出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象而產(chǎn)生廢品，所以矯直此類鋼管時(shí)必須進(jìn)行試探性加壓，采用略小的壓力進(jìn)行一次試壓，減小鋼管彎曲率，之后進(jìn)行測(cè)量，再重復(fù)加壓，如此反復(fù)，逐步將鋼管矯直。

3 斜輥矯直機(jī)

3.1 斜輥矯直機(jī)工作原理

斜輥矯直機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)彎曲式矯直機(jī)，常用于無縫鋼管連續(xù)生產(chǎn)線。目前采用最多的斜輥矯直機(jī)為三對(duì)矯直輥成對(duì)布置的六斜輥矯直機(jī)，故以六斜輥矯直機(jī)為例，對(duì)其工作原理進(jìn)行說明。

六斜輥矯直機(jī)包括上、下兩排矯直輥共6個(gè)，三對(duì)矯直輥均為驅(qū)動(dòng)輥，中間一對(duì)矯直輥可升起。上、下兩排矯直輥均與鋼管軸線成一定角度傾斜安裝且上、下兩排輥軸相互交叉，鋼管在矯直時(shí)能夠邊前進(jìn)邊旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的全方位矯直。輥形為雙曲線形狀，對(duì)鋼管形成完整包絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 六輥斜輥矯直機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

六斜輥矯直機(jī)利用中間一對(duì)矯直輥升起使鋼管形成大于原始彎度的撓度以達(dá)到鋼管縱向矯直的目的，稱為彎曲矯直。當(dāng)鋼管通過矯直機(jī)時(shí)，鋼管上每一點(diǎn)均發(fā)生彈性變形—塑性變形（形成統(tǒng)一撓度）—彈性變形的過程，如圖4所示。

圖4 鋼管變形情況簡(jiǎn)圖

除此之外，上、下兩個(gè)矯直輥之間還給鋼管一個(gè)徑向壓力，此徑向壓力因使鋼管在橫截面上產(chǎn)生一定的塑性變形區(qū)而對(duì)鋼管起到一定的圓整作用，稱為橫向壓扁矯直。鋼管矯直是彎曲矯直和壓扁矯直疊加的結(jié)果。

3.2 斜輥矯直機(jī)主要參數(shù)

3.2.1 矯直力的計(jì)算[1]

六斜輥矯直機(jī)矯直鋼管時(shí)鋼管產(chǎn)生如圖5所示的彎矩。為達(dá)到矯直鋼管的目的，需有一定程度的彈塑性彎矩M。這里按ζ=a-0.1，并根據(jù)公式（5）得出彎矩比，繼而得到彎矩值M，那么形成彈塑性彎矩M所需的矯直力F為：

圖5 六輥斜輥矯直機(jī)彎矩圖

各矯直輥中下中輥受力最大為2F2，其輥面所受法向壓力Fz為:

式中：δ—鋼管壁厚

P—矯直輥間距

S—鋼管在矯直輥內(nèi)形成的等彎矩長(zhǎng)度

t—導(dǎo)程（計(jì)算時(shí)設(shè)定S=t）

α—鋼管軸線與輥軸間夾角

θ—輥面法向壓力角

Dg—矯直輥輥腰直徑

Lg—矯直輥工作長(zhǎng)度

實(shí)際上，在矯直過程中矯直輥的受力情況非常復(fù)雜，根據(jù)以上公式得出的矯直力與實(shí)際矯直力之間存在一定差別。

3.2.2 矯直輥間距的確定

矯直輥間距是矯直機(jī)的主要參數(shù)之一。矯直時(shí)鋼管兩端各有約一半輥距的長(zhǎng)度因無法形成塑性彎曲變形而得不到縱向彎曲矯直，只能進(jìn)行橫向壓扁矯直，造成鋼管兩端矯直效果較差，稱為矯直盲區(qū)。減小矯直輥距可縮短矯直盲區(qū)，使鋼管得到良好的矯直效果。但由以上公式可以看出輥距越短矯直力越大，矯直輥高度調(diào)整機(jī)構(gòu)的體積就越大，因此，在設(shè)計(jì)矯直輥距時(shí)應(yīng)在保證足夠矯直力的前提下，盡量縮小矯直輥距，使矯直機(jī)的整體結(jié)構(gòu)緊湊且減小矯直盲區(qū)。另外，應(yīng)使矯直輥輥距與螺旋導(dǎo)程（鋼管旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離）的比值避開整數(shù)倍，使鋼管得到各個(gè)方向的矯直。

4 結(jié)束語

本文對(duì)目前無縫鋼管生產(chǎn)過程中常用的精整設(shè)備壓力矯直機(jī)及斜輥矯直機(jī)進(jìn)行了介紹。壓力矯直機(jī)需人工輔助操作，生產(chǎn)效率較低，不能用于連續(xù)生產(chǎn)，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低，且對(duì)鋼管初始彎度要求較松，可用于矯直大彎度鋼管。斜輥矯直機(jī)多用于無縫鋼管連續(xù)生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)效率，矯直精度高，雙曲線形狀的輥形曲線能對(duì)鋼管形成良好包絡(luò)，在保證鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的同時(shí)又有效避免鋼管偏離生產(chǎn)線，保證矯直精度。但此種矯直方式對(duì)鋼管的原始彎度要求較為嚴(yán)格，斜輥矯直機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)高。在無縫鋼管生產(chǎn)線上可根據(jù)工藝情況及具體要求合理選擇矯直設(shè)備。

[1]崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

Choice of Seamless Pipe Straighten Equipment

Wang Zhiping,Liu Huanli,Wang Lifang

The paper introduces the common straighten equipment for pipe production,i.e.,pressure straightener and cross roll straightener,analyzes the working principle and main parameters for the two kinds of straighteners and through comparing their differences at straighten accuracy and production efficiency puts forward the opinion that an enterprise shall reasonably choose its straighten equipment in accordance with actual conditions for seamless pipe production.

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（收稿 2009－8－24責(zé)編崔建華）

王志平，男，工學(xué)學(xué)士，多年從事無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造工作。