鋼管斜輥矯直設定參數(shù)偏差檢測與調(diào)整策略*

馬立東，王 飛 ，王 勤

（1.太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030024；2.重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122；3.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

鋼管通過單對、多對或者多個交錯布置的具有一定輥形的矯直輥邊旋轉(zhuǎn)、邊進給，實施多次反彎，實現(xiàn)鋼管矯直，使矯后鋼管達到一定的直線度精度要求；同時通過對輥對鋼管實施壓扁變形，實現(xiàn)鋼管的“搓圓”，使鋼管達到一定的圓度精度要求。在矯直過程中，矯直輥與鋼管傾斜布置，通過調(diào)整傾斜角使矯直輥與鋼管達到最好接觸狀態(tài)［1-5］。

反彎量、壓扁量、傾斜角是鋼管矯直過程中需要調(diào)整的3類工藝參數(shù)。文獻［6-7］對鋼管矯直過程進行了系統(tǒng)的研究，通過彈塑性力學、空間解析幾何手段推導了鋼管矯直過程的反彎撓度、壓扁量和傾斜角，并給出了矯直輥輥型的計算方案。文獻［8］應用球形包絡線算法得到了多斜輥矯直輥的輥型計算方法，該方法與文獻［9］介紹的采用仿形法得到的輥型基本一致。這些輥型設計方法均基于鋼管與矯直輥理想接觸計算獲得，隨著矯直輥與鋼管的旋轉(zhuǎn)接觸，在矯直輥輥面上不可避免地形成了滑動摩擦，導致矯直輥輥面產(chǎn)生了不同程度磨損，且不同矯直輥上的磨損情況又不盡一致。由于矯直輥的磨損，矯直輥整體名義直徑減小，此時自動設定系統(tǒng)設置的輥縫值和反彎量會產(chǎn)生偏差，如果不補償該偏差，則不可能獲得預期的反彎量和壓扁量。許多企業(yè)對于矯直機設備的維護/檢修不到位，導致機上檢測裝置（傳感器、編碼器）的返回值產(chǎn)生偏差，也會導致設定模型中的結(jié)果不可靠。

1 斜輥矯直機的偏差檢測

對國內(nèi)某公司投產(chǎn)近1年的Bronx矯直機進行檢測，該矯直機為六斜輥（2-2-2型）矯直機，可矯直鋼管的規(guī)格為Ф60.3～244.5 mm×3.5～30.0 mm，矯直管體直線度精度為1 mm/1 500 mm，矯直管端（1 400mm范圍）直線度精度為1mm/1 000mm。設備最大允許矯直力為1 000 kN，8立柱結(jié)構(gòu)，上輥移動橫梁為4立柱接觸，每個上輥為雙壓下、單平衡結(jié)構(gòu)，機架采用螺栓式預應力結(jié)構(gòu)，整機設備配置了完備的控制模型，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼管矯直過程的自動設定、自動控制，是國內(nèi)鋼管熱處理線上配置水平較高的矯直機。Bronx矯直機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Bronx矯直機結(jié)構(gòu)示意

矯直過程的工藝參數(shù)包括各對輥輥縫、各輥傾斜角、中間下輥的反彎量等，通過現(xiàn)場測試，測量各工藝參數(shù)的設定值與設備實際值之間的偏差，并重新調(diào)整零位，便于更有效地實現(xiàn)自動設定。

1.1 矯直輥磨損檢測

矯直工藝設定參數(shù)偏差主要由矯直輥的磨損導致；因此，分別測量矯直機中間位置6個矯直輥的磨損情況。首先測量（確定）矯直輥的中間位置（只測量了輥腰位置的磨損量）；然后用鋼卷尺繞輥腰一周，測量周長，測量結(jié)果見表1。對測量結(jié)果進行分析可以得出，入口對輥和中間對輥磨損情況較為嚴重，由磨損導致的總的輥縫偏差達到7.6 mm，出口對輥輥縫偏差達到5.2mm。

表1 矯直輥磨損情況

通過矯直輥輥型的樣板測量了軸向輥型磨損情況，發(fā)現(xiàn)中間上輥與下輥軸向磨損比較均勻，入口上輥內(nèi)側(cè)磨損嚴重，入口下輥外側(cè)磨損嚴重，出口上輥內(nèi)側(cè)磨損嚴重，出口下輥外側(cè)磨損嚴重，與文獻［5］描述的各矯直輥受力情況一致。

1.2 偏差檢測

采用樣棒進行矯直機的偏差檢測。將Ф90mm樣棒放入矯直輥系中，首先不施加快開，使樣棒盡量水平放置到3個下輥上，并將所有矯直輥傾斜角調(diào)整到盡量大的位置，同時將自動設定模型的中間下輥反彎量設置成0，用塞尺測量此時中間輥與樣棒之間的間隙，測量結(jié)果為0.35mm，意味著反彎量的偏差為-0.35 mm。可以看到，反彎量的偏差與中間下輥的磨損量相差較大，主要是由于3個下輥磨損不均勻所導致。

施加快開，通過調(diào)整傾斜角度，使得矯直輥和樣棒接觸狀態(tài)良好，此時觀察自動設定模型的手動設定值，由于樣棒直徑為90 mm，通過設定值（表2中的3個輥縫值）即可得到設定值輥縫偏差。

表2 樣棒良好接觸時的設定值

可以得出結(jié)論：入口對輥輥縫偏差為+10.7 mm，中間對輥輥縫偏差為+3.0mm，出口對輥輥縫偏差為-1.0mm，此時的輥縫偏差已經(jīng)較大。與矯直輥磨損測量得到的結(jié)果進行比較，兩組數(shù)據(jù)差距較大，可以認為是由于檢測元件本身產(chǎn)生了偏差。具體調(diào)整時以后者為準。

傾斜角的測量比較困難，雖然矯直機在安裝時給定了測量偏角標記，但已經(jīng)模糊不清，現(xiàn)場未對傾斜角偏差進行測量；矯直輥磨損之后，各矯直輥的輥型凹下程度更加嚴重。因此，隨著矯直輥的磨損，矯直輥的傾斜角應比原輥偏大，即角度向大調(diào)整。

2 調(diào)整策略分析

2.1 根據(jù)偏差的工藝參數(shù)調(diào)整

將矯直機調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)的時刻標定為標準狀態(tài)，以此時設備實際輥縫值、反彎量值調(diào)整編碼器的零位，達到設定值與實際值一致。

對于未配置自動控制模型的機組而言，測得工藝參數(shù)偏差同樣具有重要意義，在手動調(diào)整工藝參數(shù)時，需要將偏差補償?shù)簦唧w的計算方式如下：

式中 δt——實際反彎量，mm；

δd——設定反彎量，mm；

δf—— 反彎偏差，mm；

Gt——實際輥縫，mm；

Gd——設定輥縫，mm；

Gf——輥縫偏差，mm。

以此實際反彎量和輥縫調(diào)整工藝參數(shù)，才能保證矯直精度達到要求。

通過現(xiàn)場實踐的結(jié)果來看，測量出反彎量和輥縫的實際偏差以后，可以更到位地設置壓彎量和壓扁量值，使得原來需要經(jīng)過多次才能矯直的鋼管一次就能矯直，提高了生產(chǎn)效率。

2.2 對于矯直效果不理想的調(diào)整策略

矯直機矯直效果不理想主要包括管材直線度不佳、表面凹痕、矯方及劃傷等情況。斜輥矯直直線度主要取決于反彎曲率和接觸曲線長度。對于給定設備而言，輥距和矯直輥尺寸確定，則直線度主要取決于反彎量和中間對輥的傾斜角。首先調(diào)整中間對輥傾斜角，使矯直輥與鋼管至少有80%的面積接觸，盡量使鋼管與矯直輥輥腰之間無間隙。

矯直后鋼管圓度達不到要求的主要原因是壓扁量設定較小，或者設定的輥縫值根本沒有產(chǎn)生壓扁效果，此時應適當減小輥縫值以達到增加壓扁量的目的。如果出現(xiàn)矯直后的鋼管圓度比矯直前鋼管圓度質(zhì)量更差的情況，甚至出現(xiàn)鋼管矯方現(xiàn)象，則需要適當增大輥縫以減小壓扁量。

3 結(jié) 論

（1）鋼管矯直過程是個復雜的彈塑性變形過程，影響矯直質(zhì)量的因素較多，而工藝參數(shù)設定合理是最重要的因素。通過測量工藝設定參數(shù)偏差，補償矯直輥磨損帶來的偏差，能夠更有效地設定工藝參數(shù)值，使實際值與理論工藝參數(shù)值盡可能一致，提高矯直質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（2）矯直輥磨損是導致反彎量和輥縫產(chǎn)生偏差的重要原因，需要矯直操作員工定期測量矯直輥的磨損，以補償矯直輥磨損帶來的偏差。

（3）實現(xiàn)自動設定與控制的前提條件是電氣元件能夠可靠地工作，帶有控制模型的矯直機在設計設備和設備供貨時需要更加重視電氣元件的使用壽命問題，在矯直機使用過程中，需要定期維護各測量元件。

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