對(duì)斜輥矯直機(jī)滑架與快開(kāi)缸結(jié)構(gòu)的研究

何 潛，汪恩輝，黃維勇，左雁冰，常 瑜，彭金龍

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司，陜西 西安 710018)

0 前言

近20年來(lái)，我國(guó)石油鉆探、機(jī)械制造等行業(yè)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了鋼管加工業(yè)的進(jìn)步;同時(shí)，對(duì)各類(lèi)鋼管生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求，不僅表現(xiàn)在產(chǎn)能方面，也表現(xiàn)在產(chǎn)品的品種、規(guī)格及質(zhì)量方面;矯直是鋼管加工生產(chǎn)的精整工序，直接影響鋼管矯直質(zhì)量的好壞。

為了滿(mǎn)足管加工業(yè)優(yōu)質(zhì)、多品種、高生產(chǎn)能力及特殊鋼管的矯直需求，各矯直設(shè)備生產(chǎn)廠家加速了矯直機(jī)新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，以求在本行業(yè)有一席之地。傳統(tǒng)的管材矯直機(jī)不論在矯直質(zhì)量、裝機(jī)水平及矯直速度等方面均難以滿(mǎn)足要求，特別是在矯直管端增厚特種管(俗稱(chēng)“大頭管”)方面更是無(wú)能為力，為此英國(guó)布朗克斯(Bronx)公司以及法國(guó)米爾(Meer)公司相繼推出了可以矯直所謂大頭管的斜輥矯直機(jī)，我國(guó)于上世紀(jì)90年代相繼引進(jìn)了布朗克斯和米爾公司的六輥矯直機(jī)，基本都使用在熱處理線上矯直大頭管;也有的裝在管加工線上。由于無(wú)縫管生產(chǎn)速度很快，甚至要求矯直節(jié)奏達(dá)到5根/min;對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來(lái)越高，為了防止碰壞管端，工藝上要求管端在即將碰到矯直輥時(shí)，矯直輥要快速打開(kāi)，等到頭部過(guò)去以后再快速壓下，這也就是俗稱(chēng)的“快開(kāi)”功能。國(guó)內(nèi)一些矯直設(shè)備生產(chǎn)廠家及其相關(guān)科研單位經(jīng)過(guò)消化吸收，研制出同類(lèi)矯直機(jī)設(shè)備，結(jié)構(gòu)形式有六輥八立柱、十輥十二立柱等。所采用的滑架結(jié)構(gòu)主要有兩種，即布朗克斯的四滑套雙絲杠雙快開(kāi)型;米爾型的兩滑套單絲杠單快開(kāi)缸型，本文對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與比較，以方便矯直設(shè)備的選型。

1 兩滑套滑架結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

1.1 兩滑套滑架基本結(jié)構(gòu)

兩滑套滑架結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件1、立柱3和壓套(圖中未畫(huà)出)用來(lái)支撐上、下橫梁，形成整體預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，滑架4通過(guò)兩個(gè)滑套套裝在兩根立柱上，并可以由絲杠驅(qū)動(dòng)沿立柱上、下精確地運(yùn)動(dòng)，矯直輥2裝在滑架上并隨滑架上、下運(yùn)動(dòng)，使矯直輥實(shí)現(xiàn)壓下調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)未在示意圖中畫(huà)出);快開(kāi)缸6使矯直輥能快速打開(kāi)，在矯直工件1時(shí)平衡缸處于充壓與保壓狀態(tài);兩套平衡缸始終給矯直輥以及滑架施加一個(gè)向上的拉力。

圖1 兩滑套式滑架壓下調(diào)節(jié)及受力示意圖Fig.1 Screw-down regulation and force distribution of sliding beam with two sliding sleeves

1.2 滑架的受力分析

由圖1可見(jiàn)，矯直輥在工作中受垂直向上的矯直力P3的作用，實(shí)際上該力是一個(gè)不確定的分布力，該分布力所產(chǎn)生的摩擦合力使滑架4有沿中心軸線M－M旋轉(zhuǎn)的傾向，并最終作用在滑架的滑套上;在矯直過(guò)程中橫向力P3·μ在瞬間總是存在的，這些力均會(huì)對(duì)滑架造成扭轉(zhuǎn)，使滑架的工作環(huán)境惡化。在矯直速度較高的情況下(矯直速度＞90 m/min)，矯直輥的震動(dòng)甚至可能會(huì)加劇立柱的橫向擺動(dòng)，不但影響矯直精度，甚至也有可能破壞滑架和降低滑套內(nèi)的襯套的使用壽命;生產(chǎn)中曾發(fā)生過(guò)在滑架與滑套的連結(jié)處產(chǎn)生裂紋，從而使滑架失效。因此，后來(lái)的設(shè)計(jì)中增加了滑架的剛度，并采用鑄件結(jié)構(gòu)。連結(jié)處的扭矩可近似表達(dá)為

式中，P3為矯直力;H為矯直輥中心線到滑架的高度差;Ry為矯直輥中心到滑套中心的水平距離。

假設(shè)斷面形狀為矩形，最大的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為

式中，α為與b/h相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)b/h=5時(shí)，α=0.29;b與h分別為端面矩形寬度與高度。

應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 滑架連結(jié)處的剪應(yīng)力分布(N－N)Fig.2 Shearing stress distribution at link point of sliding beam

另外，由于采用單快開(kāi)缸，力的作用點(diǎn)在滑架和矯直輥中心，降低了滑架系統(tǒng)的相對(duì)剛度，使其綜合力學(xué)特性變壞。

1.3 滑套長(zhǎng)度

滑套中的襯套承受較大的摩擦力，為了不發(fā)生自鎖，一般需要加長(zhǎng)滑套的長(zhǎng)度A(見(jiàn)圖2)，顯然當(dāng)工作一段時(shí)間后襯套磨損間隙會(huì)加大，自鎖角也會(huì)同時(shí)加大，因此滑套長(zhǎng)度A一般取1.8倍滑套直徑。

1.4 制造特性

先單獨(dú)分析一個(gè)組合結(jié)構(gòu)單元，兩滑套的滑架結(jié)構(gòu)屬于靜定問(wèn)題，制造簡(jiǎn)單，但是再考慮矯直輥中心與立柱之間需要保證位置公差，則屬于一次超靜定問(wèn)題;再考慮相鄰一組滑架裝置，就形成多次超靜定問(wèn)題;為解決制造精度問(wèn)題，需要在可編程萬(wàn)能鏜銑床上加工，不能在普通機(jī)床上加工。

2 四滑套滑架性能特點(diǎn)

2.1 四滑套滑架基本結(jié)構(gòu)

如圖3所示，四滑套滑架結(jié)構(gòu)大體上與兩滑套滑架相同，主要區(qū)別表現(xiàn)在四組滑套分別在四根立柱上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓下調(diào)節(jié);快開(kāi)缸一般設(shè)計(jì)為兩個(gè)，分別作用在矯直輥兩端軸承座上;平衡缸為一個(gè)，作用在矯直輥中心處;由于四滑套結(jié)構(gòu)導(dǎo)向性能良好，因此所需滑套長(zhǎng)度較小，因此縮短了立柱長(zhǎng)度，提高了立柱及整體框架的相對(duì)剛度，同時(shí)也有利于減輕設(shè)備重量;轉(zhuǎn)角系統(tǒng)不同，因與本文所述問(wèn)題無(wú)關(guān)，在此不予討論。

2.2 滑架的受力狀態(tài)

由圖3可以明顯看出，四滑套的滑架在受橫向力Tf作用時(shí)，因?yàn)橛辛硗鈨蓚€(gè)滑套的約束，滑套與滑架連結(jié)處基本不受扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用，即τmax可以近似認(rèn)為等于零;但是滑架整體受扭轉(zhuǎn)，考慮到架體上裝有剛性很大的矯直輥?zhàn)稗D(zhuǎn)角調(diào)節(jié)過(guò)渡盤(pán)，架體的扭轉(zhuǎn)變形很小;再加之快開(kāi)缸分別作用在矯直輥兩端軸承座中線上，因此矯直工件時(shí)，矯直力不會(huì)對(duì)架體產(chǎn)生彎曲作用，大大的提高了架體的綜合剛度。因有四個(gè)立柱的支撐，還大大地降低了由橫向力引起的橫向震動(dòng)，從而可以顯著提高矯直速度。

2.3 制造特性

圖3 四滑套式滑架壓下調(diào)節(jié)及受力示意圖Fig.3 Screw-down regulation and force distribution of sliding beam with four sliding sleeves

就一組結(jié)構(gòu)單元而言，四滑套結(jié)構(gòu)單元由于四個(gè)約束的存在屬于超靜定問(wèn)題，再考慮到相鄰結(jié)構(gòu)單元，就屬于更多次超靜定問(wèn)題，比兩滑套結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)更多，制造難度更大;但是在加工機(jī)床非常先進(jìn)的今天，采用可編程數(shù)控萬(wàn)能鏜銑床加工滑架，兩者之間的制造難度幾乎沒(méi)有區(qū)別。

3 兩種結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)比較

滑架組件是斜輥管材矯直機(jī)的重要組成部分，現(xiàn)將分別采用兩滑套滑架結(jié)構(gòu)和四滑套滑架的矯直機(jī)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，詳見(jiàn)表1。

表1 兩滑套機(jī)型與四滑套機(jī)型的技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表Table 1 Comparison list for qualifications of two straightening machines which adopt two sliding sleeves and four sliding sleeves respectively

4 結(jié)論

在理論研究的基礎(chǔ)上，中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司研制的六輥快開(kāi)矯直機(jī)組采用了四滑套滑架結(jié)構(gòu)，在太原鋼鐵不銹鋼鋼管公司、山東墨龍石油機(jī)械股份有限公司、山東巨能鋼管廠、江陰長(zhǎng)江鋼管廠等單位得到了使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益;生產(chǎn)實(shí)踐證明:四滑套滑架結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于兩滑套滑架結(jié)構(gòu)，尤其是在矯直厚壁“大頭管”時(shí)以及高速矯直領(lǐng)域，所以該型矯直機(jī)更應(yīng)得到廣泛的推廣與使用。

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