任雁梅 趙泊淞

(二重集團重型裝備股份有限公司設(shè)計研究院，四川 618000)

周期軋管機主要用于生產(chǎn)大口徑厚壁高合金鋼管、不銹鋼管、熱軋無縫鋼管、結(jié)構(gòu)用無縫鋼管等特種管材。喂料裝置是周期軋管機的關(guān)鍵設(shè)備，它的工作狀態(tài)對周期軋管機的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的影響。

1 周期軋管機喂料裝置的工作原理及基本要求

1.1 周期軋管機軋制過程工作原理

皮爾格軋管機軋輥孔型縱截面圖見圖1。周期軋管機軋制過程示意圖見圖2。

圖1 皮爾格軋管機軋輥孔型縱截面圖Figure 1 Longitudinal section of roll hole shape of piliger mill

圖2 周期軋管機軋制過程示意圖Figure 2 Schematic sketch of rotary forging mill operation

當軋輥旋轉(zhuǎn)到軋槽的空軋帶時，由于孔型空軋部分的尺寸比毛管外徑大，喂料器將帶有芯棒的毛管送進軋輥孔型中去，送進距離約等于一個喂入量。送進過程結(jié)束后軋輥剛好轉(zhuǎn)到軋槽孔型尺寸較小的鍛軋帶，此時毛管被咬入。隨著鍛軋帶的孔型半徑的減小，毛管的壁厚逐漸被碾軋薄，與此同時，毛管和芯棒將隨著軋輥的轉(zhuǎn)動而朝著與送進方向相反的方向后退，直到軋輥又轉(zhuǎn)到空軋帶與毛管脫離接觸為止。第一個工作循環(huán)結(jié)束后，喂料器除了將上一個工作循環(huán)中得到延伸的那部分鋼管送回外，還要把一段未經(jīng)加工過的毛管送進，同時將毛管翻轉(zhuǎn)90°，然后重復上述的工作循環(huán)。

1.2 喂料器工作性能的基本要求

(1)喂料器的運動應嚴格符合軋輥運動，即應是同步的和同向的。

(2)毛管應在軋輥形成開口時完全喂進并回轉(zhuǎn)一定角度。

(3)制動裝置應能快而平穩(wěn)地控制喂料器的運動質(zhì)量，把它停在前端位置上。

2 喂料器運動規(guī)律的初步分析

喂料器壓縮腔和制動腔示意圖見圖3。

2.1 喂料器工作循環(huán)分解

圖3 喂料器壓縮腔和制動腔示意圖Figure 3 Schematic sketch of feeder compress chamber and brake chamber

喂料器的工作循環(huán)可分解為下列各運動相位:

(1)在軋制時活塞與毛管一起向右方移動(以下稱退行運動)，移動速度即等于在軋制直徑上的軋輥圓周速度。

(2)軋制終了時，喂料器各移動部件向右方做減速運動，直到完全停止為止。其行程為退行制動行程。

(3)在壓縮腔內(nèi)空氣壓力P1的作用下，喂料器各移動部件向左方做加速運動(以下稱前行)。

(4)當活塞進入制動腔的瞬間，在壓縮腔內(nèi)空氣壓力P1和制動腔內(nèi)液壓油壓力P2的合力之間的壓力差的作用下，喂料器各移動部件向左向做減速運動，直至活塞桿行程終點。

(5)活塞桿向左方運動同時作旋轉(zhuǎn)運動。

上述4 個運動階段在不同時期各有其不同特點，通常軋制過程分為3 個階段。周期頭軋制:毛管端頭形成外形與軋輥鍛軋帶孔型曲線相對應的一段軋制過程。過渡段:周期頭雖已形成，但轉(zhuǎn)變?yōu)檎＼堉朴幸贿^渡段。正常軋制:活塞行程達到軋輥孔型有效全行程的運動，對一定的孔型直徑來說它為恒量。

2.2 空氣壓縮腔的壓力曲線

理論上，空氣壓縮腔的壓力曲線如圖4 所示。曲線1 為退行運動壓力曲線。在整個軋制段(圖4 中a-b)空氣壓縮腔保持著較低氣壓，但在制動段(圖4 中b-d)壓力就升高。曲線2 為前行運動壓力曲線，圖4 中d-c 段有較高氣壓，這時活塞快速起動并加速前進。在圖4c-e 段氣壓下降，在圖4e-f 段氣壓更低，以利于制動。從圖4 可以看出，前行運動氣壓曲線與退行運動氣壓曲線有著某種差異，在選擇壓力曲線時應考慮軋管質(zhì)量、運動快速性及設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素。

圖4 空氣壓縮腔的壓力曲線Figure 4 Pressure curve of air compressing chamber

2.3 制動力的計算

制動裝置的要求:

(1)制動行程負加速度a 不大于允許值;

(2)制動行程末活塞桿末速度接近于零;

(3)制動力應便于調(diào)節(jié)。

制動力的計算，即是制動腔內(nèi)制動液壓力的計算。下面研究以液壓油作為制動液，如圖5 所示，制動腔為圓筒形，周圍有若干排油孔以調(diào)節(jié)制動力。

圖5 制動腔內(nèi)液壓調(diào)節(jié)孔Figure 5 Hydraulic press regulating hole inside brake chamber

制動力的產(chǎn)生是由于活塞以一定速度進入制動腔，腔中制動油受擠壓，分別從排油孔及活塞環(huán)縫中溜出，腔中油壓升高，阻礙活塞運動。

從流體力學可知，排油孔出油流速是:

式中，g 為重力加速度;PT為制動腔中油壓;φ 為孔口流速系數(shù)。

式中，ξ1為突縮阻力系數(shù);λ 為阻力系數(shù);l 為孔口長度;d 為孔口直徑;ε 為孔口收縮系數(shù)。

λ 的計算有多種經(jīng)驗公式，它是雷諾數(shù)Re及管內(nèi)壁相對粗糙度△/R 的函數(shù)(可參考流體力學)。

排油口流量:

式中，σ 為排油孔斷面積。

在排油口排出油流充滿全部周界時，ε=1，流速系數(shù)φ 與流量系數(shù)μ 相等，公式(3)可寫成

公式(4)中略去制動腔中一定高度制動液所產(chǎn)生的靜壓影響。

環(huán)縫中排出油流，可近似地看作流經(jīng)二平行平面。當環(huán)縫甚小時，其流量略去不計，則制動液壓力經(jīng)過公式推導可得:

2.4 周期頭軋制運動

周期頭軋制(簡稱打頭)是順利完成軋制過程的主要環(huán)節(jié)。打頭開始，滑臺快速前移，使管端與軋輥孔型接觸?；_連續(xù)前移過程中，毛管連同活塞后退，當管端沿軋輥孔型滑行至孔型開口度稍大于毛管外徑時，在腔內(nèi)氣壓的推動下，活塞帶動毛管不受阻于軋輥而前行，直到毛管端部與軋輥鍛軋點相遇，端部產(chǎn)生一定變形，然后在軋輥作用下做退行運動。重復此種過程，周期頭就逐漸形成。

從圖6 中可知，打頭開始，毛管后退行程應為式(6):

圖6 周期頭形成圖Figure 6 Primary rotary milling formation

式中，L 為軋輥中心距;D 為毛管外徑;R 為軋輥半徑;α 為鍛軋點與軋輥中心線間夾角。

軋制后，毛管端頭變形后的行程為式(7):

式中，D'為軋制中毛管端頭與軋輥接觸處的毛管外徑，SB為軋制后毛管端頭延伸長度。

打頭過程中周期頭逐漸形成，式中D'最后等于荒管外徑d。SB周期頭水平投影長度;當SB等于鍛軋起點至末軋終點時軋輥孔型在毛管柱體上展開長度水平投影長度時，軋制轉(zhuǎn)入正常軋制。

3 周期軋管機喂料裝置的結(jié)構(gòu)組成及特點

喂料裝置安裝在周期軋管機前，將上一道工序運送來的毛管輸送到周期軋管機并保證軋管機的喂料需要，同時，在軋制后將芯棒退出。它由滑臺底座、滑臺、喂料器、行駛液壓缸、托鏈裝置、升降臺、絲桿傳動裝置及支撐裝置等組成。

滑臺底座安裝在基礎(chǔ)上，用以支撐滑臺和絲桿傳動裝置中的蝸輪減速機?；_的用途是支撐喂料器，并沿軋制中心進行喂料以及軋制前后使芯棒進入毛管和退出荒管。

喂料器安裝在滑臺上，且隨滑臺一起運動，主要用途是保證軋管時每一個道次之前將所軋毛管翻轉(zhuǎn)90°，以達到軋制工藝的要求。主要由芯棒卡頭鎖緊裝置、喂料器回轉(zhuǎn)腔、喂料器制動腔、喂料器壓縮腔、油壓調(diào)整閥及轉(zhuǎn)角補償機構(gòu)等裝置組成。

芯棒卡頭鎖緊裝置位于喂料器活塞桿的頭部，并用插銷鎖定。芯棒更換時通過液壓缸推動導板來打開芯棒鎖緊裝置;芯棒頭部插入芯棒鎖緊裝置中，液壓缸回退，芯棒鎖緊裝置通過彈簧彈力上鎖。

喂料器回轉(zhuǎn)腔位于喂料器的前端，通過螺栓與喂料器制動腔體連接，支撐活塞桿并在活塞桿做回轉(zhuǎn)和往復運動中起導向作用。主要由回轉(zhuǎn)腔體、上、下軸瓦、軸套、襯套、調(diào)整環(huán)、芯棒卡頭鎖緊液壓缸、連桿、支架等組成。

喂料器制動腔位于喂料器回轉(zhuǎn)腔和喂料器壓縮腔之間，當活塞桿停止在最前位置時，保證移動的質(zhì)量能迅速而平滑地制動至零速。主要由制動腔體、活塞桿、活塞套、襯套、擋環(huán)、定距環(huán)、制動套、調(diào)節(jié)套、帶制動盤的液壓馬達、萬向接軸、連桿、連接板、單向閥等組成。

在被前推的質(zhì)量因液壓制動而在極短的距離內(nèi)被停止，其制動力能使所推進質(zhì)量的運動速度與軋輥轉(zhuǎn)速同步，可以通過帶制動盤的液壓馬達傳動萬向接軸、連桿、連接板調(diào)整制動套與調(diào)節(jié)套之間的泄油孔大小來實現(xiàn)。在制動階段單向閥被關(guān)閉，泄漏油液由制動套泄漏孔流入制動油腔，以達到制動目的，當活塞桿回退時，為了吸油，單向閥打開。

喂料器壓縮腔位于喂料器制動腔之后，是推進活塞桿和軋制重量的動力腔。在壓縮腔體內(nèi)裝有回轉(zhuǎn)螺桿、回轉(zhuǎn)螺母、襯套、擋環(huán)、法蘭軸承座、花鍵軸等。壓縮腔體由鋼板卷焊而成，空氣由回轉(zhuǎn)螺桿上的小孔進入回轉(zhuǎn)螺桿空心管推動套在回轉(zhuǎn)螺桿上的活塞桿前進。在活塞桿的大端尾部裝有與回轉(zhuǎn)螺桿相配的回轉(zhuǎn)螺母，使活塞桿沿回轉(zhuǎn)螺桿作旋轉(zhuǎn)運動，保證在軋制過程中毛管翻轉(zhuǎn)90°。當活塞桿返回時，靠裝在活塞桿的回轉(zhuǎn)螺母導向，回轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)，使活塞桿回退，從而完成一個軋制道次。

轉(zhuǎn)角補償機構(gòu)位于喂料器的后部，隨著軋制孔型的變化，以及制動距離的長短，活塞桿的行程也隨之而變，為保證軋制時毛管翻轉(zhuǎn)90°，當活塞桿行程未達到要求時，通過液壓傳動系統(tǒng)進行無級調(diào)速，對活塞桿的轉(zhuǎn)角進行補償，從而保證軋制鋼管的理想轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角補償機構(gòu)主要由帶齒輪箱的液壓馬達、超越離合器、萬向接軸等組成。液壓馬達安裝在滑臺上，通過萬向接軸與回轉(zhuǎn)螺桿尾部的花鍵軸相連，當行駛液壓缸推動喂料器前進時，回轉(zhuǎn)螺母帶動活塞桿沿回轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)，而液壓馬達在工作過程中始終以等速轉(zhuǎn)動，通過回轉(zhuǎn)螺桿又給回轉(zhuǎn)螺母以補充的轉(zhuǎn)動，這兩種轉(zhuǎn)動相疊加形成總的轉(zhuǎn)角。

行駛液壓缸的用途是驅(qū)動滑臺和喂料器沿軋制中心前進和后退，數(shù)量為兩個，安裝在滑臺底座的兩側(cè)，液壓缸柱塞的一端通過固定座架與滑臺尾部的止擋連接，當液壓缸沖壓時，柱塞帶動喂料器和滑臺移動，而液壓缸缸體不動。

升降臺為兩臺，分別是毛管升降臺和芯棒升降臺。升降臺主要由帶位移傳感器的升降液壓缸、焊接結(jié)構(gòu)件的臺架、長軸、銅滑板、擺桿、擺動液壓缸等組成。

絲桿傳動裝置主要作用是在軋制過程中使其喂料器滑臺在正常軋制時保證均勻的喂入量。主要由交流電機、萬向接軸、蝸輪減速機、絲桿、聯(lián)軸器、連接桿、T 形頭等組成。蝸輪減速機安裝在滑臺底座的尾部，絲桿安裝在蝸輪減速機中，位于滑臺正下方，由電機帶動蝸輪減速機并使絲桿螺母旋轉(zhuǎn)使絲桿作直線運動。絲桿移動的速度通過蝸桿軸一端的主令控制器調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，保證其在軋制中與滑臺前進同步。

4 結(jié)束語

喂料裝置采用了可調(diào)節(jié)的油壓制動裝置，保證迅速而平穩(wěn)的制動;采用了可調(diào)節(jié)空間大小的空氣推進裝置，使軋輥與喂料器實現(xiàn)同步;采用了轉(zhuǎn)角補償機構(gòu)，保證毛管能準確翻轉(zhuǎn)90°;采用了絲桿傳動裝置，在正常軋制時保證均勻的喂入量。

周期軋管機采用現(xiàn)代化的喂料裝置既提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］雙遠華.現(xiàn)代無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù).化學工業(yè)出版社，2008.

［2］雙遠華，梁愛生.鋼管生產(chǎn)技術(shù)問答.化學工業(yè)出版社，2008.