趙立慧

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，太原 030024)

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3500 T大直徑管棒材液壓矯直機(jī)研制

趙立慧

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，太原 030024)

液壓矯直機(jī)及其矯直工藝很大程度上決定著產(chǎn)成品的質(zhì)量、成材率與附加值，而三點(diǎn)反彎式壓力矯直法是最早采用的反向壓彎矯直工藝。3500 T大直徑管棒材立式液壓矯直機(jī)，采用壓機(jī)固定的精密型半自動(dòng)化技術(shù)方案，通過基于剛度指標(biāo)的整體式機(jī)架、高/微速精確定位的縱向移動(dòng)平臺(tái)、人性化的電液聯(lián)動(dòng)控制等系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很好的解決了工件頂升、旋轉(zhuǎn)翻料、扶持降落、縱向定位移動(dòng)、定量化壓力矯直等工藝難題，對(duì)大彎曲度變形(包括鵝頭彎)的大直徑厚壁無縫管等取得了良好的矯直效果。

液壓矯直機(jī)；U型支座；翻鋼機(jī)構(gòu)；扶料裝置

近年來，隨著國(guó)內(nèi)石油化工、海洋工程、核電、重型機(jī)械、軍工、建筑等領(lǐng)域的高速發(fā)展，帶動(dòng)了鋼鐵行業(yè)管棒材消費(fèi)量的不斷增長(zhǎng)；其中，作為經(jīng)濟(jì)性斷面鋼材，鋼管在冶金行業(yè)中占據(jù)著不可替代的位置，我國(guó)早已成為全世界無縫鋼管生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量連續(xù)十幾年位居世界第一[1-2]。

由于大型金屬管棒材在前期成型階段(加熱、軋制、鍛造、擠壓、冷拔、穿孔、焊接等)與冷卻、運(yùn)輸、存儲(chǔ)及各種加工工序中，不可避免地會(huì)承受外力作用(碰撞、摩擦、重力等)、溫度變化、內(nèi)力消長(zhǎng)等，從而使其內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，造成不同程度的彎曲或扭曲變形，嚴(yán)重影響產(chǎn)成品質(zhì)量和精度。因此，對(duì)于大直徑特種金屬管棒材(≥Φ406/280 mm)，尤其是高精度無縫鋼管的生產(chǎn)過程而言，除了冶煉軋制等環(huán)節(jié)之外，精整加工中的矯直工藝是非常重要且關(guān)鍵的一道工序，而特種金屬管棒材矯直設(shè)備及其工藝很大程度上決定著產(chǎn)成品的質(zhì)量、成材率與附加值。

1 管棒材矯直原理及其設(shè)備

矯直通常是指為了獲得平直的成品條材使其縱向纖維(截面)、或橫向纖維(截面)由曲變直所采取的工藝過程[3-4]，屬于金屬塑性加工中的一道重要后續(xù)工序。矯直與彎曲是變形機(jī)理相同但載荷作用方向相反的兩種形變過程，而三點(diǎn)反彎式壓力矯直原理符合“矯枉必須過正”的基本規(guī)律，如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)反彎式壓力矯直原理Fig.1 The straightening mechanism of three-point anti-bending

由于條材種類及彎曲形態(tài)不同，矯直工藝及其設(shè)備也不盡相同。管棒材同屬于圓材斷面，多屬于一、二維彎曲變形，其矯直機(jī)理大體相似，工程上常采用簡(jiǎn)單反彎矯直工藝或旋轉(zhuǎn)反彎矯直工藝進(jìn)行矯直。實(shí)踐證明，壓力矯直法[5-6]是合理簡(jiǎn)便的反彎矯直工藝，可依據(jù)管棒材不同的原始彎曲狀態(tài)施以反向彎曲，從而達(dá)到矯直目的，但應(yīng)注意控制厚壁管材(徑厚比≥20)的壓彎量，不宜矯直薄壁管；另外，通過對(duì)管棒材多部位、多方向的反復(fù)壓彎，可實(shí)現(xiàn)二維彎曲矯直；該矯直工藝可操作性及適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)大直徑管棒材也不增加矯直設(shè)備的技術(shù)難度，但反復(fù)壓彎的修正工序使得矯直效率相對(duì)降低。

壓力矯直機(jī)是反復(fù)彎曲矯直工藝的重要設(shè)備，按原理可分為機(jī)動(dòng)壓力矯直機(jī)、液/氣動(dòng)壓力矯直機(jī)，還有立式和臥式之分，而液壓矯直機(jī)又從普通型發(fā)展到精密型、程控型等。精密型液壓矯直機(jī)具有矯直力大，壓下量和支點(diǎn)位置便于調(diào)節(jié)，配備手動(dòng)-半自動(dòng)組合式檢測(cè)系統(tǒng)，中間過程不卸活不重卡，效率和質(zhì)量均相應(yīng)提高，投資小，性價(jià)比高等特點(diǎn)；尤其適用于批量型大直徑管棒材、表面不規(guī)則的長(zhǎng)軸類鍛件的矯直工藝。

2 管棒材液壓矯直機(jī)構(gòu)造與工作原理

為滿足市場(chǎng)產(chǎn)品與用戶需求，太原重工股份有限公司技術(shù)中心開發(fā)研制了3500 T大直徑管棒材液壓立式矯直機(jī)組，如圖2所示，用于矯直空心/實(shí)心圓形零件。矯直范圍為：厚壁無縫鋼管(壁厚30～150 mm)，外徑φ406～φ1 200 mm，長(zhǎng)度5～9 m；實(shí)心拔伸桿(棒類)，直徑φ280～φ800 mm，長(zhǎng)度8～9 m；工件：最大重量30t。矯直機(jī)為離線布置，采用壓機(jī)固定、工作臺(tái)縱向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式。

圖2 3500 T管棒材液壓立式矯直機(jī)Fig.2 3500 t vertical hydraulic straightener

矯直機(jī)組由機(jī)架、活動(dòng)梁與上壓頭、縱向移動(dòng)工作臺(tái)、U形支座、翻鋼機(jī)構(gòu)等組成，其構(gòu)造如圖3所示?？v向移動(dòng)工作臺(tái)2(1700×10750)是矯直機(jī)主要的承載平臺(tái)，其上布置有U型支座、翻鋼機(jī)構(gòu)等，并通過三合一縱向行走機(jī)構(gòu)4(移動(dòng)速度220 mm/s，微速1～15 mm/s)實(shí)現(xiàn)接/送料任務(wù)和矯直位置調(diào)整；工作臺(tái)采用上下凹-凸嵌入式的箱形結(jié)構(gòu)，其外側(cè)四角布置有四套行走車輪組，內(nèi)側(cè)四角分別設(shè)置四組工作臺(tái)頂升缸；液壓油進(jìn)入頂升缸使工作臺(tái)上半部分向上移動(dòng)，使其與機(jī)架1之間形成間隙以利于平臺(tái)整體縱向移動(dòng)；上壓頭加壓進(jìn)行矯直工作時(shí)，工作臺(tái)上半部分應(yīng)向下移動(dòng)回落至機(jī)架底座上以共同承受矯直壓力。

沿工作臺(tái)縱向上表面布置有齒輪-齒條傳動(dòng)的兩套可移動(dòng)式U型支座7(縱向移動(dòng)速度100 mm/s)，工作時(shí)可移動(dòng)對(duì)稱布置于活動(dòng)梁與上壓頭9兩側(cè)，并與其共同組成矯直機(jī)的三點(diǎn)反彎式結(jié)構(gòu)；依據(jù)被矯管棒件的彎曲形態(tài)、幾何尺寸、彎矩梯度、最大矯直力等參數(shù)，調(diào)整兩U型支座相對(duì)位置以形成適當(dāng)?shù)闹c(diǎn)距離；呈上凸?fàn)畹膹澢凸馨舨闹斡趦蒛型座之上，通過矯直機(jī)上壓頭施加適當(dāng)?shù)某C直力與壓彎量，從而使其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃我酝瓿沙C直工藝。工作中兩U型座之間的最大距離一般不宜超出機(jī)架下底座部分的寬度尺寸，以改善工作臺(tái)的受力狀況，從而簡(jiǎn)化其構(gòu)造并大大減輕自重。

1.機(jī)架，2.縱向移動(dòng)工作臺(tái)，3.右回轉(zhuǎn)升降裝置，4.縱向行走機(jī)構(gòu)，5.左回轉(zhuǎn)升降裝置，6.工件，7.U形支座，8.扶料裝置，9.活動(dòng)梁與上壓頭，10.主工作缸

翻鋼機(jī)構(gòu)由左/右回轉(zhuǎn)升降裝置5、3組成并分別布置于兩U型支座外側(cè)，前者固定于工作臺(tái)上，后者由電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)齒輪-齒條傳動(dòng)沿工作臺(tái)縱向調(diào)整移動(dòng)(移動(dòng)速度100 mm/s)；通過柱塞式升降缸可實(shí)現(xiàn)工件6頂升以脫離U形支座，由電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)呈V型布置的一對(duì)回轉(zhuǎn)支承輪使工件轉(zhuǎn)動(dòng)，以便于調(diào)整工件的彎曲形態(tài)并通過檢測(cè)最終確定矯直位置。另外，為了避免由工件不規(guī)則變形所引起的重心失穩(wěn)倒伏現(xiàn)象，設(shè)置扶料裝置8以利于固定工件，并在其下落過程中起扶持作用[7]。

3 主機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于剛度指標(biāo)的整體式機(jī)架

矯直機(jī)機(jī)架是整機(jī)的主要承載構(gòu)件，其剛度直接關(guān)系著矯直工藝設(shè)定參數(shù)的有效性。從理論分析角度，在機(jī)架外形尺寸、材料性能與重量、成本等基本條件相同的前提下，整體式機(jī)架與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)機(jī)架兩者的剛度相同[8]，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)并不能提高其剛度[9]，而整體式機(jī)架在構(gòu)造設(shè)計(jì)、制造、成本、安裝等方面更為有利。因此，在各方面綜合條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用整體式機(jī)架。

主機(jī)本體采用整體式箱型鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)架1，Q345材料，并進(jìn)行焊接應(yīng)力消除處理，具有結(jié)構(gòu)緊湊尺寸小、加工量少自重輕、制造成本低等特點(diǎn)；活動(dòng)梁與上壓頭9安裝于機(jī)架中間，通過主工作缸10提供移動(dòng)行程與矯直力。最大矯直力Fmax由被矯工件的尺寸、材料等參數(shù)按下式計(jì)算[4]：

(1)

式中：Mt—工件的彈性極限彎矩，Mt=Ztσt；

Zt—工件的彈性斷面模數(shù)；

σt—工件的屈服強(qiáng)度；

L—兩支座間距，即矯直支點(diǎn)距離；

按最大矯直力初步確定機(jī)架結(jié)構(gòu)及尺寸，并進(jìn)行基于整體剛度指標(biāo)的機(jī)架設(shè)計(jì)；采用I-DEAS軟件，對(duì)機(jī)架剛度按接觸算法進(jìn)行有限元分析，如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示：機(jī)架底座部分最大位移為0.27mm/m(絕對(duì)位移僅為+0.15～-0.93mm)；主工作油缸10法蘭處最大位移為0.20mm/m，機(jī)架側(cè)面最大計(jì)算應(yīng)力為984MPa.通過有效控制機(jī)架變形，可使其具有較高的整體結(jié)構(gòu)剛性、抗疲勞強(qiáng)度、承載能力和安全可靠性，從而保證主機(jī)的矯直精度。

圖4 機(jī)架有限元分析Fig.4 Finite element analysis of frame

3.2 縱向移動(dòng)平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)

縱向移動(dòng)平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)由“三合一”減速器成組式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)行支承裝置、安全裝置等部分組成。車輪直徑540 mm，采用1/2主動(dòng)輪-對(duì)邊布置的分別驅(qū)動(dòng)形式，軌距×軸距為1040×10040，軌道端頭設(shè)置行程限位安全保護(hù)裝置；采用編碼器位置檢測(cè)裝置以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工作臺(tái)、U型支座、左右回轉(zhuǎn)升降裝置等相互間位置控制；采用變頻調(diào)速方案滿足啟動(dòng)力矩大、滿負(fù)荷平穩(wěn)啟動(dòng)、高低速兼?zhèn)洹⑽⑺龠\(yùn)動(dòng)精確定位等技術(shù)要求，具有驅(qū)動(dòng)方案先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、布置與安裝方便、自重輕等特點(diǎn)。

行走機(jī)構(gòu)總阻力包括摩擦阻力、坡度阻力、慣性阻力等，可按下式計(jì)算[10]：

Pr=PG[(ωβ+α)g+a]

(2)

式中：Pr—行走機(jī)構(gòu)總阻力，N；

PG—包括工件與運(yùn)動(dòng)臺(tái)的總質(zhì)量，kg；

ω—摩擦阻力系數(shù)ω=0.010；

β—附加阻力系數(shù)(兩側(cè)長(zhǎng)導(dǎo)軌)β=3.2；

α—按平臺(tái)水平度計(jì)算的載荷系數(shù)；

a—行走機(jī)構(gòu)啟動(dòng)加速度，m2/s；

g—重力加速度g=9.8 m2/s；

電動(dòng)機(jī)滿載運(yùn)行功率按下式計(jì)算：

(3)

式中：PJC—按機(jī)構(gòu)負(fù)載持續(xù)率JC值確定的電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；

Kd—功率增大系數(shù)Kd=1.1；

v—機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，m/s；

n—驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)；

η—機(jī)構(gòu)傳動(dòng)總效率η=0.85～0.95；

電動(dòng)機(jī)功率初選后還應(yīng)進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)、過載校驗(yàn)和啟動(dòng)能力校驗(yàn)，運(yùn)行系統(tǒng)還應(yīng)通過打滑驗(yàn)算。

3.3 人性化的電液聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括主液壓系統(tǒng)(工作油缸加壓/回程)，翻鋼機(jī)構(gòu)工件升降與縱向移動(dòng)工作臺(tái)升降等輔助液壓系統(tǒng)。

油泵直接傳動(dòng)的主液壓系統(tǒng)由定量泵(兩臺(tái))、變量泵、控制泵、控制閥組(泵頭閥塊和主閥塊)等組成，通過插裝閥集成控制回路、壓力傳感器、比例壓力閥等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)程無級(jí)可調(diào)(數(shù)控、數(shù)顯)，從而保證主液壓系統(tǒng)快速平穩(wěn)、安全可靠的工作。為油泵供油的主油箱設(shè)有空氣濾清器、電加熱器、液位控制繼電器、電接點(diǎn)溫度計(jì)等，以執(zhí)行油溫、油位的自動(dòng)連鎖控制。設(shè)置有自成體系的冷卻過濾系統(tǒng)以保證油的清潔度和油溫正常。

輔助液壓裝置由泵、控制閥組、油箱等部分組成，通過系統(tǒng)中的壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作數(shù)控化；閥組集成塊上設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)，便于故障判斷和維修。在各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)極限行程位置處(如翻鋼機(jī)構(gòu)上極限、縱向移動(dòng)工作臺(tái)開出極限與上極限等)設(shè)置壓機(jī)動(dòng)作連鎖保護(hù)。

自動(dòng)化電液聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC與PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(1主站與2從站)，交互式人機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)(壓力、液位、油溫、電磁閥開閉等參數(shù))、主機(jī)及工作機(jī)構(gòu)狀態(tài)(位置、速度、載荷等參數(shù))及其連鎖保護(hù)狀態(tài)等；操作員通過操縱臺(tái)可方便的進(jìn)行主機(jī)工作壓力、壓下量、各機(jī)構(gòu)工作位置、工作速度等工藝參數(shù)的設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)主機(jī)、各工作機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)控制。人性化的電液聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)大大提高了工作效率(操作由5人減少為3人)，且工作速度快、矯直質(zhì)量穩(wěn)定，深得用戶滿意和好評(píng)。

4 結(jié) 論

3500T大直徑管棒材立式液壓矯直機(jī)，通過采用技術(shù)適度先進(jìn)、成本低精度高的精密型半自動(dòng)化方案，很好的解決了三點(diǎn)反彎式壓力矯直中工件頂升、旋轉(zhuǎn)翻料、扶持降落、縱向定位移動(dòng)、矯直力與壓下量可控可調(diào)、手動(dòng)-半自動(dòng)組合式檢測(cè)等工藝難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了操縱臺(tái)各機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)操作，對(duì)大彎曲度變形(包括鵝頭彎)的大直徑厚壁無縫管、實(shí)心拔伸桿類圓形零件取得了良好的矯直效果，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大壓力大直徑液壓矯直機(jī)的空白，是高精度與低成本、高效益與先進(jìn)性綜合平衡的一次有益探索，為國(guó)內(nèi)大型壓力矯直機(jī)的開發(fā)研制積累經(jīng)驗(yàn)。

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Research and Development on 3500 t Vertical Hydraulic Straightener With Large Diameter

ZHAO Li-hui

(Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd，Taiyuan 030024，China)

Hydraulic Straightener and straightening technology depend a great extent on the quality，rate and added-value of finished material，three-point anti-bending is the earliest method of gag press straightening technology.The object of 3500 t vertical hydraulic straightener is to strengthen rods and bars with large diameter，the technical solution of fixed press uses semi automation with precision type，the adopted technical scheme includes integral body frame based on stiffness，high/micro speed longitudinal shift platform with precise positioning，and humanized electro-hydraulic actuating controller，etc.This scheme could solve the problem of workpiece jacking，rotary tipping，clamp-on lowering，longitudinal positing and quantitative gag straightening，so straightening effect has been obtained.

hydraulic straightener，U-type support，turning steel mechanism，clamping mechanism

2015-09-24

山西省科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013101012)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011011026-11)

趙立慧(1963-)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殄憠涸O(shè)備設(shè)計(jì)。

1673-2057(2015)06-0451-05

TG375.43

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.008