Φ159mm热轧无缝钢管厂穿孔机顶杆脱出装置的设计

尹俊杰，焦栓栓，崔海清

（包钢钢联股份有限责任公司 无缝钢管厂，内蒙古 包头 014010）

目前，国际最先进的Φ159 mm热轧无缝钢管生产线已投入生产，其年设计生产能力为40万t，主要产品规格为直径Φ 38～168 mm、壁厚2.9～25 mm、长度6～12 m的各类无缝钢管，主要用于石油石化、电站锅炉、管线敷设、船舶制造用管等。该生产线的轧制节奏为1支/24 s，穿孔机在轧制完成后，需要脱出顶杆进行循环冷却。针对工艺的要求，设计一种工作稳定的顶杆脱出夹送辊装置，以期达到平稳、快速脱出顶杆的目标。

1 顶杆脱出夹送链装置及存在问题

1.1 顶杆脱出夹送装置主要构成及作用

顶杆脱出夹送装置，主要是由电动机通过减速机和传动轴，带动夹送链抽出顶杆。下夹送链由液压缸作用到水平位置，上夹送辊由液压缸推动做闭合、分离动作，从而在启动工作制度下完成顶杆的抽出。

顶杆脱出夹送装置，是CTP顶杆循环冷却系统的一部分，主要用来在CTP轧制完成后，从毛管中抽出顶杆。

1.2 顶杆脱出夹送装置存在问题

在日常生产中，顶杆脱出夹送装置的主要问题，是链条装置断裂频繁。

链条装置断裂，主要是因为两方面的原因：

（1）设计选型的问题。链条装置传动的准确性较差，稳定性不好，对运行工况的要求高。

（2）所使用链条装置的品质问题。包括链轮的轴承研死、轴孔磨损等。

2 顶杆脱出装置设计方案

2.1 设计的基本要求

本次设计基本要求是：

（1）顶杆脱出夹送装置的基本结构及参数不变。

（2）全部的安装可以利用检修日完成，不占用生产时间。

2.2 设计的基本思路

本次设计的基本思路是：顶杆脱出装置的上下夹送链装置，改换成整体夹送辊的形式，对夹送辊增加辊槽，其中上夹送辊做成偏心辊槽。

改为夹送辊的形式，使得结构比较紧凑，运行较稳定。夹送辊的脱出形式，是一种在冶金行业很成熟的输送方式。

本次设计的一个亮点，就是最大可能地利用了原有设备。

3 夹送辊的力能参数计算

通过分析，本次设计需要解决两个主要问题：

（1）夹送辊所需的空间。

（2）原有电动机是否可以满足设计后的需要。

3.1 夹送辊所需空间的问题

查阅已有图纸可知，顶杆共有 Φ102 mm、Φ130 mm、Φ140 mm。

原夹送链工作时最大半径为

原夹送链工作时最小半径为

设计后的夹送辊，取消了夹送链、张紧装置、滑板，再拆除张紧装置的台座或把台座切割一部分，即可满足设计后所需的空间。

3.2 夹送辊的受力分析

在顶杆达到规定速度平稳抽出时，上下两个夹送辊都驱动，作用在上夹送辊上的力如图1所示。

图1 夹送辊受力分析图

在工作过程中，辊子压紧顶杆，顶杆受拉力T的作用。顶杆对上下辊的水平方向摩擦力可按下式计算

式中，

P为作用于上辊上的压紧力，，N；

G1为上辊的总质量，N；

μ为辊子与顶杆之间的静摩擦系数。

顶杆对上下辊的垂直作用力均为P+G1，实际上，这一垂直作用力的方向并不严格和两辊中心的连线重合；下辊轴承座对下辊的垂直支撑力为P+G1+G2，其中G2为下辊的总质量。

3.3 夹送辊的驱动力矩

顶杆脱出夹送装置的工作制度，是启动工作制。

启动工作制夹送辊，是在加速情况下运送顶杆，除了静力矩M1外，还要考虑夹送辊和顶杆所产生的动力矩M2，夹送辊在启动时所需的力矩M为

（1）夹送辊的静力矩M1。上下夹送辊轴径处的摩擦阻力矩分别为

式中，

f为轴径处的摩擦系数

d为轴径的回转直径，对于滚动轴承就是滚珠处的直径。

水平摩擦力T1、T2所产生的力矩

此外，由于顶杆的垂直作用力偏离辊子中心所产生的力矩（又称为滚动摩擦力矩）

式中，μk为滚动摩擦因数（钢对钢时，约为0.05）。

所以，传动一对夹送辊所需的静力矩为

其中，

μ取为0.15；

f轴径处得摩擦系数取为0.001 0；

μk取为 0.05。

P=Pm×A×ηm=49 235.2 N；

辊子直径为405 mm；

G1=G2=1 498.8 kg。

（2）夹送辊的动力矩M2。动力矩M2的初步计算，可根据夹送辊和顶杆在加速时的动力矩来计算，即

其中，

Q为该夹送辊上作用的顶杆的重力，N；

N、D为夹送辊的直径，m；

ε为夹送辊的角加速度，如果以顶杆的加速度a来表示，则

M2如用加速度a来表示，则

式中，加速度a受到一定限制。

如果加速度太大，当顶杆惯性力T0大于夹送辊与顶杆间的滑动摩擦力F时，顶杆在启动时会打滑。因此，最大加速度amax应由下式确定

或

则

代入上面的已知值，得到

amax≤7.3 m/s2（在图纸上查的原夹送链的加速度为4.8 m/s2，远小于许允的加速度。）

而

Q=0.75(P+G1+mg)=47 050.5 N

同时可算出

则，动力矩M2为

所以，由M=M1+M2可得启动力矩:

3.4 电动机的功率

原电机的额定转矩为

电机的启动力矩与额定转矩之比在1.2～2.0之间，所以原电机的启动力矩为630.3～1 050.5 N·m。

在电机启动的时候，为保证顶杆能在辊子上移动，所用电机的启动力矩Mp应该满足

其中，

η为传动系统效率,

i为传动比（由图纸查的）。

原电机的启动力矩远远小于许允启动力矩（Mp=630.3 N·m～1 050.5 N·m＜9.63 kN·m），所以原电动机仍符合使用要求。

4 结束语

利用原有的传动系统和控制系统情况下，将夹送链改为夹送辊形式的顶杆脱出装置，满足了实际生产的需要，而且运行稳定、噪音小。在实际实施后，减少了备件的消耗，节约了小停时间，取得良好的经济效益。

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