Φ50 mm 桶形辊穿孔机设备改造实践

王华山，张艳军，成金永

（1. 天津钢管制造有限公司，天津 300301；2. 河北金奥精工制造股份有限公司，河北 保定 071504）

锥形辊穿孔机相比桶形辊穿孔机的设备性能优势，体现在轧制速度变化与金属流动速度变化适应性、改善毛管内外表面质量、壁厚的均匀度、减少轧件打滑等方面，并得到公认。卧式桶形辊穿孔机改造成为锥形辊穿孔机，结构上不进行大的改动，改造难度相对较大［1-24］。本文详细介绍Φ50 mm 穿孔机桶形辊改造成锥形辊的过程和注意点。

1 现有穿孔机参数及改造要求

某厂Φ50 mm 穿孔机组现为前台驱动的曼式加强型卧式桶形辊穿孔机，在原有设备改动尽量小的前提下，实现按照原有卧式轧辊左右布置方式进行锥形辊穿孔机改造，达到如下要求：

（1） 锥形辊穿孔机所具有的扭转小、均匀、质量好的优点，明显减轻变形不均，抑制内折缺陷的暴露，为工厂产品提高效率、质量和后续升级做准备。

（2） Φ50 mm 机组产品跨距较大，管坯的规格从Φ50～85 mm，每5 mm 为一个组距，壁厚跨度区间从3.3 mm 到20 mm。受穿孔机前台驱动（一台电机经减速机传动两辊）的空间限制，锥形辊穿孔机辗轧角不易过大，一般以3°～7°为宜；根据测算，设计成5°的辗轧角。

（3） 在主机结构基本不动的条件下，通过改造轴承箱（也称转鼓）、联接轴、轧辊辊型成为锥形辊，实现衔接紧密，投资少，周期短的特点。

（4） 现有顶头和导板等轧制工具能够充分利用。

（5） 如出现问题，能够快速换回原桶形辊穿孔机形式，减少改造带来的风险和损失。

2 改造需要解决的问题

为了达到这些目标，需要重点解决以下几个方面的设备问题。

（1） 轧辊辊型变化，轧辊的工艺外形尺寸确定后在设备空间位置的确认。

（2） 与轴承箱相关：调整丝杠，因管坯直径没有变化，轧辊距离几乎不变，确定锥形辊与原桶形辊相比轴线倾斜5°，压下丝杠需后退一些距离，需要空间验证；确认设备空间能够满足新增加的5°辗轧角。

（3） 连接轴方面，因轧辊入口要向中心线方向偏移5°，需检查万向轴和半联轴器空间占用是否合适。

3 改造方案的验证

3.1 关于辊型相应变化

3.1.1 关于入、出口锥角确认

原桶形辊的设计中，入口锥角和出口锥角都是3.0°；辊型改变后的锥形辊，通过轴承箱安装面的变化，保证孔型中入口锥角和出口锥角仍为3.0°。

3.1.2 入、出口锥长度的确定

原桶形辊辊身长度为330 mm，轧制带10 mm，中分；改造后的辊身长度330 mm 不变，但不再中分，修改的目的是加大出口锥的长度，增加辗轧长度，由原来的入口和出口长度各160 mm，修改成入口锥长度140 mm，轧制带长度10 mm，出口锥长度为180 mm；入口锥角8°，出口锥角2°。新辊型设计方案如图1 所示。

图1 新辊型设计方案示意

经对比，入口锥角和出口锥角都是3°，辊型改变后仍为3°；轧制带位置基本上保持在原轧制中心位置，锥形辊轧制带前移13.5 mm 左右，依靠调整顶前量和导板位置完全可以使用和消化现有顶头和导板，如图2 所示。

图2 新旧辊型空间和轧制带位置对比

3.2 关于轴承座

按照原轴承座利旧设计。受入口空间制约入口端轴承座外侧弧面减薄5 mm，原R135 mm，变为R130 mm，不影响整体强度，如图3 所示。

图3 新旧轴承座基本不变

3.3 关于轴承箱

原则上保持原轴承箱结构强度，保持箱体底面厚度，安装角度的变化只相应增加相应位置的厚度，目前新设计轴承箱的空间满足最大Φ450 mm辊径的安装要求，但大径辊缘与箱底间隙仅5.4 mm 左右。

3.4 万向轴及连接半法兰变化

由于增加辗轧角，入口水平方向出现5°内收角度变化，穿孔机入口空间受到一定挤占，万向轴需要由回转直径285 mm 变更为250 mm 标准型。改变后需要验算万向轴强度降低幅度，能否满足生产要求。

原设计，万向轴为按JB/T 5513—2006《SWC型整体叉头十字轴式万向联轴器》生产的SWC285BF重载万向轴，参考机械设计手册，新万向轴为SWC250BF 重载万向轴，万向轴的理论转矩按照电机额定功率进行验算。

（1） 根据机械设计手册，SWC285BF 的公称转矩将从90 kN·m 降为SWC250BF 的63 kN·m，疲劳转矩也从45 kN·m 降为31.5 kN·m。

（2） 按疲劳强度选型。根据工作状况，万向轴的承受理论转矩T 为：

式中 Pw—— 驱动功率，kW；

n —— 额定转速，r/min。

作为万向轴选型依据的计算转矩Tc为：

式中 K —— 万向轴工况系数，此值系反映工作机械冲击程度的安全系数。按照包括小型型钢轧机的冲击载荷系数1.3～1.8选取，取1.6。

此Φ50 mm 机组电机额定功率480 kW，额定转速960 r/min，减速机速比1：8，则由公式（1）和（2）可计算出T=38.2 kN·m，Tc=61.12 kN·m。可见，理论转矩38.2 kN·m 和交变负荷61.12 kN·m 均满足改后万向轴公称转矩小于63 kN·m 的要求。

3.5 入口空间变化情况

3.5.1 最小辊径最小管坯情况

旧桶形辊（图4）最小辊径390 mm 时，空间已基本无余量，改造成为锥形辊后，万向轴回转直径由285 mm 需要变更为250 mm，生产Φ50 mm 管坯在最小辊径390 mm 时，相关位置空间仍然存在干涉（图5）。

图4 桶形辊轧制带Φ390 mm 轧制Φ50 mm 管坯入口空间情况

图5 锥形辊Φ390 mm 最小辊径轧制Φ50 mm 管坯入口空间位置

锥形辊Φ390 mm 轧制Φ50 mm 管坯的状态，单边5 mm 间隙，如果最小辊径用到400 mm 就是7～8 mm 间隙。因此最小辊径用到400 mm 后，争取不再安排Φ50 mm 以下管坯生产。目前Φ50 mm毛管长度超过4.2 m 的规格不能在Φ40 mm 机组生产，需要进一步从工艺排产方面解决。

3.5.2 最大辊径最大管坯情况

正常生产时辊缝调整一般是管坯直径的84%～91%的范围，薄壁管时取84%，厚壁管取91%。新设计的轴承箱满足轧辊直径430 mm 的轧辊，在牌坊内的安装空间，轧辊距只能保证70 mm，理论上生产厚壁时最大辊距是管坯直径的91%，达到77.4 mm。

如果满足生产Φ85 mm 管坯的空间要求，达到更经济的Φ450 mm 的初始辊径，如图6 所示，需要进一步讨论和核对现场空间，初步调整方案为减薄压下丝杠压盖厚度，将压盖原厚度20 mm 左右减薄至10 mm，如果丝杠初始位置长度不满足，可以在蜗杆箱底面加10 mm 垫片。

图6 新辊径Φ430 mm 轧制Φ85 mm 管坯空间位置

3.6 轧辊侧半法兰

轧辊侧半法兰需要从外径190 mm 减为180 mm，轴套厚度由35 mm 变为30 mm，螺栓孔分度圆Φ245 mm 改为Φ215 mm，螺栓直径M20 变为M18。减速机侧可以同时改为一致连接，也可以订购非标异型万向轴（减速机侧维持原连接尺寸不变，万向轴一端适应改造后的轧辊连接，另一端依旧满足原设计，换回原桶形辊时，可以不必更换减速机侧半法兰）。半法兰与万向轴连接如图7 所示。

图7 半法兰与万向轴连接示意

3.7 喂钢筒和喂钢槽

由于入口空间发生变化，原喂钢筒外套110 mm 长度变为80 mm 且有双向倒角，安装位置需要重新确定。Φ60 mm 管坯的喂钢筒内侧外露部分内径70 mm 不变，外径由原来的110 mm 减小到90 mm；Φ70 mm 管坯的喂钢筒内侧外露部分内径80 mm 不变，外径由原来的110 mm 减小到100 mm。

喂钢槽需要部分切割确保万向轴回装空间不干涉（图8）。

图8 喂钢筒外形修改、喂钢槽干涉部分切割示意

4 改造效果验证

（1） 改造后实现了主机不做大的改动，在现有设备基础上，仅仅订购新轧辊、轴承座、轴承箱、万向轴及半连接法兰等即可，实现投入最少，见效最快。

（2） 充分利旧，包括现有导板、顶头等工具可以直接使用。

（3） 轧制速度提高5%，相应产量得到提高。壁厚精度可提高2%～3%。