機架鎖緊方式對三輥連軋管機軋制精度的影響分析

陳碧楠，金 強，覃 宣，穆 東

（1.重慶賽迪冶煉裝備系統集成工程技術研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122）

機架鎖緊方式對三輥連軋管機軋制精度的影響分析

陳碧楠1，金 強1，覃 宣1，穆 東2

（1.重慶賽迪冶煉裝備系統集成工程技術研究中心有限公司，重慶 401122；2.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122）

介紹了側向換輥式三輥連軋管機中兩種常用的機架鎖緊方式（上下鎖緊和斜向鎖緊），分析了兩種鎖緊方式對軋輥定位精度的影響及對軋輥軸向力的承受能力等。分析認為：上下鎖緊方式對于三輥連軋管機軋輥定位精度的提高具有積極效果；斜向鎖緊方式雖然降低了軋輥的定位精度，但是能承受更大的軋輥軸向力，軋制機架定位更加穩定，是一種更為可靠的機架鎖緊方式。

三輥連軋管機；側向換輥；機架鎖緊；上下鎖緊；斜向鎖緊；軋制精度

連軋管機以其優質、高產、高效率、低消耗等特點，成為世界無縫鋼管主要生產企業的首選機型之一［1-10］。軋制機架是連軋管機設備中的重要組成部分，在三輥連軋管機中，軋制機架安裝有軋輥裝配、輥縫調整機構等組件［11］。軋制機架安裝在主機座中，可以更換；當需要換輥時，首先需將軋制機架從主機座中抽出；因此，需要在主機座上設置軋制機架鎖緊裝置。

由于軋制孔型的形成主要由軋輥的位置來確定，而軋輥安裝在軋制機架中，因此軋制機架的鎖緊定位是否準確，影響著軋制孔型的精確性（機架的對中性），進而影響鋼管的軋制精度。機架鎖緊是高精度連軋管機生產中，保證軋制精度的一個重要環節。

1 機架鎖緊方式

在側向換輥的連軋管機當中，有兩種常用的機架鎖緊方式：上下鎖緊和斜向鎖緊［12］。兩種機架鎖緊方式的鎖緊機構如圖1～2所示。

圖1 軋制機架上下鎖緊機構示意

圖2 軋制機架斜向鎖緊機構示意

在上下鎖緊方式中，軋制機架的一側設置有上下共4個斜面和4個豎直定位面，當軋制機架推入到主機座內，豎直定位面定位到位后，上下布置的4個鎖緊液壓缸分別將軋制機架的4個鎖緊斜面壓緊，鎖緊機構的斜面保證軋制機架能夠壓緊在牌坊內的定位面上，完成對軋制機架的鎖緊工作。

在斜向鎖緊方式中，軋制機架的一側布置有和上下鎖緊方式一樣的4個豎直定位面，但是斜面只有2個，布置在軋制機架另外一側的上面部分，下面則沒有鎖緊斜面；當軋制機架推入牌坊定位后，只需斜向鎖緊上面的兩個斜面即可完成軋制機架的鎖緊工作。

2 兩種鎖緊方式性能分析

鋼管在軋制過程中，軋輥會受到各種載荷的作用，大部分載荷會通過軋輥軸承座傳遞到主機座上，而由于來料壁厚和溫度不均導致的軋輥軸向載荷會傳遞到軋制機架上，影響著軋制機架鎖緊的穩定性；因此，軋制機架的鎖緊精度和鎖緊穩定性是衡量機架鎖緊機構性能優劣的兩個重要指標。

2.1 對定位精度的影響分析

鎖緊液壓缸出力的不同，會帶來不同的鎖緊效果以及機架的不同受力和變形。在實際確定鎖緊液壓缸出力時，希望在保證鎖緊效果的前提下，鎖緊力越小越好；因為鎖緊力越小，機架的受力和變形則越小，鎖緊力對最終軋制精度的影響也越小。

2.1.1 上下鎖緊方式

上下鎖緊方式中，軋制機架的應力分布如圖3所示，其最大應力達到86.3 MPa，集中在上下鎖緊斜面和豎直定位面之間，其余大部分區域應力值非常??；上下鎖緊方式軋制機架的位移分布如圖4所示，其最大位移達0.162 mm，同應力較大區域的分布規律相似，最大位移集中在上下鎖緊斜面和豎直定位面之間，其余大部分區域位移非常小。

圖3 上下鎖緊方式的軋制機架應力分布

通過對上下鎖緊方式軋制機架的有限元分析，可以認為這種鎖緊方式對軋制機架的影響區域很小，軋制機架的大部分區域沒有因為鎖緊力的影響而承受額外的應力和發生對軋制機架定位精度不利的變形。

上下鎖緊方式中，軋制機架安裝輥縫調整擺臂的3個定位銷軸孔的位移變化曲線如圖5所示。其中，左銷軸孔由于位于軋制機架的中心線上，上下鎖緊力對稱擠壓，因此變形沿軋制機架中心線對稱變化，沿圓周展開即表現為類似三角函數的變化規律。從左銷軸孔位移變化曲線可以看出：左銷軸孔的最大位移不到0.004 6 mm，非常小，基本可以認為沒有發現變形。

圖4 上下鎖緊方式的軋制機架位移分布

對于圖5中的上銷軸孔和下銷軸孔位移變化曲線，由于這兩個銷軸孔遠離鎖緊力施加的區域，因此受到的變形影響也很小，上銷軸孔最大位移不到0.018 mm，下銷軸孔最大位移不到0.013 mm。上、下銷軸孔的位移均大于左銷軸孔，主要是由于上、下銷軸孔遠離鎖緊力影響區，在變形傳遞過程中應變的累積效應，使得上、下銷軸孔的位移值變大，但其實際應變值很小。

2.1.2 斜向鎖緊方式

斜向鎖緊方式中，軋制機架的應力分布如圖6所示，其最大應力達到92.7 MPa，位于某些局部應力集中區域，其余大部分區域應力值低于50 MPa。相對于上下鎖緊方式，斜向鎖緊軋制機架的應力較大區域分布較廣，鎖緊力對機架的影響較大。

斜向鎖緊方式中，軋制機架的位移分布如圖7所示，其最大位移達到0.255 mm，軋制機架的大部分區域發生了變形，有2/3以上的區域位移大于0.1 mm。相對于上下鎖緊方式，斜向鎖緊方式的軋制機架整體變形位移較大，對于軋制機架上輥縫調整機構定位精度的保證較為不利。

斜向鎖緊方式中，軋制機架安裝輥縫調整擺臂的3個定位銷軸孔的位移變化曲線如圖8所示。其中的左銷軸孔位移變化曲線，最大位移達到0.127 mm，相對于上下鎖緊方式中左銷軸孔的最大位移0.004 6 mm，增加了0.122 4 mm，增幅較大。

圖5 上下鎖緊方式的軋制機架銷軸孔位移變化曲線

對于圖8中的上銷軸孔和下銷軸孔位移變化曲線，上銷軸孔最大位移為0.240 mm，下銷軸孔最大位移為0.019 mm，相對于上下鎖緊方式中的上、下銷軸孔位移，分別增加了0.222 mm和0.006 mm，其中上銷軸孔位移增幅較大，下銷軸孔位移基本相同。

圖6 斜向鎖緊方式的軋制機架應力分布

圖7 斜向鎖緊方式的軋制機架位移分布

兩種鎖緊方式中，軋制機架各銷軸孔位移對比見表1?？梢钥闯?，上下鎖緊方式在3個銷軸孔處的定位精度均比斜向鎖緊方式高，其中在左銷軸孔處的差別最為明顯，達到27.6倍。由此可見，上下鎖緊方式在定位精度方面具有較為明顯的優勢，有利于提高軋管機的軋制精度。

2.2 鎖緊機構的穩定性分析

在正常軋制過程中，軋輥會承受軋制時的軸向力，由于軋輥軸向力的方向沿著軋輥中心線，因此會傳遞到軋制機架相應的銷軸處，最后由軋制機架傳遞到主機座上［13］。機架和主機座之間僅依靠機架鎖緊力保證正常結合，在三輥連軋管機中，軋輥軸向力可能有6個方向施加在軋制機架上，不可避免會有向上或者向右的分力，導致軋制機架脫離定位；因此，軋輥軸向力的存在，會干擾機架和主機座之間結合的緊密度，從而降低軋制機架的定位精度，最終影響鋼管的軋制質量。

不考慮支反力情況下軋制機架的受力狀況如圖9所示。上下鎖緊方式中，軋制機架主要承受上、下鎖緊力以及機架重力；斜向鎖緊方式中，軋制機架主要承受斜向鎖緊力以及機架重力。

圖8 斜向鎖緊方式的軋制機架銷軸孔位移變化曲線

表1 兩種鎖緊方式軋制機架銷軸孔位移對比 mm

圖9 不考慮支反力情況下軋制機架的受力狀況

圖9（a）所示的上下鎖緊方式中，上、下鎖緊液壓缸將軋制機架緊緊壓靠在主機座側面的定位面上，但是在豎直方向，上、下鎖緊液壓缸的鎖緊力相互抵消，無法將軋制機架壓緊在主機座的水平定位面上，當有豎直向上的軋輥軸向力分力，且克服了軋制機架重力時，軋制機架將向上發生偏斜，會大大降低軋制機架的定位精度，嚴重時甚至無法進行正常的軋制；因此上下鎖緊方式的軋制機架鎖緊穩定性較低，容易受外力的影響發生偏斜，從而降低軋制精度。

圖9（b）所示的斜向鎖緊方式中，鎖緊力既有向左的分量，又有向下的分量，可以保證軋制機架很好地貼合在主機座的側面和底面定位面上，即使軋輥軸向力有向上或者向左的分力，軋制機架也不會輕易脫離定位面；因此斜向鎖緊方式的軋制機架鎖緊穩定性較高，可以保證軋制機架的定位精度。

3 結 論

（1）由于上下鎖緊方式鎖緊力傳遞到軋制機架約束支撐處的路線較短，因此上下鎖緊方式具有更好的定位精度，能夠最大程度降低機架鎖緊力對軋輥定位精度的影響，利于提高鋼管的軋制精度。

（2）從軋制機架鎖緊的穩定性方面來分析，上下鎖緊方式中，鎖緊力在豎直方向的分量相抵消，導致上下鎖緊方式沒有有效將軋制機架壓靠在主機座的水平定位面上，在豎直方向的鎖緊穩定性較差；而在斜向鎖緊方式中，鎖緊力既有水平方向的分量，也有豎直方向的分量，因此能夠有效克服豎直和水平兩個方向的軋輥軸向力干擾，在兩個方向均有較高的鎖緊穩定性。

（3）雖然上下鎖緊方式具有較短的應力應變傳遞路線和較高的軋輥定位精度，但是其豎直方向的機架鎖緊穩定性較差，不確定性增多，一旦機架發生偏斜，機架定位精度將大幅度降低；而在斜向鎖緊方式中，雖然機架鎖緊力會帶來機架變形的增大，但是其變形都在可以接受的范圍內，且鎖緊穩定性高，不確定性較少，是一種值得推薦的軋制機架鎖緊方式。

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［13］哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2007.

Analysis of Influence of Stand Locking Method on Rolling Accuracy of Three-roll Mandrel Pipe Mill

CHEN Binan1，JIN Qiang1，QIN Xuan1，MU Dong2
（1.Chongqing CISDI Metallurgical Equipment System Integration Engineering Research Center Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China；2.MCC CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Studied are two commonly used stand locking methods for the lateral roll-changing 3-roll mandrel pipe mill，namely the vertical locking method and the oblique locking method.Analyzed are the influences of these two locking methods on the roll positioning accuracy and their capability of bearing the axial roll forces.Based on the analysis，it is concluded that the vertical locking method has positive influence on the roll positioning accuracy of the 3-roll mandrel pipe mill；and although the oblique locking method decreases the roll positioning accuracy，it can endure bigger axial roll forces and stabilize the positioning of rolling stand，which makes it a more reliable mechanism of stand locking.

3-roll mandrel pipe mill；lateral roll changing；stand locking；vertical locking；oblique locking；rolling accuracy

TG333.8

B

1001-2311（2014）03-0070-05

陳碧楠（1965-），女，教授級高級工程師，主任工程師，從事鋼管生產設備的設計工作。

2013-08-26；修定日期：2014-04-28）