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1、预应力高刚性液压冷拔管机的设计茸驻与母=究9(7一预应力高刚性液压冷拔管机的设计型_一(台肥钢铁集团有限公司,安徽台肥230011)摘要:介绍丁预应力高刚性液压冷拔营机的结构,特征,进行丁拔管时的力学分l析通过试验厦长期的生产实践,证明丁该玲拔管机技术可靠.关键词:预应力高刚性液压冷拔管机;拔机结构;受力分析;刚度计算中图分类号:TG3338文献标识码:A文章编号:10012311(2000)030009一o6DesignofPrestressedHighrigidityHydraulicallyoperatedColddrawingPipeMilrLIUTiejuHefelI&SGr
2、oupCo.Ltd.Hefej230011.ChinaAbstract:Describedherearethestrv,ctureandfeaturesoftheprestrsd,highrigidity.draulicallyoperatedcolddrawingpipewillaswellasthemeeMniealanalysisofthemillduringpipedrawingoperationRelevantexperimentsandongtermoperationpracticeofthemillhaveshownthetechnologicallyreliabilityoft
3、hemillKeywordsPrestresd.highrigidity,hYdraullcallyoperatedcolddrawingpipemill;Sttactureofpipe一&awingmill;Analysisofloadingstatus;CalculationofrigidityO前言2O世纪8O年代以前,我国的冷拔管机多以单链或双链式冷拔管机为主,这些冷拔管机的拉拔力在781176kN范围内.液压冷拔管机只是少数,拉拔力最大也未超过980kN.80年代中期,上海某厂建设了1台拉拨力为3920kN的大型液压冷拔管机,但其结构形式仍为单体分座式,链条式或液压单体分座式
4、的冷拔管机工作时易使模座产生震动,不能保持正确的拔制线,特别易使链条或拔管机的传动链轮磨损.由于链条式冷拔管机的链条在拔制中最受周期性的冲击力,这就限制了拔制道次的变形量.因此,产品尺寸精度不高是传统冷拔管机的致命弱点,也是目前用该类设备难以生产高精度冷拔钢管的主要参加本工作还有刘宗寿,闰黎明,汪家才黄秋培俞根道,王克艺,陈章等同志.刘铁军(】931一,男,安徽当涂人,教授级高级工程师,长期从事高精度冷拔钢管及设备开发工作STEELPIPEJun20O0.V0l29.No3原因.为了用冷拔的方式直接生产出以高精度缸筒管为特色的高精度冷拔钢管,合肥钢铁集团公司设计研制了新型多座式预应力高刚性液压
5、冷拔管机,满足了生产各种直径,壁厚规格的液压,气动缸筒用管的需求.经过13余年的生产实践,该类拔管机现已基本定型,并且设计合理,技术系统可靠.本文将重点介绍预应力高刚度液压冷拔管机的设计特点及使用效果.l技术条件冷拔缸筒管的技术要求如表1所列.与之相适应的管坯为热轧无缝钢管,对管坯的要求为:壁厚偏差7%钢种为优质碳结钢及低合金高强度钢.拔管工艺采用专减壁厚等同平面塑性变形的拔制方式.模具形状见图1,材质由优质模具钢或wco硬质合金制作;模具的工作表面加工粗糙度Ra0.21.Lm.道次减壁率25%,总断面缩减率<50%.拔制速度为0.56m/min钢管2000年6月第29卷第3期表1缸筒管
6、的技术指标检测项目允许值内孔尺寸精度等级椭圃度m壁厚不均度%弯曲度/ram内壁粗糙度Raro径向跳动量,umH8H1O公差范围I/20.3O5)/1O00O80芯头攮模图l芯头和拔模的形状示意2拔管机的结构形式设计的预应力高刚性液压冷拔管机结构如图2所示.该冷拔管机由机架,主油缸,轨道床,拔管装置,喂料床,芯杆伸缩系统,液压传动系统,操作控制系统及上,下料台架等部分组成.通过辅助液压装置完成拔制全过程.现将其构造择要分述如下.2.1机架机架由3个闭13式牌坊,4根拉杆,8根撑管组成框架结构(参见图2)在机架内外联结处,未承载时先施加一定的预应力,使其预先产生微量弹性变形.这种方法不仅消除了原有
7、的接触间隙,而且极大地提高了机架的整体刚度和精度,同时使其受力更加均匀,更加稳定可靠由此克服了传统冷拔管机只有模座和尾座,互不联结,在拉拔过程中发生震动的缺点.22轨道床轨道床按成品管的最大长度确定,由双轨梁和导轨板组成,配置于模座与缸座之间.导轨板可以是v形或板形,选用耐磨材料制作.对导轨板要求平直度高,刚性好,无论空载或拉拔时,都必须有足够的导向精度.双轨梁中间的联结不影响设置托辊支架,安装方便,调整余地大.【=耳一J工lIlI_=厂l_1=图2预应力高刚性液压冷拔管机结构示意1一主油缸2一拔管装置3一轨道床4一机架5一喂料床6一芯杆伸缩系统7一下料台架8一液压传动系统9一操作控制系统IO
8、一上料台架STEELPIPEun2000.Vo1.29.No.323拔管装置拔管装置是将主油缸活塞杆的拉力施加于钢管头部的联结工具,该装置有钳口式和套口式两种.套口式装置由套口式锁紧油缸联动互呈120.分布的3个卡块组成.箱体为整体铸造,其剐性好,强度高.2.4液压系统本液压冷拔管机的液压系统属于高压,大流量,大功率的液压系统由于要求其在高压下连续工作和根据需要改变流量,并具有较高的容积效率,故本系统由轴向柱塞式泵和国内最先进的插装阀集成块系统组成.柱塞式泵压力高,密封性能好,流量调节方便.当主油缸空载快速前进时,所需油量最大,此时两只泵同时供油;拔制时一只泵卸荷,另一只泵供油选用双联泵供油比
9、定量泵溢流阀系统损失少,而且双泵比变量泵价廉.拔机的送料缸,锁紧缸及托辊支架升降缸等辅助动作用缸的负载各不相同,所需工作压力相差较大.为避免回路之间的互相干扰,系统采用单独的小流量泵供油,并在回路中各自配置了节流阀,以满足准确及时的动作要求.整个液压系统结构紧凑,占地面积小.3拔机刚度的计算3.1机架的预应力以拔管机框架结构中的1根拉杆为例(如图3所示),经过预紧力作用后的机架,每根拉杆所引起的绝对伸长量与2根撑管的压缩量fn,之和,应等于螺母预紧后的轴向位移t,即z=L0+=+瓮+铣式中每根拉杆所受预紧力(为拔管机名义拉拔力的1/4),kN;,f,f拉杆和撑管长度,m;,F,拉杆和撑管截面积
10、,mm2;E弹性模量.拉杆和撑管所受的预应力.分别为oQ=Po/n:Po/Fr,n=Po/Fm刘铁军:预应力高刚性液压冷拔管机的设计图3机架刚性计算筒图示意n.m一撑管Q拉杆3.2拔制时机架受力分析如图4所示,预紧力使3个牌坊座在水平方向各自处于平衡.当拔机受到拉拔力P的作用后,则各牌坊又受到附加力P的作用,故有下列方程缸座P+APQ=P(1)模座P一A尸皿:P/2(2)尾座+AP=P/2(31由于式(2),(3)的和等于式(1),为求解P.,P,P,需补充一个方程,现根据拉拔力P作用后,2根撑管n,m所引起的附加压缩变形量之和应等于拉杆O的附加伸长量,列出以下方程P?/(?F)+P?/(?F
11、):?L/(E?)(4)解以上方程,取Fo=F,各牌坊座所受的附加力为Po=Pf2+)/2【?+F0(f+)(5j=P(2L+F0)/2【F?+F口(+)(6)P=P(FoL一)/2F?+(+)(7)缸座横座尾座图4预应力拔管机拉拔时的受力分析设模座固定不动,缸座向右的位移是fn=P?fn/rE?F)=Pl(2FmL+)/2(E?)F+(z+z)(8)钢管2000年6月第29卷第3期12溯屿矗旁尾座向左的位移是l=AP一f/(EF)=Pf(FmLFuJ/2(E?F)【FL+凡+)jl9J拉杆的附加伸长量是=PQL/rEFQJ:eL(21+z)/2EL+F.(z+z)(10J验算结果,式(8)与
12、式(9)之和等于式(1O),即Lo=Af+Af,满足式(4)要求,可见以上分析是正确的根据式(51,(8),(9),可分别计算出拔管机在预紧状态下拔制时.拉杆中拉应力的降低和牌坊座相对位移减少的程度.实际计算表明,如果在未采取预紧的情况下,缸座位移平均约增加50%,拉杆中的拉应力也相对提高约30%.3.3轨道床强度和刚度计算根据拔管时轨道床的受力分析,将轨道梁视为简支梁纯弯曲状态,因此,无论从强度或刚度的观点来看,在拉拔中最大荷载酽处于粱中央C点(见图5),其弯曲应力关系式为or=/G:肼ym/,【or】式中,M(=WL/4qU/8)为C点横截面的弯矩,G(:1/)为梁的抗弯截面系数,即C点横
13、截面对其中心层的惯性矩(,)与该点至形心轴最远位置的距离(Yo,)之比,【or】为许用弯曲应力.设计中轨道梁采用中心层对称的工字形截面,因而横截面上最大拉应力和最大压应力相等.故其弯曲系数G只有一个.轨道梁中央的最大挠度为fm=WL/48E1+5qU/384El式中,为梁的抗弯刚度,是弹性模量,图5床身受力,载荷集虞和弯矩蚵的关系为确保整个机架的刚性可靠,设计中根据拔机最大承载能力,对拉杆强度,撑管稳定性进行了校核.3.4试验结果以额定拉拔力为1470kN的预应力试制拔机为例,通过加载棒试验,实测了拔机的有关性能参数.在测量各项数据时,液压系统均保压5min,所测结果(表2)均低于计算值,符合
14、设计要求表2预应力试制拨机机桨性能参数注:0模座至缸座距离为6600n.主缸有效行程S5COmn0预晕晤按额定压力计算值=ll5r啪.札=1025totn.sTEEl_PIPE.1un.2000.Vo1.29,No3嚣鹅鼢134拔机特点4.1结构简单由于该冷拔管机的各零部件均属简单断面,易于加工,且预应力框架结构的机架强度高,刚性好,承载力大,所以可以进行大变形量拔制.并对钢管的椭圆度,壁厚差有较强的纠偏作用,有利于获得内外径尺寸公差极小和低粗糙度表面的高精度冷拔钢管.42同心度高由于该机的主油缸活塞杆的拉力作用线,拔模,芯杆和拉管装置行走轨迹的中心线以及钢管的轴线完全一致,所以拔制过程中拉管
15、始终沿拨制线运行,钢管不产生径向跳动,其同轴度和直线度高4.3无级调速液压系统采用电磁阀集成块,并利用差动回路控制变速,因此拔制速度可在较宽的范围内平滑调整,其操作非常灵活方便.无级调速另一优点是:可根据拨管品种需要,道次变形量大小,实行低速咬人,高速拉拔的操作制度.44拔管装置新颖拔管装置采用套口式锁紧油缸及3个互呈1205布的卡块组成,在拔制时不但防止了钢管头部的夹持偏心,而且使夹持的管头不打滑,不断头,夹持长度短.相应减少了管端切头度,提高了成材率.4.5安装基础简易由于缸座,模座和尾座是用拉杆联结而成的框架整体结构,拔管时的拉力在整个机架中处于自行封闭状态.因此地基不需承受水平力,只承
16、受设备重力,这就使设备基础得到简化,施工费用降低.46全液压操作使维修更方便整个拔机的主辅动作全部由液压缸完成,平时维修中只需定期更换少量的密封圈,挡圈,齿轮,轴承之娄的传动件几乎无损.这样,维护既方便,维修费用又省.表3几种主要规格冷拔缸筒曾产品质量水平与国家,国际标准厦用户要求比较刘铁军:预应力高刚眭液压拎拔管机的设计钢管2000年6月第29卷第3期14菇鹭与鼢5使用效果预应力高刚度液压冷拔管机从试生产到工业生产已历时l3年.拔机的各项性能指标稳定可靠.运行正常,所生产的缸筒管实物质量都达到或高于有关标准规定(见表3J,取得了较好的经济效益和社会效益.目前我国已建有27台液压高精度冷拔管机
17、,分布在山东,安徽,贵州,江苏,河北,辽宁,北京,四川,天津等省市.各型号拔机的主要性能见表4.表4我国已建预应力高踊性液压冷拔管机性能由于工艺水平及相关设施的差异及某些拔机的刚度不足,所以个别企业生产的缸筒管在尺寸精度和内壁粗糙度方面与标准还有一定差距,需经珩磨后供货.6参考文献I愈茂锯,汪惠雄,材料力学M】北京:高等教育出版社,i986,178214f收稿日期:19991025)信息cj俄罗斯钢管产量大幅增长)一.一据俄罗斯经济部发布的统计资料,俄罗斯1999年的钢管产量为320万t,比1998约增长13,6%:俄钢管产量增长的原因:一是由于国际市场原油价格不断攀升,刺激了俄国内钢管消费量
18、的上升;二是由于俄罗斯减少了从国外.特别是从乌克兰进口钢管的数量.2000年俄罗斯的钢管产量可望继续保持强劲增长的势头量纪录.产量将达到4OO万L,有可能创出自1994年来的最高年产f攀钢集团成都无缝钢管有限责任公司杜犀益)一种双排辊高效冷轧管机投入工业化生产乌克兰SumyFrunze公司与AdvancedTechnologiesforTubeMakingCo.公司共同开发出双排辊XFIT一95型高效冷轧管机并投人工业化生产.该玲轧管机能生产尺寸偏差极小的钢管:直径偏差仅为(004007)mm,壁厚偏差仅为(23)%.轧辊为串联布置,双排轧辊将变形区长度增大了1,719倍每排辊均配置独立的主动齿轮,从而增大了对轧件的允许压下量(直径从96mm压缩到32ram;从76ram压缩到25mm).排辊的轴向压缩力虽使管子的强度减少了20%30%,但却使其塑性提高1.53倍.该轧管机还配备有坯料感应加热装置和双向翻转料装置,新型行星齿轮喂料及翻料机构,完善的传动系统与轧辊调整系统.可精确轧制e#2076mm的钢管,且能耗极少.(攀钢集团成都无缝钢管有限责任套司曾适)STEELPJPEJun.2000,Vol29,No.3