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1、张力减径机孔型设计系统第23卷第3期2002年9月太原重型机械学院学报JOURNALOFTAIYUANHEAVYMACHINERYINSTITUrEVo1.233Sep.2002文章编号:1000159X(2002)03024506张力减径机孔型设计系统孙斌煜,张芳萍,薛忠明,李国祯,杜晓钟(太原重型机械学院,太原030024)摘要:主要研究开发了钢管张力减径机减I过程的传统孔型,圆孔型,椭圆孔型的设计系统,研究了有关孔型设计过程的优化问题,成功地为钢管生产厂家提供一套张力减径机孔型自勃设计系统,有效地提高了工作效率和设计的可靠性.关键词:钢管;张力减径机;孔型设计中图分类号:TG331文献标
2、识码:A+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+一+张力减径过程是钢管空心不带芯棒的减径和减壁连续轧制成形生产过程,是钢管生产中继连轧管机组(带芯棒连轧)后的高效生产中最关键的轧管机组之一.通常,张力减径机要求有较大的减径量和减壁量,以实现用大管径荒管生产小口径钢管和多规格,多品种的目的,因而工作机架数日之多,堪称轧钢设备之最,一般多达928架.而要在张力减径机上实现钢管的多规格生产,一个很重要的问题,就是必须按产品大纲的要求事先制订出一份科学的,合理的张力减径机生产汁划编制表,轧制工艺编制表(包括变形鼍分配,张力分配,速度规范等)及孔型设计系列表,全面确定每一个规格的最佳生产方
3、案,从而才有可能组织张减生产.目前,我国无缝钢管生产厂家对于张力减径机孔型仍然停留在人工设计阶段,效率低下,可靠性差.尤其在市场经济中,不同用户对钢管的品种和规格要求不同,一个规格的钢管就需要一套孔型系统,现的设汁方法已经无法满足市场频繁变换规格,频繁增加规格的要求.急需有一套关于张力减径机孔型设计系统的出现,以满足现代生产快节奏的需要.现代张力减径机的机架结构一般采用三辊形式(图1),它具有明显的优点.轧辊受力小,每机架图1三辊张力减径机Fig.1Thetensionreducingmillwiththreerolls的变形量大;孔型各点速度差减小,管子的横向壁厚不均减小;机架结构简单,换辊
4、装卸方便,强度易保证;轧制间距小,切头损失少;轧机结构简化,改善了钢管表面质量;钢管的曳人性能好,可在较短的咬人长度上建立起足够的张力.收稿日期:20011229基金项目:国家”九五”重点攻关项目(95528020202);山西省自然科学基金项目(20001053)作者简介:孙斌煜(1954一).男.教授.主要研究方向为多机架金属连续成形理论及板带铸轧理论及技术研究.246太原重型机械学院学报2002年1减径率的分配各机架减径率的分配是有一定规则的,其分配的适当与否对钢管质量有很大影响.单机架减径量取得过大,将影响到管子轧制时的稳定性(振动,扭曲),孔型的充满性(过充满或欠充满),同时也容易产
5、生内多边形;单机架减径率过小,则所需机架数增多,合适的减径量既可保证成品管的种类与质量,又可保证孔型的利用率与轧机的效率.在某一孔型系列中,从第1架开始到最终第n架成品机架为止,各架的单机架减径率P并不是相等的,通常采取的做法是将整个机架划分为l_一个区来分配各架的减径率,如图2张减曲线所示.是:L架数图2张力减径翠分配曲线.2Thedistributioncurveoftensionreducingrate区:称为咬人区或张力形成区.该区所含的机架数根据P值的大小而定,一般为35架,各架的减径率从第1架起逐渐增大到最大减径率P,日的是使荒管易于咬入并逐步建立起张力,同时也有利于减少钢管端增厚
6、及钢管的横向壁厚不均区:称为中间区或张力轧制区.该区所含的机架数比较多,随着轧制温度的降低及轧制速度的提高,为保证轧制功率平衡,各架的减径率逐步缓慢减少,钢管在该区中得到强化轧制,钢管的减径变形绝大部分在该区完成.区:称为成品区或定径形成区.该区所含的机架数同样视P值的大小而为35架,该区各架的减径率逐步由P减小到0,目的是对钢管逐步定径,以保证成品钢管的尺寸公差及表面质量由此可知.张减机的总对数减径量由三部分组成:yy:+yfI+y,(1)其中y=张力升起机架总对数减径率;y.工作机架总对数减径率;y,张力降落机架总对数减径率.各工作机架的减径率按下式计算:y=y+三当d>d(2)y一
7、咯,(3)其中d=,/dd假想平均直径d第一个1二作机架钢管人口直径;最后一个工作机架钢管出El直径;系数,K=0.007.2机架数的确定张力升起机架数根据P的大小而定,一般为35架,P值大,则机架数就多,根据宝钢经验,对A系列选5架,对日系列选3架.成品机架数根据进入第一个成品机架前的钢管直径d和末架成品机架的热光管外径d之比值d/d.大小不同而定,如表1所示.表1成品机架数的选取Tab.1Theselectionoffinishedproductstandnumber/d<l,()3l,035一l,O6l,()6一l,l0成品机架架数2345工作机架上各架的减径率应逐步缓慢减少,并根
8、据选定的平均减径率y(一般y乍y),可求得工作机架数为:叩:(4)叩L斗,yAm3孑L型设计3.1孔型的选用原则对于厚壁钢管,产生内六方的倾向较大,但不易形成耳子,所以应采用圆孔型系生产,以减轻”内六方”的程度.对于薄壁钢管,产生内六方倾向较小,但内表面易产生耳子或压折,所以应采用椭圆孔型系生产,以提高孔型的使用寿命.一般情况:当S/D(壁厚/管径)0.125,总减径率<55%时,采用圆孔型系.当S/D0.125,总减径率>55%时,采用椭圆孔型系.第23卷第3期孙斌煜,等:张力减径机孔型设计系统247当S/D=0.085-0.12时,采用圆孔型系与椭圆孔型系相互代用的方法,以便减
9、少备用机架数和孔型加工量,代用的原则是:当总减径量<55%时,可用圆孔型系代替椭圆孔型系;当总减径率)55%时,则用椭圆孔型系代替圆孔型系.由于圆孔型系存在孔型寿命短,所以对某套机组来说是否需要采用圆孔型,应由其产品大纲来定.当S/D0.125,总减径量60%时,可不采用圆孔型,当S/D=0.055-0.13,总减径率为40%一50%时,可采用介于椭圆孔型与圆孔型之间的”中间孔型”.3.2孔型设计的基本公式各架的孔型直径:d=a+b(10)其中:o孔型的长半轴;bi孔型的短半轴;总相对减径率:100%(11P)【一总对数减径率:y=ln(12)一”R各机架相对减径率:p:100%(13u
10、/o)p一“I其中d孔型的平均直径;d.=+b.J各机架对数减径率:y:InO,i(14)孔型椭圆度:覆盖系数:=.bb一l.之问关系式:=孔型长半轴di孔型短半轴:6=宽展:c=a一b校核亲数:3.3传统孔型设计方法沿计赡穆.(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)1)由荒管直径D,壁厚S和成品管直径D,壁厚S计算总对数减径率;2)根据机架减径量的分配原则分配减径量y,使之满足y=y+y+yf,并确定机架数;3)由d出发,根据=e”算出各机架的孔型ai+I.直径d;4)根据各架的P,由=f(p)曲线求出覆盖系数(图3);图3和P的关系Fig.3Therelationofand
11、P5)在,P已知条件下,求出椭圆度系数=l,(1+P.)6)由公式(18),(19)求出孔型长半轴a和短半轴b;7)算出较核系数A,核对是否满足关系P=-厂(A)(表2所示),如不符合,要重新设计,直到满足为止.由于传统孔型设计方法椭圆度曲线呈锯齿形分布,不能满足工艺要求,因此,必须对椭圆度曲线进行调整,从而提出椭圆孔型设计法和圆孔型设计法.表2A一P关系Tab.2Therelationofiandpip%A%,9l1一l26l0一l148_92O琳也c;O0O248太原重型机械学院学报2002年3.4椭圆孔型设计方法3.4.1椭圆孔型设计的基本原则1)所有孔型的覆盖系数与减径率应符合标准的一
12、P关系曲线;2)所有设计的各架孔型的宽展值c应符c.=人,+Kzpd关系式,对于不同的K,K.值,可求得对应的长半轴o,短半轴b.以及相应的.值,将各孔型的.一关系绘成曲线,可得到不同的一关系曲线,根据:Q=(实一标)(22)可求出不同的一p关系曲线与标准一P关系曲线的差值.其中最小Q值的那根曲线所对应的K.,K值即为最优化值,也就是所要求的宽展系数.3)调整椭圆度曲线为使工作机架的椭圆度曲线呈均匀下降分布,并使波动幅度尽可能小,应根据式(23)计算孔型椭圆度曲线的总长度:,vR=()(23)从中找出R值最小的那根曲线,也就可以得到椭圆度分布最佳的设计方案.3.4.2设计步骤1)分配减径率P汁
13、算各机架孔型直d;2)设定KI=0.Ol,K2=0.01为初始值;3)用宽展公式c=K,+KPd算出各机架孔型的宽展值c.;4)确定第3机架孔型长半轴n,在b.+0.010.6d范围内变化,计算出各机架的长半轴o.,短半轴b.及椭圆度Ot.,并根据(23)式求出椭圆度曲线长度值中最小值R;5)计算椭圆度曲线长度最小值所对应的各机架覆盖系数,用(22)式求出Q值;6)使K.,K值在一定范围内变化,重复上面的3)一5)步骤;7)在一组Q值中,求出Qi值,则Qi与及对应的那组设计方案就是最佳设计方案;8)计算孔型的其它参数及孔型加工刀具参数.3.5圆孔型设计方法3.5.1圆孔型的设计思想1)在减径量
14、一定的条件下,所设计的孔型必须使得变形区压缩面积最接近矩形.2)工作机架各架孔型的椭圆度值随着减径率的减小而逐渐减小,并使相邻机架椭圆度值的波动幅度尽可能小.3.5.2设计原则1)沿孔型宽度方向钢管与轧辊接触弧长度差值AL=L一L为最小.2)使工作机架椭圆度值交替变化,波动的幅度尽可能小,并随着减径率的减小,呈下降分布态势,根据(23)式计算椭圆度曲线的总长度,并从中找出R值最小的那根曲线,则Ri所对应的孔型参数即为最佳参数.3.5.3设计步骤1)分配减径率,计算各架孔型直径;2)设b=0.5d,Z在一定范围内变化次,求出接触弧长度最大差值AL;3)b在一定范围内变化k次,计算出k个L值,从中
15、找出最小值(AL);4)各架孔型按2),3)两步进行设计,并算出椭圆度值Ot.;5)用式(23)计算椭圆度值分布曲线长度R;6)d在一定范围内变化,调整椭圆度曲线,哉出最小值R;7)用所对应的各架长半轴n,短半轴b.及其它孔型参数.4系统特点4.1系统具有易用性1)用户界面设计采用Windows风格的VisualBasic6.0语言,利用窗口,对话框,菜单等多种形式,十分便于输人,修改,设计各种参数.利用开发环境提供的丰富的依附控件及插件,输入/输出充分利用它们的良好可视特性,使系统具有非常友好的用户界面.2)用户能从帮助菜单中获得系统说明,该系统说明包括系统结构,系统功能及其操作方法.3)系
16、统可以判断数据错误及逻辑错误,并加以提示.4.2系统中算法的多样性比如,孔型设计有传统方法,椭圆孔型设计法第23卷第3期孙斌煜,等:张力减径机孔型设计系统249与圆孔型设计法,接触弧长与接触面积计算采用一般公式,按坐标积分等计算方法,轧制力和轧制力矩也分别利用相同的计算方法.这样做的目的是为了对不同结果与实测数据进行对比,分析,从而获得最优的结果.4.3系统具有灵活性本系统以包钢180连轧管设备中的24架混合张减机组作为原型,但不受此特定设备的限铷.只需将程序中的基本参数做相应修改,便可用于其它的张减机组.系统内的各个模块独立性强,因此,便于对其进行修改,调整.5实例下面以包钢b250MPM机
17、组为例,该机组采用混合传动三辊式(名义辊径,J.为360ram)张减机,图4第八机架的孔型图Fig.4Thepassgraphoftheeighthst.and将外径为西164ram,壁厚为4.1mm的荒管减径为外径为b80mm,壁厚为3.4mm的成品管时,采用传统孔型设计方法所设计的孔型,图4为第八机架的孔型图.6结论本文主要针对钢管张力减径机的孔型设计研究开发出的一个设计系统.它可以对多种孔型系统进行设计,在孔型设计的过程同时有关参数得到了优化.解决了多年困扰企业的一个问题,成功地为钢管生产厂家提供一套张力减径机孔型自动设计系统,极大地提高了工作效率和设计的可靠性.表3孔型设计结果Tab.
18、3Resultsofpassdesign平均孑L型孔型短孑L型长机架号直径(mm)半轴(mm)半轴(mm)ll61.3979.6981.72l55.476.3879.023l48.3972.8775.524141.269.3571.855l34.466.0268.386l27.9862.8865.17l21.959.9628l16.1557.o959.0H69l10.7254.4356.29l0l05.5851.9l53.67lll【x】.749.5251.18l296.0947.2648.83l391.7245.1246.6l487.5843.o944.49l583.6641.1742.49
19、l679.9539.3540.6l776.4237.6238.8l873.0735.9837.o9l969.934.4235.482066.8932.9533.942l64.1131.6332.482262.1530.8731.282361.0230.4330.572460.630.330.3参考文献:1薛忠明.张力减径机仿真系统D.太原重型机械学院,硕士学位论文,1999.2张芳萍.张力减径过程的理论分析D.太原重型机械学院,硕士学位论文,20023王宁.张减机椭圆孑L型设计J.宝钢技术.1990.(3):4551.250太原重型机械学院学报2002年4王宁.张力减径机圆孔型没汁及其应用J.
20、钢铁,1994,(4):24285王廷溥.轧钢工艺学M.北京:冶金工业出版社,1981.453-459.SystemofPassDesignforTensionReducingMillSUNBin-yu,ZHANGFang-ping,XUEZhong-ming,LIGuo-zhen,DUXiao-zhong(TaiyuanHeavyMachineryInstitute,Taiyuan030024,China)Abstract:Thedesignsystemofconventionalpass,circularpassandellipticalpassfortensionreducingproc
21、essarestudied.Theoptimalproblemofpassdesignprocessisalsostudied.Asystemofpassdesignfortensionreducingmillistriumphantlyprovidedfortheplantoftubeproduction.TheworkingefficiencyanddesignreliabilityareeMcientlyraised.Keywords:steelpipe;tensionreducingmill;passdesign孙斌煜(SUNBinyu).材料科学与工程分院教授,”钢铁冶金”学科首席学
22、科带头人,院学科建设委员会委员,省青年骨F教师.中国机械工程学会高级会员,省机械工程学会理事,省科技进步奖和基金项目评审专家,省牛产力促进中心和省国际招标公司专家.为本科生研究生主讲l5门课程.承担和主研国家级,省部级等项目2项,鉴定成果l0项,目前承担省级项目3项.获省部级科技进步奖6项,专利3项.参编钢铁生产技术着作l部,专着板带铸轧理论和技术即将出版,发表论文60余篇.主要研究方向:铸轧过程的理论及关键技术和金属连续成形理论及仿真.99曲9蛐99t蛐(上接第244页,ContinuedfromANewpage244)DesignConceptforModernRollingMillHUA
23、NGQing.xue,SHENGuang.xian,CHENZhan-fu,SHUXue-dao(1.TaiyuanHeavyMachineryInstitute,Taiyuan030024,China;2.YanshanUniversity,HebeiQinhuangdao066004,China)Abstract:Thetheoryandprincipleofheavymechanismarepresentedinthispaper.Thestudiesfocusontheeffectsofcomponentdistortionofmechanismresultedfromexternal
24、forcesonthemotionofmechanism.Byanalyzingdistributionofheavymechanismloading,anewmechanismofself-aligninguniformlydistributedloadformotivepartsofmechanismisinvented.Accordingtothetheorypresentedinthedissertation,anewdesignconceptofrollingmillhasbeengivenandusedinworkrollatchockoperatingsideof2050CVCcontinuoushotmills.Thetestresultsindicatethattheprincipleofthedeviceiscorrect.Keywords:rollingmillstructure;heavymechanism;lifeofbearing