收稿日期:2010-04-01;修订日期:2010-04-11作者简介:阎雪峰(1963-),男,中国重型机械研究院有限公
司高级工程师。
我国冷轧管机的现状及发展趋势
阎雪峰1
,闫菲菲2
,周红兵3
,杨 刚
1
(1 中国重型机械研究院有限公司,陕西 西安 710032;2 长安大学汽车学院车辆工程系,陕西 西安 7100;3 丹阳市精密合金厂有限公司,江苏 丹阳 212352)
摘 要:重点介绍了我国冷轧管机采用的最新技术:采用双扇形块平衡机构、新型闭式机架、伺服电机回转送进实现连续上料、连续送进、连续轧制;同时介绍了新一代冷轧管机的性能参数和结构特点及其应用情况,并进一步探讨了我国冷轧管机设备和工艺的发展趋势。由中国重型机械研究院有限公司开发的高速冷轧管机技术水平已达到国际先进水平。
关键词:冷轧管机;结构特点;性能参数;发展趋势中图分类号:TG 333 8 文献标识码:A 文章编号:
1001-196X (2010)03-0001-07
Current situation and develop m ent trend of the cold rolling pipe m ill in China
YAN Xue -feng 1
,YAN Fe-i fei 2
,Z HOU H ong -b i n g 3
,YANG Gang
1
(1 Ch i na N ati ona lH eavy M achi nery Institute Co .,L td .,X i an 710032,Chi na ;
2 V ehic l e Eng i neering D epa rt m en t ,A utomob ile Co lleg e ,Chang A n U n i ve rs i ty ,X i an 7100,Ch i na ;
3 D anyang P rec ise A lloy P lant Co .,L td .,D anyang 212352,Ch i na)
Ab strac t :Th is paper i ntroduces t he l a test techno l ogy adopted in the co l d ro lli ng p i pe m ill i n Ch i na ,w hich use double -sec t o r balance syste m,ne w-type c l o sed frame and ro tary feed i ng dev ice dr i ven by servo m o t o r t o achieve
conti nuous l oading ,
conti nuous feedi ng and con ti nuous ro lli ng .T his pape r desc ri bes the per f o r m ance pa rame -
ters and structural cha racter istics and appli cation o f the new generati on o f co l d ro lli ng p i pe m il,l and invest-i gates the develop m ent trend o f the co l d ro lli ng p i pe m ill equ i p m en t and techno l ogy do m esti ca ll y.T he h i gh -speed co l d ro lli ng p i pe m ill developed by Chi na H eavy M ach i nery Institute has reached the i n ternati onal ad -vanced l eve.l K ey words :
co ld ro lli ng pi pe m il;l structural character istics ;perfor m ance pa rame ters ;trend o f devep m ent
1 前言
冷轧管材以其优越的特性广泛地应用在国民经济各个领域。经过冷轧的管材组织晶粒细密,机械性能和物理性能均较优越;冷轧管机
对于原始管坯壁厚偏差的纠偏能力较大,几何尺寸精确,表面光洁度高;道次变形量较大,可达70%~90%;采用冷轧法生产管材可大量减少中间工序,如:热处理、酸洗、打头、矫直等,减少了金属材料、燃料、电能和其它辅助材料及人力的消耗;用冷轧方法可生产薄壁、极薄壁和内、外表面无划痕的优质管材;可有效地轧制高合金、塑性差的各种钢管和有色金属管材。
我国冷轧管机的研究起步于60年代,1960年中国重型机械研究院有限公司(简称中重院,原西安重型机械研究所)设计的国内第一台LD30三辊冷轧管机顺利投产。经过50多年的发展,我国已形成了LG 型(两辊)和LD 型(多辊)两大系列的冷轧管机产品,广泛应用于我国金属管材加工行业。两大系列冷轧管机的主参数见表1。
表1 冷轧管机的主参数表
轧机型号、规格
成品管直径范围/mm
LG -3015~30LG -6025~60LG -9050~90LG -12080~120LG -180110~180LG -250179~250LG -450240~450LD -153~15LD -3013~30LD -6028~60LD -9055~90LD -
180110~180LD -250
170~250
2 我国冷轧管机采用的新技术
2 1 冷轧管机的主要组成
冷轧管机形式不同,组成也有差别,主要有以下组成部分:主电机及其传动机构,转向箱,传动轴,轧机机架,回转送进机构,送进卡盘与床身,芯棒卡紧装置,入口卡盘和出口卡盘,上料装置,出料装置。
2 2 我国冷轧管机的布置形式
按照回转送进方式,冷轧管机有以下4种布置形式:
(1)采用机械式回转送进机构停机上料型冷轧管机;
(2)采用机械式回转送进机构连续上料型冷轧管机;
(3)采用伺服电机回转送进机构停机上料型冷轧管机;
(4)采用伺服电机回转送进机构连续上料型冷轧管机。
前两种布置形式机架的传动机构与回转送进机构由同一台电机驱动;后两种布置形式机架的传动机构由主电机驱动,而回转送进机构由单独的电机驱动。
由中重院研制的新型高速冷轧管机采用伺服电机回转送进机构连续上料,使用效果良好,布置形式如图1所示。
图1 采用伺服电机回转送进机构连续上料型冷轧管机组成
1 上料装置
2 喂料辊装置
3 离线芯棒润滑装置
4 在线芯棒润滑装置
5 芯棒装置
6 1#芯棒卡盘
7 夹送辊装置
8 管式导卫
9 芯棒杆自动定心装置 10 管坯头尾检测装置 11 装料床身 12 变频调速夹送辊 13 2#芯棒卡盘 14 1#送料床身 15 1#送料小车 16 回转送进装置 17 2#送料小车 18 2#送料床身 19 管缝探测装置 20 入口卡盘 21 主机座 22 轧机机架 23 侧向换辊装置 24 芯棒断裂检测装置 25 出口卡盘 26 曲轴传动装置 27 成品管快 速拉出装置 28 出料台架 29 芯棒润滑站
新型高速冷轧管机有以下特点:第一,采用交流伺服电机多点驱动和两个芯棒卡盘、管坯卡
盘交替作业实现连续上料、连续送进、连续轧制;第二,采用双扇形块平衡系统平衡机架高速
轧制所产生的惯性力;第三,采用闭式机架和侧向换辊技术,提高轧机刚度和作业率;第四,回转送进方式的选择、送进量和回转角的设定通过电子凸轮曲线和在HM I 上直接完成,送进精度高且无级可调、回转角准确且0~90 无级可调;第五,采用管坯头尾检测、管缝检测和芯棒断裂检测实现管坯从上料到出料的全自动化作业。这种轧机效率是普通轧机的2 5~3倍,成品管精度高、头尾公差一致性好,成材率高,适合精密管和超长管的轧制。2 3 轧机平衡系统
普通冷轧管机的传动方式如图2所示,通过
偏心齿轮驱动机架往复运动。
图2 普通冷轧管机传动机构
为了克服轧机机架在往复运动中产生的巨大惯性力和惯性力矩,提高机架的速度,必须采用惯性力和惯性力矩的平衡装置。
我国冷轧管机的平衡系统有以下几种:垂直滑动重锤平衡机构、水平滑块平衡机构、双扇形块平衡机构和垂直摆锤平衡机构。2 3 1 垂直滑动重锤平衡机构(图3)
重锤平衡机构包括一个水平方向和一个垂直方向的曲柄滑块机构。
机架的转矩靠相错90 相位角的重锤来平衡。机架减速时释放出的能量,由重锤储存起来,在机架加速时再次利用;机架和重锤的惯性力靠曲轴上的扇型块的作用来平衡。转矩平衡,使峰值大大减小,且出现曲轴端的全部力矩总和没有负值,即使电动机的输出力矩不反向,其波动的最大值不超过额定值的 10%;惯性力平衡使剩余的旋转惯性力只有机架惯性力最大值的 10%左右。
中重院开发的LG -180-H L 、LG -220-HL 轧机采用垂直滑动重锤平衡机构,德国米尔公司的KP W 或SKW 系列的早期VM 型和近代VMR 高速轧机也采用此平衡机构。
垂直滑动平衡的平衡效果明显,不仅使机架
的惯性力得到了平衡,而且使惯性也得到了平衡,因此使机架的运动速度得到了大幅度提高。但是垂直平衡必须有较深的地坑,增加投资且给正常的维修增加了难度,因此应用范围受到很大的。
图3 垂直滑动重锤平衡机构
S -扇形块 C -重锤
2 3 2 水平滑块平衡机构(图4)
平衡块放置于与轧制中心线平行的水平面
上。带动机架的曲轴与带动平衡块的曲轴的相位相错105 。水平平衡不需要较深的基础,基建费用较低,维护与检修比较方便,无重力矩的影响。但是占地面积较大,曲轴的拐数增多,不便于加工制造。
60年代我国设计的LG-150、LG-200冷轧管机和德国米尔公司早期的高速轧机采用水平滑块平衡方式。因水平平衡遇到的问题更多些,占地面积较大且给正常的生产带来很大的不便,几乎没有得到推广应用。
图4 水平滑块平衡机构
1 机架
2 机架连杆
3 曲轴
4 平衡连杆
5 平衡滑块
2 3 3 双扇形块平衡机构(图5)
为了平衡机架3高速运动所产生的一阶惯性力,在曲轴上(与曲柄成180 )装上适当配重的扇形块2。为了平衡扇形块2的惯性力,在与曲轴等速旋转的平衡轴上加适当的平衡轴扇形块1,使机架的运动速度成倍提高。双扇形块平衡具有制造和安装使用相对较简单,不需要很深的
地坑,占地面积也没有明显的扩大等优点。
中重院开发的LG -10-GH LL 、LG -15-GHLL 、LG -30-GH LL 和LG -60-GHLL 四种高速冷轧管机和德国米尔公司的第六代高速冷轧管机KP W 25LC 、KP W 50LC 和KP W 75LC 轧机采用双扇形块平衡机构。虽然此平衡机构不能平衡二阶惯性力,但因中、小型规格的冷轧管机二阶惯性力影响较小,
可以忽略。
图5 双扇形块平衡机构
1 平衡轴扇形块
2 曲轴扇形块
3 机架
2 3 4 垂直摆锤平衡机构(图6)
垂直摆锤平衡机构是将平衡连杆L C 所连接的重锤C 通过连杆L O 1连接起来,在机架往复运动时,重锤C 作圆周方向上的摆动。此时,由平衡重产生的惯性力和惯性力矩可以平衡轧机机架产生的惯性力和惯性力矩,从而达到提高轧机机架往复摆动速度的目的。
中重院开发的LD -120型多辊轧机和德国米尔公司上世纪70年代生产的KP W 25VMR 型高
速轧机采用垂直摆锤平衡方式。
图6 垂直摆锤平衡机构
2 4 轧机机架
在机架中装有轧辊轴、轧辊环、轴承座、同步齿轮和压下调整装置,机架是承受轧制力的主要部件。
最早的轧机机架是铸钢闭式机架,左、右
两片牌坊连为一体,强度和刚性好,但在更换
产品规格及维修装拆轧辊部件时,必须将整体机架从机座中取出放置于特设的维修区进行拆装,费工、费时,劳动强度较大。
目前我国仍在使用的二辊半圆孔型冷轧管机如LG -30、LG -55、LG -80、LG -120、LG-150等,采用铸钢闭式机架的基本结构。进入80年代,吸收国外同类轧机技术,中重院和洛阳矿山机械研究院同时开发了开式机架。中重院经光弹试验进一步验证开式机架的合理性与可靠性。
图7是开式机架结构示意图。开式机架的上横梁由活动横梁3代替并用连接螺栓5固定。左、右两片牌坊分开加工后用四根预应力连接螺栓4连接并固紧定位,机架下面采用整体的黄铜
或尼龙滑板,实践证明效果良好。
图7 开式机架
1 机架
2 斜楔
3 活动横梁
4 机架连接螺栓
5 横梁连接螺栓
6 轧辊轴向调整压盖
7 上轴承座
8 下轴承座
9 辊环 10 同步齿轮 11 侧滑板 12 下滑板
开放式机架取消了旧式轧机上的两对联动齿轮,保留了必不可少的同步齿轮10。经过上述几项重大改进之后,使轧机机架的重量大为减轻,更换轧辊更加方便,不必将机架整体由机座中取出,只须把活动横梁3拆下即可从机架中将轧辊总成取出,再将备用轧辊总成装入机架,节时省力。
上轧辊总成的轴向调节是通过装在上轴承座7上的调整压盖6和与机架连接的螺栓来实现。轧辊辊缝由装在上轴承座7上方的斜楔和相应的螺栓调整。
将半圆形孔型改用环形孔型增加变形区长度,为改变金属的变形条件和提高变形量及产品的质量、产量创造了有利的条件。实践证明,凡是采用环形孔型、长行程的轧机,其产品的产量
和质量均得到了明显提高。
图8为一种新式闭式机架,左右两片牌坊6、7用四个预应力连接螺栓4连接起来,采用整体压下装置1,通过调整螺栓8实现上轴承座一起压下。轧辊的轴向调整通过耳板上的螺栓3调整。换辊时采用特殊换辊工具或换辊小车,松开压下装置1后,翻转下轧辊齿条或将下轧辊齿条整体抬起后,将上下轧辊一起从侧面抽出,换辊时间不到20m in 。中重院研发的LG -10-GHLL 、LG -50-GHLL 、LG-30-GH LL 、LG -60-GH LL 高速冷轧管机采用这种机架,刚度高,换辊容易,重量轻,
调整方便。
图8 一种新型的闭式机架
1 整体压下装置
2 上轧辊
3 轧辊轴向调整螺栓
4 左右牌坊连接螺栓
5 下滑板
6 左牌坊
7 右牌坊
8 连接左右牌坊的预应力螺栓
9 辊环 10 同步齿轮 11 下轧辊
2 5 轧机的回转送进机构
回转送进机构是冷轧管机的重要部件,与轧机机架的往复运动完全同步协调运行,必须在机架的一个往复行程中规定的前极限和后极限位置的很短的时间内快速完成管坯的送进与回转动作。一方面,为了使孔型的工作段有足够的长度用于金属的变形,尽量缩短回转送进段的长度。另一方面,回转送进机构要求在较长的时间内运行以降低冲击负荷,减少噪音,提高性能,延长使用寿命。为了适应轧机高速、高精度、连续化、全自动化的发展,回转送进机构历经多次改进。以下是我国轧机所采用的回转送进机构形式。
2 5 1 普通轧机回转送进机构
(1)马尔泰盘机构。该机构冲击和噪音大,不适合高速轧制,为了获得不同的送进量和转角,必须配置不同速比的齿轮以达到改变送进量
的目的。
(2)减速箱型回转送进机构。该机构在轧制速度较高时冲击也大,送进量和转角误差很大。
(3)液压回转送进机构。该机构回转部件结构简单,零件较少,转动惯量较小,冲击小,噪音小。但液压元件易损坏,漏油较严重,送进量和转角不够准确,对产品的产量和质量均有不良影响。
(4)直流电机回转送进机构。该机构在运转过程中噪音大为减少,运转速度亦有所提高。但是直流电机的响应速度慢,送进量和转角的精度不够理想。
以上回转送进机构比较落后,但我国还在大量使用,不适合冷轧管机发展的需要,应该逐步淘汰。
2 5 2 三种先进的回转送进机构
(1)游动丝杠回转送进系统。该机构是根据德国SM S-M eer 公司KP W 型冷轧管机的回转送进机构设计而成。1982~1985年间,由中重院设计、制造了该机构并进行试验,效果良好。随
即设计了LG-30-GH 型环形孔型长行程的高速冷轧管机。洛阳矿山机械工程设计研究院于1985年后设计并制造完成第一台环形孔型长行程高速冷轧管机LG -55- 型以及后来设计制造的LG -90-GH 、LG -90-GHL 和LG -60-GH 型轧机均采用游动丝杠回转送进机构。
游动丝杠回转送进机构如图9所示。由摆杆调节机构,游动丝杠传动装置,芯棒卡盘,芯棒微调机构,送进、快退传动机构,转角及输出机构,送进量显示机构,快退电机传动机构,润滑系统,上、中、下箱体组成。
该机构采用电机-凸轮-摆杆-游动丝杠-游动蜗杆传动。轧管时,当管坯在孔型块的开口区,同孔型脱离接触的一瞬间,回转送进装置将其向前送进一个距离,即送进量;同时随芯棒一起转过一个角度,即回转角。回转送进是在曲轴传动的一个有限的转角范围内进行的。
60年代初S M S -M eer 公司就开始研究这种回转送进机构,先后经历四代改进,出现过四种形式。第一种是凸轮-可变挂轮-游动丝杠形式。在60~70年代初,M eer 公司采用的这种形式的回转送进箱仅有几档有限的送进量,而且要靠调
整齿轮速比、更换齿轮或换挡实现。第二种是凸轮-齿链式无级变速器-游动丝杠形式,这种形式的回转送进系统,有把齿链式无级变速器放在回转送进箱内的,有放在外边的,这种形式的回转送进箱使送进量范围扩大,但受齿链式无级变速器变速器传递功率的,不能运用到大型轧管机上。第三种是凸轮-齿链式无级变速器+分挡齿轮变速箱-游动丝杠形式。齿链式无级变数器和分挡齿轮变速箱放在回转送进箱外,既加大了送进量的调整范围,也延长了齿链式无级变速器的使用寿命。在70年代初到80年代末,M eer 公司采用第二、第三种形式回转送进箱。第四种是凸轮-调速电机(直流电机或交流变频电机)-游动丝杠形式,90年代以来一直被M eer 公司
采用。
图9 游动丝杠回转送进机构
1 传动轴(输入)
2 凸轮传动齿轮副
3 回转凸轮
4 速比为1的锥齿轮副
5 速比为1的直齿轮副
6 游动蜗杆
7 送进蜗轮
8 摆杆调节机构
9 摆杆支点 10 转角蜗轮 11 摆杆 12 管坯 13 游动蜗杆压紧弹簧 14 芯棒杆 15 齿轮组 16 游动丝杠支座 17 送进电磁离合器
18、27、28 丝杠传动齿轮副 19 芯棒卡盘转角齿轮组 20 芯棒卡盘 21 管坯卡盘 22 游动丝杠 23 转角输出轴 24 送进电机 25 离合制动器 26 快退离合器29 快退齿轮副
2003年以来,中重院对M eer 游动丝杠回转送进机构进行了改进,并成功地应用到LG -90-H L 、LG -110-H L 、LG -120-H L 、LG -150-H L 、LG -180-H L 、LG-220-H L 型大规格冷轧管机上,改进后游动丝杆回转送进机构如图10所示。
对大型轧机的游动丝杠回转送进机构做以下改进: 将送进电机21的快退、快进功能用专
门的一台快退电机17代替,解决大型轧机低速
小送进和高速退回的矛盾。 采用两个送进离合器23并联安装在同一个轴上,增大了管坯送进力。 为了使转角系统平稳可靠,降低了回转凸轮4的升程,将转角齿轮组3的速比由1改进为升速1 5~2倍。 改进送进凸轮曲线,在双送进、轧机返程轧制时,管坯卡盘产生反方向的少量退让,防止芯棒杆拱起和消除后座力,使轧制过程平稳。
图10 改进型游动丝杆回转送进机构
1 输入传动轴
2 过渡齿轮箱
3 传动齿轮组
4 回转凸轮
5 游动蜗杆
6 蜗轮
7 转角轴(接出入口卡盘)
8 管坯卡盘
9 丝杆 10 转角齿轮组 11 芯棒卡紧油缸 12 芯棒卡盘 13 芯棒卡盘调整齿轮副 14 送进凸轮 15 快退离合器
16 皮带传动装置 17 快退电机 18 支点调整蜗轮副 19 摆杆支点调整电机 20 丝杆传动齿轮组 21 送进调速电机
22 送进传动齿轮组 23 送进离合器齿轮 24 锥齿轮副(速比1) 25 直齿轮副(速比1) 26 摆杆机构
回转送进机构通过连续运动来实现间歇地送进、回转动作,由于在整个送进、回转动作中,全部参与回转送进动作的机械零部件都在连续动作,力的传递和运动的传递始终处于连续状态。由于送进、回转均由两个运动复合叠加而成,因此动作柔和、平缓、没有冲击,送进量可以无级调整,适应不同速度的要求,送进量、回转角度准确,尤其适合于高速条件下工作。其缺点是结构复杂且零件多,制造精度要求高,且价格昂贵。
(2)弧面凸轮分度机构。弧面凸轮分度机构属于高速精密间歇机构,又叫径向蜗形凸轮或滚子齿形凸轮分度机构,如图11所示。该机构由输入轴上的弧面凸轮与输出轴上的分度盘的滚子无间隙垂直啮合,实现分度盘间歇的输出。凸轮曲线升程段输出轴转位,传动精度高,工作性能好;直线段时输出轴静止且定位自锁性好。该机构相当于将原来的马尔太盘式回转送进机构中马尔太盘用弧面凸轮分度机构所代替,具有转角、
送进量准确,冲击小,
适合于高速轧制的优点。图11 弧面凸轮分度机构
1 分度盘
2 弧面凸轮
在70年代法国的DM S (门巴尔)公司I LP (I LPR )型冷轧管机的回转送进系统中成功的应用这种机构。中重院近几年设计的LD30、LD8、LD15轧机上也成功应用了这种结构。这种机构不足之处是送进量调整必须靠配置齿轮变速系统实现。
(3)交流伺服电机回转送进。长久以来,回转送进机构复杂性制约了冷轧管机性能进一步提高。随着交流伺服控制和机电一体化技术的快速发展,并逐步从数控机床、印刷等领域扩展应用到冷轧管机上,彻底改变了传统冷轧管机回转送进机构。
交流伺服电机回转送进机构采用多台交流伺服电机传动,多点驱动各机械单元(如丝杠、光杠、出入口卡盘、芯棒卡盘),每台伺服
电机之间通过伺服控制系统达到同步跟踪、协调动作,完成管坯的间歇送进和回转运动。采用交流伺服电机回转送进,取消了原来连接主传动与回转送进装置之间的长传动轴,代之以电子轴,用电子凸轮代替机械凸轮,用电子齿轮耦合代替了机械齿轮啮合,简化了轧机结构,使轧管机成为数控型金属无铁屑加工机床。
图12是连续上料型冷轧管机的伺服电机回转送进系统,用8台交流伺服电机多点驱动,各电机按照选定电子凸轮曲线跟随测量轴(主轴)编码器9运动,达到轧机完成回转送进
动作。
图12 连续上料型冷轧管机的伺服电机回转送进系统
1 1#芯棒卡盘回转伺服电机
2 2#
芯棒卡盘回转伺服电机3 1#管坯卡盘送进伺服电机 4 1#管坯卡盘回转伺服电机5 2#管坯卡盘回转伺服电机 6 2#管坯卡盘送进伺服电机
7 入口卡盘回转伺服电机 8 出口卡盘回转伺服电机 9 主编码器
2006年中重院在国内率先研发伺服回转送进型冷轧管机,并于2007年底国内第一台采用伺服电机控制的回转送进机构的LG-30-HLLS 型冷轧管机投产使用,到目前,中重院已设计制造了88台用伺服电机控制的回转送进机构的冷轧管机。
(未完待续)
日本采用热轧法生产差动齿轮
日本爱知制钢公司采用热轧法生产锻造件差动齿轮。差动齿轮是用于汽车差动装置的部件,该公司运用差动齿轮轧制技术,生产有竞争力的锻造件。目前月产量约100万件。
高收得率措施。生产方法由圆钢棒切断成产品大小,加热切断料,然后预锻造成形,留出所需的最小限度的孔,用轧制成形,扩内外径,最后精加工成形,加工成产品形状。与冲压法相比,产生的毛边量少,可以提高锻造件的收得率。各工序之间采用机器人运送,防止产品的擦伤缺陷,加工余量少。
环保方面的措施。在差动齿轮生产中,作为减排CO 2的措施,实施了利用热锻造件本身的余热进行热处理调质,提高了能源效率。而且,循环使用锻造所用的模具润滑液,也降低了废液处理量。通过采用这些技术,实现减排CO 2约30%。
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