杜友良（天津騰飛鋼管有限公司，天津300301）

六斜輥矯直機的矯直輥輥形及其安裝角的設(shè)計

杜友良（天津騰飛鋼管有限公司，天津300301）

[摘要]為保證矯直質(zhì)量,鋼管矯直輥曲線在設(shè)計時應(yīng)滿足全接觸條件。通過在矯直輥上任一點截取垂直平面，將復(fù)雜的空間解析幾何變?yōu)楹唵蔚钠矫鎺缀螁栴}，根據(jù)圓與橢圓相切的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出計算矯直輥半徑的數(shù)學(xué)公式，通過計算機逐點計算，設(shè)計出矯直輥曲線數(shù)據(jù)，滿足了數(shù)控機床上精確加工矯直輥的需要。在此基礎(chǔ)上,計算出不同規(guī)格管材輥子調(diào)角最佳接觸效果。

[關(guān)鍵詞]鋼管矯直；全接觸；輥形曲線；設(shè)計；最佳調(diào)角

1　引言

天津精通無縫鋼管有限公司新建了一條180 mm連軋管機組，精整線設(shè)有140六斜輥矯直機，根據(jù)生產(chǎn)品種不同，矯直輥曲線和安裝調(diào)角需要優(yōu)化設(shè)計并指導(dǎo)加工及矯直輥安裝調(diào)試，本文對其進(jìn)行了詳細(xì)論述。

2　輥形曲線設(shè)計

六斜輥矯直機的矯直輥曲線是一致的，因此設(shè)計出一個輥的曲線即可。矯直輥表面呈一定曲線形狀，且與軋件成α角布置，在矯直輥的帶動下，軋件既轉(zhuǎn)動，又做軸向移動，做螺旋前進(jìn)運動。為了便于分析，需做兩點假設(shè)：一是矯直輥和鋼管都是剛體；二是矯直輥輥面與鋼管沒有間隙，達(dá)到全接觸條件。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]給出了幾種矯直輥輥形的計算公式和計算方法,但公式比較復(fù)雜,作圖又存在較大誤差。正是由于計算的復(fù)雜和計算量較大，利用計算機輔助計算能夠替代我們進(jìn)行繁重的計算、快速精確地給出計算結(jié)果。下面探討如何建立全接觸輥形及安裝角的調(diào)整數(shù)學(xué)模型及編程計算，并給出最終的計算結(jié)果。

矯直機的輥型曲線是一條包絡(luò)線，它應(yīng)該包絡(luò)所矯直管徑的范圍，理論上應(yīng)該是一條雙曲線。在理想狀態(tài)下，管材彎曲很小，而且不考慮管材的壓扁變形，可以看成輥子的整個工作段與圓管材全部接觸，見圖1。為了給出數(shù)學(xué)模型，需要在矯直輥距離腰部L處做剖面加以說明。從圖1中看出，若在距B-B面（腰徑位置）為L長的A-A面位置作垂直于輥子軸線的截平面，則截平面與管材的交線是一個橢圓。為了求出截平面上的輥外圓與橢圓的切點，我們將O點與輥軸重合，設(shè)輥圓心O點坐標(biāo)為（0，0）；管材傾斜投影成橢圓的圓心O’坐標(biāo)為（m，n），根據(jù)幾何關(guān)系可得出計算公式如下：

圖1　矯直輥與管材接觸剖面示意

設(shè)圓與橢圓相切的切點為P，切點坐標(biāo)為（x0，y0）；Q1-Q2為通過切點P的切線；P-O為通過切點P的法線。根據(jù)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程可得：

進(jìn)一步推導(dǎo)出通過切點的圓（代表矯直輥截面）的法線方程為：式中，b為橢圓短半軸，mm；a為橢圓長半軸，mm；d為鋼管直徑，mm；Dh為矯直輥腰徑，mm；L為截平面距腰部距離，mm；α為調(diào)角，度。

通過VB6.0編程，對L值從零開始，按1 mm步進(jìn)進(jìn)行逐點計算，并對式（1）和（2）聯(lián)合求解，按0.001 mm步進(jìn)計算出對應(yīng)L值的切點P的坐標(biāo)x0和y0。根據(jù)x0和y0的計算結(jié)果，對應(yīng)矯直輥切點的半徑可按圓的方程求出：

式中，R為在L處的矯直輥半徑，mm。

3　輥形曲線設(shè)計實例

180車間140矯直機技術(shù)參數(shù)：可矯鋼管外徑覬60～覬180 mm，喉徑覬340 mm，輥長490 mm，角度調(diào)整范圍30°～37°，標(biāo)準(zhǔn)管徑177.8 mm，傾角35°。設(shè)計出的矯直輥曲線數(shù)據(jù)見表1（本數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡化）。

表1　矯直輥曲線計算軟件輸出圖表

4　最佳調(diào)角計算和分析

有了標(biāo)準(zhǔn)矯直輥曲線，根據(jù)上述公式可推導(dǎo)出不同管徑和傾角下的矯直輥曲線。通過數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場情況對比得知，如果管徑和調(diào)角與標(biāo)準(zhǔn)值不一致時,則接觸區(qū)不是線接觸而是點支撐，接觸面存在間隙。點支撐分三種情況：一點支撐，此時產(chǎn)生的最大間隙位于矯正輥的兩個端面；二點支撐，最大間隙在中點處，造成輥子兩端面與管件接觸，兩點支撐影響矯直質(zhì)量，所以最佳調(diào)角的設(shè)定應(yīng)避免出現(xiàn)兩點支撐；三點支撐，管件在中點和兩側(cè)各一個支撐點,是非標(biāo)準(zhǔn)管矯直的最佳狀態(tài)，能通過調(diào)節(jié)傾角來實現(xiàn)。為了計算出理想的調(diào)角，采用VB6.0編程，角度從30°開始到37°結(jié)束，步進(jìn)0.001°，矯正輥腰部至最外端的分割點數(shù)100個點，計算出滿足三點支撐條件下的調(diào)角，并計算出最大間隙。圖2是矯直管徑為覬139.7mm的最佳調(diào)角和最大間隙編程計算的輸出結(jié)果，其它規(guī)格的計算方法均相同，結(jié)果見表2。

圖2　鋼管傾角計算結(jié)果圖

從表2可以看出，由于覬177.8是基準(zhǔn)管徑，所計算的傾角35°也等于基準(zhǔn)傾角，最大間隙為0，是完全線接觸狀態(tài)；而覬139.7 mm比基準(zhǔn)管徑小一些，所計算的最佳傾角為33.662°,三點支撐時在離矯直輥中心160 mm處存在著鋼管與矯直輥表面的最大間隙為0.108 8 mm。根據(jù)工藝規(guī)程要求，輥子與管子的接觸部分間隙一般不大于0.05～0.1 mm（用塞尺檢查），間隙太大易發(fā)生矯凹缺陷，因此通過表2可以看出用該標(biāo)準(zhǔn)曲線來矯直覬139.7 mm的鋼管，質(zhì)量能夠滿足要求。另外，覬60.3 mm比基

表2　矯直輥傾角計算結(jié)果

準(zhǔn)管徑小很多，所計算的最佳傾角為30.782°也比基準(zhǔn)傾角小很多，三點支撐時在離矯直輥中心170 mm附近存在最大間隙為0.393 3 mm。如前所述，其間隙太大易發(fā)生矯凹缺陷，可能會產(chǎn)生鋼管表面壓痕，因此應(yīng)盡量避免用該輥矯直與基準(zhǔn)管徑相差太大的鋼管，應(yīng)對不同的鋼管規(guī)格對矯直輥分不同曲線組，來滿足矯直質(zhì)量的要求。5結(jié)束語

在最初生產(chǎn)時，只有其它生產(chǎn)廠提供做好的輥形圖紙，即標(biāo)準(zhǔn)管徑覬177.8這一種輥形的曲線數(shù)據(jù)，但是在矯直小規(guī)格鋼管如油管覬73×5.51 mm時效果不理想，鋼管矯直壓痕明顯，矯直缺陷造成的二級品率達(dá)到5.2%。通過本論文的計算方法和編程軟件，對小規(guī)格鋼管優(yōu)化組距，重新設(shè)計出輥形曲線并計算出最佳調(diào)角，采用新的輥形曲線矯直油管時，矯直造成的缺陷幾乎為零，合格品率達(dá)到99%，滿足了質(zhì)量要求。

參考文獻(xiàn)

[1]詹尊舜.斜軋線接觸矯直輥的設(shè)計與調(diào)整探討[J].鋼管，1994 （6）：1-7.

[2]崔甫.矯正理論與參數(shù)計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

Design of Profile and Installation Angle of Straightening Roll in Six-cross-roll Straightener

DU You-liang
(Tianjin Tengfei Steel Pipe Co., Ltd., Tianjin 300301, China)

AbstractThe curve of pipe straightening roll shall match the conditions of full contact in design in order to ensure straightening quality. A vertical plane is taken from a random point on straightening roll and then a complicated issue of space analytic geometry changes into that of simple plane geometry. A mathematical formula for calculating the radius of straightening roll is derived according to the mathematical formula for the tangency of circle with ellipse. Through point-to-point calculation by computer, the data of straightening roll curve are designed to meet the requirement by the precise machining of NC machine tool. On this basis, the optimal contact effect of angle modulation of straightening roll for pipe of with different specifications is calculated.

Key wordspipe straightening; full contact; roll profile curve; design; best angle modulation

作者簡介：杜友良（1961—），男，本科，工程師，主要從事無縫鋼管熱軋工藝、設(shè)備設(shè)計工作。

收稿日期：2014- 10- 20修回日期：2014- 11- 06

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.015