新型穿孔机预旋转装置的设计

程 波 朱旭甫 李聪杰

(洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳471039)

我国无缝钢管现在仍以中小规格为主，各种规格的管材消费比例为:≤φ140mm占60% ～63%，φ140～273mm 占 24% ～27%，φ273～426mm占8% ～10%，＞φ426mm占2% ～4%。根据市场需求，联合开发了中型穿孔机——φ300穿孔机，管坯直径φ100～300mm。

1 预旋转装置的功能分析

穿孔过程中，仅靠轧件在轧制过程中对顶头的摩擦力使其转动起来，容易造成管坯难以咬入，毛管内表面出现折叠以及由于轧制力增加而使穿孔过程难以顺利进行，严重的还会发生毛管撕裂事故。预旋转装置是一种能够在管坯咬入并接触到顶头的瞬间提供给顶杆一定的启动转矩。预旋转装置根据摩擦力能够瞬间产生和瞬间消失的特点，把摩擦力作为力矩传递的主要方式，在管坯被咬入孔型并接触到顶头瞬间，三支顶辊抱紧顶杆并对顶杆的转动提供启动摩擦力矩。

穿孔过程中，预旋转装置不仅能给顶杆提供一定的旋转扭矩，而且对提高顶杆刚性具有很大作用，同时能提高无缝管质量，所以φ300穿孔机的设计中含预旋转装置。鉴于以往预旋转装置的使用情况，φ300穿孔机的预旋转装置在结构上进行了改进，使预旋转装置更好地发挥作用，且自动化水平有了很大提高。

2 现有预旋转装置及存在的主要问题

图1为文献［3］中提到的穿孔机顶杆预旋转装置，包括上压辊机构和驱动辊机构两部分。穿孔过程中的顶杆辅助转动，对无缝钢管穿孔设备和穿孔工艺来说都是创新，所以预旋转装置在实际使用过程中难免会出现一些问题，如下所述:

1)预旋转装置上压辊机构存在的主要问题:

(1)采用两根螺杆同时压下，实现上压辊的上下运动。若不同步很容易造成螺杆卡死;顶杆给上压辊的压力偏离顶辊中心时，也会造成螺杆卡死，给正常生产带来很多不便。

(2)两个螺杆下端都安装有碟簧，作用是消除螺纹间隙，缓冲载荷对螺纹的冲击。上压辊位置固定后，碟簧可吸收载荷冲击。根据现场使用情况，三个顶辊定心后，顶杆在两个驱动辊作用下开始旋转，圆周方向的波动对上压辊产生一定的冲击载荷，碟簧不能完全吸收该冲击载荷，安装碟簧效果不明显。

(3)顶杆在管坯摩擦力矩作用下开始旋转后，手动旋转两螺杆实现上压辊被抬起，手动操作完全达不到生产要求，不利于实现生产自动化。

图1 穿孔机顶辊预旋转装置结构示意

2)文献［3］中提到的预旋转装置驱动辊机构存在以下问题:

(1)链式传动瞬时速度不均匀，平稳性差，有噪声。

(2)液压缸位于顶辊座内部，其行程受到空间限制;电机与顶辊座为一体结构并在液压缸作用下沿滑板斜向运动，增大了液压缸的负载。

(3)该驱动辊机构受空间布置限制，要求整体尺寸小、实用性强，这就极大限制了驱动辊机构的形式。

3 新型预旋转装置的结构分析

新型穿孔机预旋转装置如图2所示。从图2(a)可以看出，三顶辊成120°夹角，抱紧顶杆1后，两个驱动辊10主动旋转带动顶杆1实现预旋转，上压辊5为从动辊。从图2(b)可以看出，上压辊机构中通过转动手轮2带动螺杆3、液压缸a 4及上压辊5上下运动，实现顶杆1初定位。从图2(c)可以看出，液压缸b12推动顶辊座11带动驱动辊10沿斜槽滑动，实现开口度调整;电机6通过万向联轴器7、锥齿轮轴8与锥齿轮9带动驱动辊10主动旋转。

图2 新型预旋转装置结构示意

4 新型预旋转装置的创新点

由图2可知，从实际使用情况出发，新型预旋转装置中的上压辊机构和驱动辊机构都进行了改进，两结构的创新点分别如下所述:

1)上压辊机构有以下创新点:

(1)采用一根螺杆传递扭矩，避免了两根螺杆转速不同步造成螺杆卡死;螺杆半球形端部与液压缸相连，允许竖直方向的载荷有一定倾角，不容易造成螺杆卡死。

(2)在螺杆两侧的长螺钉上套有两个提供预紧力的弹簧，可减小螺杆螺纹间隙造成的载荷冲击。

(3)顶杆与管坯接触瞬间，在摩擦力作用下顶杆开始旋转，液压缸动作，快速提升上压辊，使上压辊与顶杆快速分离，以防在穿孔过程中顶杆圆周方向巨大的振动载荷对上压辊机构造成破坏，该操作实现自动化;同时液压缸可以吸收顶杆在预旋转过程中圆周方向的小幅波动对上压辊垂直方向的冲击载荷。

2)新型预旋转装置驱动辊机构有以下创新点:

(1)液压缸与减速电机固定在同一个底座上，合理利用空间，能有效提供并传递动力;液压缸行程不受空间布局限制，推动顶辊座实现位置精确调整和固定顶辊位置的作用。

(2)万向联轴器实现减速电机输出的扭矩长距离传递，带动驱动辊主动旋转;随顶辊座的滑动万向联轴器沿轴向可以伸缩。

(3)锥齿轮与锥齿轮轴呈90°啮合，使减速电机输出的扭矩直角传递;锥齿轮采用格里森弧形齿，传递动力稳定、噪音低。

5 结语

该新型预旋转装置安装在后台二段前端，提供给顶杆一定的旋转力矩，对于提高顶杆刚度也具有重要作用。通过以上分析可知，φ300穿孔机预旋转装置经过改造后，结构更合理、操作更简单、传动更平稳。

［1］许立忠等.机械设计［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］李晓红.我国无缝钢管供需市场分析与前景展望［J］.钢管，2006，Vol.35(2):46 －49.

［3］杨德照.大型穿孔机顶杆预旋转装置的设计与研究［J］.钢管，2012，Vol.41(1):55 －57.