三辊连轧管机轧制机架扩大产品规格改造设计

覃 宣，王 飞，金 强，穆 东

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122）

三辊连轧管机组因其具有优质、高产、高效率、低消耗等优点，近年来在国内得到迅猛发展和应用［1-7］。同时随着国内无缝钢管产能的扩大［8-9］，市场竞争日益激烈，用户对无缝钢管产品的需求也趋于多样化。为了在激烈竞争的市场中获得一定的市场份额，越来越多的无缝钢管生产企业希望在低成本投入的条件下，对现有三辊连轧管机进行扩大产品规格（简称扩规）改造，以达到在一定范围内生产更多规格的钢管适应市场需求的目的。轧制机架作为三辊连轧管机的核心部件［7］，是扩规改造的重点，直接影响改造的可行性、经济性以及最终产品的质量。本文以Φ258 mm三辊连轧管机扩规到Φ340 mm为例，提出一种改造投入低、改造工作简单可行的轧制机架改造思路。

1 轧制机架设备结构

轧制机架作为三辊连轧管机的核心部件，主要由机架本体、轧辊装配、摆臂装配和轧辊平衡装置等组成［10-11］，其三维结构如图1所示。轧辊装配主要包括轧辊、轧辊轴承、轧辊轴承座、锁紧螺母、轴套、端盖和密封件等零部件，轧辊和轧辊轴承通过锁紧螺母、轴套等轴向定位在轴承座中，密封件和端盖起到密封防尘的保护作用；摆臂装配的作用是通过预应力螺柱固定安装轧辊装配，摆臂自身通过销轴安装在机架本体上；轧辊平衡装置通过平衡缸头部的滚轮或铰接装置连接摆臂，在轧制过程中，起到使摆臂始终紧靠压下缸保持设定孔型的作用。

图1 三辊连轧管机轧制机架的三维结构

2 轧制机架改造的制约因素

由于原有设备结构的限制，三辊连轧管机的扩规改造不可能大幅度增加钢管产品规格范围；并且，如果规格范围扩大过多，即使能通过改造满足工艺要求，但改造项目会增多，导致改造成本激增，这是钢管生产企业不愿意看到的；因此，在满足改造工艺要求的前提下，减少改造项目，降低改造成本成为改造设计的重点和难点。

基于上述改造原则，在制定通过扩规改造增加三辊连轧管机轧制产品规格的方案时，考虑在不增加连轧管机轧制力的前提下，尽量减少改造项目，增加轧制钢管规格。

3 轧制机架的优化改造设计

根据轧制机架的结构，Φ258 mm连轧管机扩规到Φ340 mm，轧制机架主要部件均需要进行力能参数和设备空间位置的校核。

在轧制力不变的方案中，轧制机架的机架本体、平衡缸力能参数经过校核能满足要求，并且设备空间位置不存在干涉，因此机架本体、平衡缸不需要进行改造设计。对于轧辊装配，由于连轧管机扩规，轧辊尺寸增大，主要是轧辊辊宽、长度和轧辊名义直径增大，因此为了保证轧制中心线维持不变，需要重新设计定位轧辊轴承座。由于轧辊轴承座和摆臂相连接，轧辊轴承座位置发生变化，因此摆臂也需要重新设计。

现有轧辊装配的设计中，轧辊轴承相对轧辊中心线两端对称，轴承固定端在非传动侧，浮动端在传动侧。由于轧辊轴向尺寸的增大，轴承座位置需要向两端对称移动，相应的摆臂上轴承座的定位销孔和安装孔位置向两端对称移动（初步改造方案）。将轴承座位置移动后的轧辊装配进行有限元校核，校核结果如图2所示。由分析结果可知：按照这种对称移动的方案，摆臂上轴承固定端定位销孔处应力达300 MPa，位移达1.2 mm，完全不能满足设计的强度、刚度要求。分析原因为摆臂上安装固定端轴承座处空间位置较小，在轴承座向两侧对称移动过程中，定位销孔位置也相应向外移动，造成该处强度薄弱，同时轴承固定端相对于浮动端承受更大的轴向力，从而不能满足强度、刚度要求；而轴承浮动端处摆臂上空间位置较为宽裕，同时由于浮动端承受轴向力较小，因此浮动端能够满足力学要求。

图2 三辊连轧管机轧制机架轴承座位置对称移动后的轧辊装配有限元校核结果

基于上述分析结果，重新设计了改造方案。将原设计中轧辊轴承的浮动端、固定端位置相互对调，并将轴承座定位销孔和安装孔的对称布置改为非对称布置，浮动端轴承座定位销孔和安装孔位置距离轧辊中心线的位置小于固定端轴承座定位销孔和安装孔距离轧辊中心线位置。在此基础上由于浮动端承受轴向力小，将该处轴承座定位销直径减小，进一步保证摆臂上定位销孔位置距离摆臂边缘的尺寸，以满足力学强度、刚度要求。三辊连轧管机轧制机架轴承座位置非对称移动后的轧辊装配设计方案如图3所示。

图3 三辊连轧管机轧制机架轴承座位置非对称移动后的轧辊装配设计方案

三辊连轧管机轧制机架轴承座位置非对称移动后摆臂的有限元校核结果如图4所示。结果显示：摆臂上固定端、浮动端轴承座定位销孔外应力均满足力学强度、刚度要求。除此之外，由于轧辊名义直径的增大，为了保证摆臂位置不变，需要将轴承座中心高度降低，因此轴承座需要重新设计。因为轴承座浮动端、固定端位置的变化，端盖也需要重新设计制造，而轧辊装配中的轴承、密封件等则利用现有设计，可以减少备品备件的数量。

根据上述的改造设计方案，轴承座需要重新调整中心高、定位销和螺柱安装孔位置，摆臂需要重新调整定位销和螺柱安装孔位置，端盖需要重新设计满足浮动端和固定端位置互调的需求，较大的改造零件仅5件，其余部分均可利用现有设备零部件。

4 结 论

三辊连轧管机轧制机架的扩规改造设计，可通过将轧制机架中轧辊装配的轴承座浮动端和固定端位置互调，并减小浮动端定位销直径的方案，在保证摆臂安装轴承座定位销处力能参数、刚度要求的同时，达到仅需改造设计轴承座、摆臂、端盖和定位销共7件零件，就能满足Φ258 mm连轧管机扩规到Φ340 mm的要求，改造经济合理。

图4 三辊连轧管机轧制机架轴承座位置非对称移动后摆臂的有限元校核结果

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