Φ219 mm顶管机芯棒固定扣瓦的改进设计

王 成，魏 昊

（湖北新冶钢有限公司，湖北 黄石 435001）

顶管机的工作原理是由主电机带动传动齿轮—齿条，从而推动外带毛管的芯棒通过多架辊模，使钢管减径、减壁、延伸。这种机组采用纵轧变形，具有延伸率大、轧制速度高、产品尺寸精度高等特点，适于生产薄壁无缝钢管［1-10］。

顶管机在顶管过程中芯棒承受的是顶推力，由于芯棒是细长杆件，为了保证芯棒不失稳，在顶管机前台布置有对芯棒起导向作用的固定扣瓦。某厂Φ219 mm CPE（Crossroll Piercing and Elongating）顶管机组产品规格范围较大，顶管机准备有Φ105，145，180，220 mm等4种规格的芯棒，根据生产情况在每个规格之间进行更换。由于原有固定扣瓦结构比较复杂，零部件较多，在更换芯棒规格时存在更换工作量大、工人劳动强度大、花费时间长等问题，不能实现快速倒换工具，不利于生产的顺行；并且相关零件存在加工难度大、加工周期长，增加了工具备件的采购成本。为了适应多品种、小批量的生产要求，有必要对现有Φ219 mm CPE顶管机的芯棒固定扣瓦进行改进。

1 原有固定扣瓦的结构及存在的问题

顶管机原固定扣瓦及扣瓦支架的结构如图1所示，分别为上固定扣瓦、左固定扣瓦和右固定扣瓦，3块扣瓦的形状类似，图2所示为原上固定扣瓦的结构。

图1 原固定扣瓦及扣瓦支架的结构示意

图2 原上固定扣瓦的结构示意

图1 所示中，上固定扣瓦、左固定扣瓦和右固定扣瓦分别通过T型螺栓安装在上扣瓦支架、左扣瓦支架和右扣瓦支架上，每块扣瓦上有4个螺栓，整个顶管机一共有14组扣瓦，共计168个T型螺栓。每次倒换芯棒规格时，仅拆装T型螺栓就需花费很长时间；同时，每块固定扣瓦安装在相应的扣瓦支架的槽内，使用一段时间后，生产过程中产生的水、氧化铁皮、粉尘等使得扣瓦与扣瓦支架之间结合紧密，拆卸扣瓦的劳动强度很大。

从备件管理的角度来看，如果每种芯棒规格对应的扣瓦只准备1套备件就需要42块扣瓦，4种规格的芯棒在仅准备1套备件的情况下就需要168块扣瓦。如果每种规格的芯棒准备多套扣瓦备件，那么扣瓦的数量将更多，给工具备件的准备、制造、使用和保管带来很多问题。

2 改进方案的论证

文献［11-13］表明，用于顶管机前台的芯棒扣瓦除了上述3块扣瓦组合的结构之外，还有一种通过可调的导向辊装置来作为芯棒扣瓦的型式。

采用3块扣瓦组合的结构显然不适合经常倒换芯棒规格的场合，而采用可调的导向辊装置作为扣瓦将增加若干组液压缸驱动的连杆机构，使顶管机前台的设备大为复杂，而且不适合现有设备的改造。

对于经常倒换芯棒规格的场合，顶管机芯棒扣瓦应该满足以下要求：①具备对芯棒进行导向的功能；②允许芯棒尾座顺利穿过；③在芯棒的摩擦力作用下定位可靠，具备足够的强度；④零件数量少，拆卸方便，工作量小；⑤结构简单，加工方便。

3 改进方案

经过分析，对现有固定扣瓦的结构进行改进。改进后的固定扣瓦的结构如图3所示。改进后的固定扣瓦为一个具有中空内腔的圆筒，内腔直径取决于所对应的芯棒直径，在顶管过程中，中空内腔对芯棒可以起到很好的导向作用；为了能够顺利通过芯棒尾座，在圆筒的筒壁上沿着固定扣瓦的长度方向、从一端到另一端开有与中空内腔贯通的直槽［14］。

图3 改进后的固定扣瓦的结构示意

改进后的固定扣瓦与扣瓦支架的结构如图4所示。上扣瓦支架将固定扣瓦压紧在左右两侧的下扣瓦支架上。在扣瓦外圆周上位于直槽的左右两侧对称的位置分别加工有定位平面，这两个平面与左右两侧的扣瓦支架上加工好的凸台接触，在安装固定扣瓦时，不需要调整就能保证直槽对准芯棒尾座的筋板方向；另外，上扣瓦支架前后加工有止口，起到限制固定扣瓦轴向位置的作用，防止固定扣瓦在芯棒的摩擦力作用下发生轴向位移。

4 实施效果

与原有结构相比，采用改进后的整体固定扣瓦后，能将固定扣瓦与扣瓦支架间的T型螺栓全部取消，不仅减少了零件数量，而且拆、装固定扣瓦只需将上扣瓦支架压紧或者松开即可，极大地减少了倒换芯棒规格时拆装扣瓦螺栓的工作量，缩短了生产准备时间。

图4 改进后的固定扣瓦及扣瓦支架的结构示意

整体结构的固定扣瓦与推杆之间的包围区域增加，能够显著提高芯棒在顶管过程中的稳定性。从制造的角度看，整体结构的固定扣瓦可以用无缝钢管或者铸件作为毛坯进行加工，减少了加工工时，降低了加工成本。

改进后的固定扣瓦减少了库存备件数量；更换芯棒规格的时间也从12 h缩短到6 h，大大减轻了工人的劳动强度，提高了作业效率。

实践表明，顶管机固定扣瓦的改进完全能够适应多品种、小批量的生产要求，达到了预期目的。