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^[1] 。

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。

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。

新型高速冷轧管机有以下特点:, 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HMI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] 。

普通冷轧管机的传动方式通过偏心齿轮驱动机架往复运动。

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。

1　垂直滑动重锤平衡机构

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值的±10%左右。

中重院开发的LG-180 -HL、LG-220 -HL轧机采用垂直滑动重锤平衡机构, 德国米尔公司的KPW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限制。

2　水平滑块平衡机构

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。

3　双扇形块平衡机构

为了平衡机架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。为了平衡扇形块的惯性力, 在与曲轴等速旋转的平衡轴上加适当的平衡轴扇形块, 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 -GHLL、LG-15 -GHLL、LG-30 -GHLL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KPW25LC、KPW50LC和KPW75LC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。

4　垂直摆锤平衡机构

垂直摆锤平衡机构是将平衡连杆所连接的重锤通过连杆连接起来, 在机架往复运动时, 重锤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KPW25VMR型高速轧机采用垂直摆锤平衡方式。

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。

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。

开式机架的上横梁由活动横梁代替并用连接螺栓固定。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。

开放式机架取消了旧式轧机上的两对联动齿轮, 保留了的同步齿轮。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上的调整压盖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。

中重院研发的LG-10 -GHLL、LG-50 -GHLL、LG-30 -GHLL、LG-60 -GHLL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。

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。

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　三种*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SMS-Meer公司KPW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台环形孔型长行程高速冷轧管机LG-55 -Ⅲ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SMS-Meer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。种是凸轮-可变挂轮-游动丝杠形式。

在60 ～ 70年代初, Meer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限制, 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, Meer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Meer公司采用。

2003年以来, 中重院对Meer游动丝杠回转送进机构进行了改进, 并成功地应用到LG-90-HL、LG-110 -HL、LG-120 -HL、LG-150-HL、LG-180 -HL、LG-220 -HL型大规格冷轧管机上。

对大型轧机的游动丝杠回转送进机构做以下改进:

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。

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。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。

在70年代法国的DMS(门巴尔)公司ILP(ILPR)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, 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独立传动, 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。

2006年中重院在国内研发伺服回转送进型冷轧管机, 并于2007年底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^[3] 。