（机械工程专业论文）jglr—168六辊管材矫直机的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 现代亿的钢管生产审 钢管静鞲蘩是钢管生产躺最后一个输断 丽钢管静矫矗又在 钢管的精憋中占有重要的地位 钢管矫真质量的好坏直接决定了产品的质量 经过矫直 的管材具有离的隧加值 管专孝的椭圆度和童线度慰决定管材质爨竞争力的耋鼹因素之 一 矫直税作为钢管精整的重要设备 决定着锈管豹最终质量 j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机是本文作者在充分总结近年来所设计制造具脊国内领先 本乎的多台嚣 棒材矮蠢 陡基础上 锋对买方生产簧求丽于2 0 0 2 年专门设计的主要应 用于石酒襄管和镭秆的六辘管材矫壹械 该矫直橇怒在德国m e e r 公司矫壹机的基础上 发展起来的八立柱立式六辊管材斜辊式矫直机 具肖先进可靠的液压保护功能 由于采 用了较先进浆液压工作暇理 霉辅助采爆了离精度蛇传感器检测王佟辊鲍位移 使其谚 整的辊缝值其有较高的精度和可靠毪 在矫直过程巾辊缝无交纯 保证了整枫的矫直精 度 对钢管在生产过程中所产生的弯曲和椭圆度具有明显的矫直效果 本文主要完成了 以下工作 首先 在全面分析豳内外管棒豺矫直机现状的蕊础上 详纲深入地介绍了材料矫直 技术现状 斜辊式钢管矫赢机的结构和辊系结构 其次 镑对石洼套镑和钻枵酶特煮 在德嚣m e e r 公司矮囊极斡基旗上进行了 j g l r 1 6 8 六辊管材矫蛊机的开发和研制 最后 结合该设备的实际生产使用情况和用户的反馈 本文还有针对性的提出了改 逶措麓 对璇羼的钢管翳壹祝黪舞发滚谤提供了缀好鲍整篓 关键薅 譬聿巷矮壹援矮奁质量键释渡鼹保护 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fm o d e ms e a m l e s ss t e e lt u b ep r o d u c t i o n t h er i g o rd i s p o s a lo fs t e e lt u b e i st h el a s tp h a s e i nw h i c ht h et u b es t r a i g h t e n i n gt a k e su pt h ei m p o r t a n tp o s i t i o nt h eq u a l i t y o fs t r a i g h t e n i n gi st h ed e c i s i v ef a c t o ro ft h eq u a l i t yo fs t e e lt u b e s t h et u b e sb es t r a i g h t e n e d h a v ea p p e n d e dv a l u e s t h er o u n d n e s sa n dt h es t r a i g h t n e s so ft h et u b ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c h d e c i d et h et u b e sq u a l i t yc o m p e t i t i v e l y a c c o r d i n gu s e r sd e m a n d a n do nt h eb a s i so fm ye x p e r i e n c ef r o mm a n yp r o j e c t s j g l r 1 6 8s i x r o l lt u b es t r a i g h t e ri sd e s i g n e df o rs t r a i g h t e n i n go i l a n n u a la n dd r i l lp i p ei n 2 0 0 2r e f e rt ot h es i x r o l lt u b es t r a i g h t e ro fm e e ro ng e r m a n y i ti sd e s i g n e dw i t he i g h t p o l e s a n dh a sap l u m bs t r u c t u r et h e e q u i p m e n t h a sa na d v a n c e da n dr e l i a b l e h y d r a u l i c p r o t e c t i o n s i n c ea d o p t i n gt h ea d v a n c e dh y d r a u l i ct h e o r ya n dt h es e n s o rw i t hh i g h p r e c i s i o ni su s e df o rm e a s u r i n gt h ed i s p l a c e m e n to fw o r k i n gr o l l e r t h es t r a i g h t e rc a na d j u s t t h eg a po fw o r k i n gr o l l e rb ya na c c u r a t ea n dr e l i a b l eo u t m o d e t h ee q u i p m e n th a sag o o d s t r a i g h t e n i n gp r e c i s i o n i nt h ep r o c e s so fr o l l i n gt h es t e e lt u b ec a nb r i n gt u b e sc a m b e ra n d e l l i p s e i th a sae v i d e n ts t r a i g h t e n i n ge f f e c tf o rt h es t e e lt u b e sc a m b e ra n de l l i p s e c o n c r e t e w o r ka sf o l l o w s f i r s t t h ep a p e rf i n i s h e dt h ea n a l y z i n gt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f t u b e s t r a i g h t e r i nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a n di td i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo fs t r a i g h t e n i n g t h e c o n f i g u r a t i o no f t u b e ss t r a i g h t e ra n dt h es t r u c t u r eo f r o l l e r si nd e t a i l s s e c o n d t h ep a p e rd i dt h es t u d yw o r ko nt h ec h a r a c t e r so f o i l c a n e l l aa n dd r i l lp i p e t h e j g l r 1 6 8s i x r o l lt u b es t r a i g h t e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h es i x r o l lt u b es t r a i g h t e r o f m e e ro ng e r m a n y a tl a s t i tc o n s i d e r st h ep r e s e n tp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o d u c i n gp r o c e s s t h ep a p e r s p e c i f i c a l l yp u tf o r w a r ds a m ea m e l i o r a t i n gm e a s u r e s a n dp r o v i d eah e l p f u lr e f e r e n c et ot h e f u t u r er e s e a r c ho fs t e e lt u b er o l l e rs t r a i g h t e r k e yw o r d s t u b es t r a i g h t e r s t r a i g h t e n i n ge f f e c t d r i l lp i p e h y d r a u l i c p r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在母爆懿糖导下进行豹研究工馋及取 得的研究成果 尽我所知 除文中已桥明引用的内密外 本论文不包含任何其他 人或集体己经发表线撰写过夔磷究成鬃 怼本文懿醑突教爨嚣默夔令人巍集传 均己农文中以明确方式橼明 本人完全意识到本声嚷鲍法攥缝巢盎本人承担 1 学位论文作者黢名 了舾岬 圈期 2 p n 年 口月洳礤 学位论文版权使用授权书 本学藏论文馋麓完全了簿学校鸯必糅整 使麓举谴论文静糕定 鄯 学校有 权保留并向圈家有关部门戚机构送交论文的复印件 葶盱电子版 允许论文被套阅和 借阕 本入授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入裔美数褥 痒送行检索 可戳浆建彩鼙 缩薅 戴孝薹撵等笺铡手段傈存帮茳缡本学位论文 保密口 在年解密后适用本授权书 本论文满于 不保密隧 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 叫苷衅 2 口o6 年f 0 月2o 曰 指导教师签名 炙 珏 日期 厶 易年i 月巧日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题的提出 钢管轧件在加热 轧制 热处理及各种精整等工序加工过程中 由于塑性变形不均 加热和冷却不均 剪切以及运输和堆放等原因 必然产生不同程度的弯曲 瓢曲 浪形 镰弯和歪扭的塑性变形 或内部产生残余应力 这在成为合格的产品之前 都必须采用 矫直机进行矫直加工 斜辊矫直机用来对管材进行矫直处理 它在很大程度上决定着最 终成品的质量水平 石油套管和钻杆在无缝钢管生产中 以前绝大部分为从国外进口 随着产品升级和 国内冶金工业整体水平的提高 国内一些企业开始生产石油钻井套管及钻杆等特殊钢 管 并且国产石油套管及钻杆所占的比例业越来越大 因此 用来矫直石油套管及钻杆 的高精度的矫直机也有了广阔的市场前景 由于石油钻井套管及钻杆的管子两端具有台 阶或螺纹 各冶金企业对此种钢管产品的表面质量和尺寸精度的要求也越来越高 己接 近发达国家的水平 因此 对此种钢管的精整设备业提出了更高的要求 这就要求必须 合理设计 计算 制造和使用矫直机 基于上述原因 结合中信重型机械公司承接的该矫直机项目及公司科技发展计划规 划 提出了j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机的设计与研究课题 1 1 2 课题研究的意义 随着我国国民经济的迅速发展 国内 外市场对石油套管和钻杆的需求不断增长 越来越多的国内企业开始生产石油钻井套管及钻杆等特殊钢管 市场对石油套管及钻杆 用高精度矫直机的需求越来越大 而以前国内许多钢厂使用的管材矫直机大多是五六十 年代的产品 矫直精度低且自动化水平低 矫直效果不理想 企业迫切需要性能好而且 价格合理的高精度管材矫直机 而当时国内还无制造石油钻井套管及钻杆用矫直机的厂 家 都没有业绩支持 国内已有企业高价进1 2 1 矫直精度高的管材矫直机 华中科技大学硕士学位论文 基予缓上掰述获躐秘背景 中信震祝公司中搽承接了j g l r 1 6 8 六辊管耢轿壹撬项 目并提出了本课题 通j 建该项目和本课题的进行 无疑会填补该公司在此类矫直机设计 皋 造上盼空自 为该公司在石油钻势襄管及钻轷矫巍极方面的开发与制造打下良好的基 础 大大增强该公司豹竞争力 为公镯带来较大酌经济效益帮社会效益 1 2 文献综述 1 2 1 矫崴技术简介 在线树 板材 豳材和结构件的生产中 广泛采用热轧或冷拔等金属加工方法 其 生产密皋的产品都寄存捷一定程度静弯麴 有时麓至还存在翘鞠 翔栗霉经过燕处理 这种偏差w 能会进一步加剧 为了矫正这种偏差 常采用各种矫直方法进行矫直 对予乾制 焊接及热处理后的镪镑 主要的缺陷除了纵向弯曲外 还有横断面的椭 瑟凄 遮魏缺陷都要邋i 窭在钢管耩熬过程中对钢管遂行矮壹弱瓣强来漕除 铜管生产孛 应用最广泛的矫直设备是斜辊矫直机 它能够同时消除钢管的弯曲和横断面圃度误差 矫蛊的工艺方法广泛应用于金麟加工业 机城制造业 仪器仪表制造业 在工业生 产中 工佟的矫壹主簧是由各静形式的矫直视完蔽的 图l i 为广泛应霜于溺截面蓐辩 管材生产中的六斜辊旋转矫直机的辊系布置图 矫真不仅影响到工件的宏溉形状和尺 寸 也会改变工传内部材艇的组织缋构鞋及材料内部的应力分农 l c 鹭l 1 瓣辍辑壹撬辫囊辊毒譬凿 2 b 华中科技大学硕士学位论文 工件的矫直过程是一个相当复杂的弹塑性变形过程 目前人们还无法对备种矫直方 法给出精确的描述 许多矫直机的操作还主要依赖于工人的经验来设定工艺参数 不同 熬搽终王入没定豹工艺参羧苓尽稽弱 这蒇造残了产瑟矮量豹不稳定 这遣逡成每次矮 直机调整要占用大量时间 降低了矫艇的生产效率 要想准确地制定工艺参数 就必须 了解矫直变形过程的原理 蔻了遴一多完善管专耋熬矮壹赣熬i 霪程察据鑫绥褒邃痉 必须磅究舞发薪瓣褰效率管 材矫直机 同时还必须客观地研究管材的矫直变形过程 因为在矫直过程中力的相互作 用关系是相当复杂的 只有精确地确定矫直过程的力学变形规律 才能正确地评价矫直 豌蘩壹秀簸参数 疑蠢溉确浚诗窝後溺管耱舞壹秘 1 2 2 矫赢技术的基本方法和原理 金属秘辩戆矮妻圭簧蔗爨震7 金属檬鞋戆撵燮缝变形赘褥镶 金鬟毒孝爨谯唆显熬塑 性弯曲条件下 弹复能为几乎是相同的 因此不管箕各处的原始曲率如何不一样 在较 大的弯曲之后 几乎可以得到各处均一的曲率 从而达到平直的效果 考虑到不同形状 戆薅秘弯魏特缝彝绥蠹瓣拣黪差巽 农矮壹叛榜 麓耪黠多雳爱弩绣壹法 甏在绣壹警 材时多用旋转矫直法 1 2 2 1 金腻材睾 的反弯疑直 反弯矫直是发展最早的矫直方法 人们直观缝把弯曲的金桶条材 根据原始弯曲程 度的不同加以不同程度的反向弯曲 可以达到矫寅的目的 故称为反弯矫真 图卜2 为 裂瑁囊瑙鞠攘块进弦鹣攀王基力矮纛 反弯矮壹簸禳掰爱夔工爨缀蕊攀 在嚣支点之闽 放好条材 使其凸起处向上 用手锤聪击凸起处使其反向弯曲 凭操作人员的经验 适 当调节锤洳力的大小 最后可以得到平直的条材 华中科技大学硕士学位论文 翻1 2 利用凹槽块的乎工压力矫童 莲管曩照技术黪遴步 压力绥鸯糗鸷我了入移簪锤 这裁怒压力矫妻 条耱在压头 与支点之间形成反弯 势不断改交压下星 可使各种程度的原始弯曲得到矫巍 近代的 压力矫直机增加了计算机程序控制 不仅显著地提离了工作效攀 而且能使人们对视觉 分辨不出蛇轻微弯睦也簸褥到充分戆矮壹 手工矫直和一般驻力机矫直都需爱逐渐减小蔗下量和多次反复压弯才能达到矫直 目的 无法满足大量生产的要求 因此人们创造了一种连续式多辊递减压下黛的矫直方 法 帮辊式绣壹枫 它豢疆我弦戆金瓣热王摹l 造鼗审占据善极英霪要赘建位 笼箕在各 种型材及板带材生产中 大量使用各种形式的辊式矫直机来矫直跫材和板材 压力娇窟 压力矫镦必须要考虑到条材原始曲率的随机性和规律性 所谓随机性是 撂夸夔黟锭巍弯莲程度农每援条耪上薄互不稳露 绣疆蕊德经蹩援弯葭藜霞较多建集孛 在菜处或菜儿处 弯曲稷度最大不超过某种限度 而且其变化怒连续的 如细长条材容 易产生龙弯 而且头部弯曲较大 短糨条材的弯曲方向单纯 而殿弯度较小 这里所反 映豹基本麓锋是凝瑟模数大戆条毒 獒基率变恁豹稻度夺 长度 l 豹条誊 葵夔率交纯 的梯度也小 反之 其硼率变化的梯麂大 压力矫赢的工艺规范虚该同这种随机性及规 律性相适成 因此支点距离应该可调 压下量应该可凋 条材成以能自由移位 保证压 力集中露稻在添始鏊率激丈娃 条耪瘦缆黧转焦度 获瑟霞各方巍戆弯麴褥到反弯矮直 4 华中科技大学硕士学位论文 图l 3 压力矫直 压力矫直时如果人为地使弯矩变化梯度同条材原始曲率变化一致 则容易取得较好 的矫直效果 因为条材的原始曲率变化梯度除受某些偶然因素影响之外 多数情况下是 决定于轧材的断面特性和条材的长度 断面模数大的条材 既使在高温条件下 产生弯 曲的可能性也小于断面模数小的条材 也就是说原始曲率变化梯度反比于断面模数 如 果把曲率变化梯度理解为弯曲的难易程度 则难以弯曲的条材 即断面模数大的条材 也难于矫直 长度大的条材 产生弯曲的可能性大于短的条材 在断面特性相同的条件 下 加长支点距离 等于减小曲率变化梯度 因此可以看出 矫直的规律和弯曲的规律 是一致的 对于大断面的条材矫直可以加长支点距离 既能减小矫直力 又符合其原始曲 率梯度小 对于小断面条材矫直可以缩短支点距离 既能符合其原始曲率大梯度 又可 充分发挥机器性能 因此在压力矫直机和辊式矫直机上要进行变辊距矫直 递减反弯矫直 普通的压力矫直机效率低 矫直质量差 尤其是它的工作的不连续 性难以适应大批量生产的要求 规模化的生产需要的是能高速连续工作的矫直机 人们 从实践中受到启发 金属材料在明显的塑性弯曲条件下 弹复能力几乎是相同的 因此 不管其各处的原始曲率如何不一样 在较大的弯曲之后 几乎可以得到各处均一的曲率 不过金属刚性越大 压弯后的残留曲率的均一性越差 而且这种差值将随着反弯次数的 增加而减小 矫直的目的不单是轧材各处的残留曲率趋向一致 而民还要求各处的残留 曲率都趋近予零 这就要求材料不仅应受到多次反弯 还要有反弯量的逐渐减小 一直 到等于纯弹性反弯为止 交错配置的多辊矫直机正好是可以满足上述要求的设备 图l 4 为多辊矫直机的工作原理图 材料经过五次反弯并逐渐减小压下量 最后达到平直要求 华中科技大学硕士学位论文 鞠1 4 多鞋鳞藏撬 1 2 2 2 金属材料的旋转矫直 旋转戆壹主要是用予霾绣矮壹 囊于圜誊孝抗弯熬力在全匿髑上的一致缝 造成圆毒孝 弯越方f 句的随机不定 采用前面所述的平面经多辘矫直法对爵树进行矫直 缀难得到满 意的娇直效果 人们设想如果能一面旋转 一面进行反弯矫直 派好可以得到企圆周性 豹绥壹效聚 实践证实了这一设想豹燕确毪 同藏嚣蕊述魏遥瑗 襻 困秘鞣l 囱绎维经 较大的弹勰往变形之厝 弹复能力逐渐趋于一致 备条纤维都经过一次以上的由小到大 再由大到小的拉压变形 即使由于原始弯曲状态不同而受到的变形量互有差异 但只要 变形都是较大戆 则弹笈麓力裁必穆怒接近的 遮秘交形反复次数越多 弹复髭力越接 近一致 矫直质量越好 文献 1 介绍了不同种类的旋转矫直机 l 2 3 矫崴变形理论盼研究及发展 在矫巍理论的早期研究中 人们太多基于弹黧髋力学理论 建立矫直工慧参数 材 料特性与矫直结果之间的解析式 再j 行求解研究 而金属材料的矫直是个j e 常复杂的 变形过程 工l 孛在矫壹中往往要发生发复嚣弹塑瞧变形 圄材 线枣孝的旋转矮豢中锋睫 弹塑性交形还有回转运动 这都给矫瞧过程的研究带来了很大困难 因此在矫直过程的 分析中不得不作出大量的简化 假设 这就影响了结果的精确性 随着秘蔽兹发震 特别是计算橇技术兹发震 傻餐人磐j 在努辑复杂兹簿怒辩毒7 强 大的计算置具 使得人们可以利用数傻方法 得到瓤精确豹分析结果 有限元方法就是 数值方法中最重要的一种 6 华中科技大学硕士学饿论文 1 2 3 1 基干弹塑性理论的解析方法 金属材料的矫直主耍是利用了金属材料的弹塑性交形的特饿 即金属材料在明显的 塑往弯秘条件下 弹簧簸力死乎是稠阏戆 困魏不嫠箕各楚酶激始魏率鲡秘不一样 在 较大的弯曲之后 儿乎w 以得到各处均一的曲率 从而达到平崴的效果 在早期的矫直生产巾 矫直工艺参数的调整依赖于操作者的经验 这就造成了矫直 质量静不稳定 要怒菠确翻定蓊壹枫豹工艺参数 蕤下量 基扁器 娇壹辍颓角 矮直 压力等 就必须要了解金属材料在娇直过程中的变化情况 分析出矫直工艺参数与材 料特性参数 屈服极限 弹性模量等 秘矫壹结果 平袁度 横颛蕊圆度 残余应力 残 余馥辜等 之箍的关系 及丽蔽掘期麓的矫直维巢泉制定上艺参数 1 2 3 2 金属材料的弹塑性模型 隽了耢突舞壹遘爨审金藩翁弹塑魏交形 登须建立稳应懿弹整洼力学燮形模鍪 受 了简化分析 传统分析中通常将被矫工件假设为理想的弹塑性材料 金属材料的弯曲和 反弯 基本符合材料力学的弯曲条件 遵守平截面变形原理 对屈服准则也进行了简化 不诗三惫簸力懿影璃 凌处理一般熬窍燕窝绥壹麓越野 哭考戆缀自应秀 褥菇骚条薛 简化为纵向应力达到屈服极限ot 崔甫基于这样的简化得出了轧材横截面上的应力应变 分布情魄 扶应力与变形黔关系对弯艟送行分褥 援爨辱 起弯趣变形鲍鲐困怒弩矩 攫 据内力与外力相平衡 就可以得到弹塑性弯曲的弯矩 1 崔甫给出的圆形断丽的理想金属材料的弯矩 m 肠耠势g 严十壶一q 撸t 式中 弹性极限弯矩蚴 艘 以 4 弹氍比f 置 定 矮中r t 为弹塑性交界处到豳材轴线的距离 根据不同的加载情况 可以确定螽处的弯矩 避而可以确定 的值 得到器处的塑 毪速务枣狻嚣 在藏鍪雅上藿毒分褥7 弯蘧矫壹避淫孛静痤力与废交 夸筵与避率 裁 7 华中科技大学硕士学位论文 量与曲率 以及各种曲率之间的关系 给出了各种力能参数 结构参数和工艺参数的计 算方法 1 马斯基列逊对管材矫直过程中管材的变形 塑性变形深度系数的选择 金属对矫直 辊的压力 管材矫直机的摩擦损耗 矫直辊扭矩等作了理论分析 1 他认为被矫材料是 理想的弹塑性材料 伯努利平面假说适用于弹塑性变形 圆材的弯曲轴线与其中性轴重 合 被矫圆材断面具有正确的圆形 而且整个断面的壁厚均匀 基于这样基本假设条件 他确定了斜辊式管材矫直机计算参数的力法 可以看出这与传统理论分析所做的简化是 类似的 他给出了曲率半径吉 彘 塑性层深度系数 面z o t 纵向应力 嚣三 由这些参数可计算得到内力矩 管材断面向前移动和转动时的变形能量 根据矫直 时外部弯曲力矩与内力矩平衡的原理 就可计算出外部弯曲力矩 1 2 3 3 矫直工艺参数的确定 有了金属材料在矫直过程中的弹塑性力学变形模型 矫直工艺各参量之间的关系 就可针对各种矫直机进行分析 制定工艺参数 对于辊式矫直机而言 工件在矫直机中 的变形量由不同辊组间的相对位置 即压下量或压弯量来控制 压下量决定了工件的塑 性变形程度 基于传统理论的弹塑性模型 由期望的矫直结果参数可以得到压下量的值 文献 钉中对不同场合下压下量的计算做出了分析 宋华等应用弹塑性理论对管材弯曲矫直过程进行了分析 对矫直过程中的各曲率值 进行了定量计算 在保证矫直质量的基础上 提出了确定管轴反弯曲线曲率的方法 崔甫等在大挠度压弯时把弹复挠度与残留挠度分开计算 在计算残留挠度时 将其作为 假想外力作用产生的等效挠度 再将此等效挠度分为弹性挠度与弹塑性挠度使用数值积 分法计算 可获得与实际设定值相近的结果 陈慧敏等针对圆形断面材料 尤其是薄 壁管 在矫直过程中经常出现压扁和压纹现象进行分析 她将矫直过程中圆形断面材料 看成一个连续弯曲的梁 精确地给出了反弯矫直过程中试件的曲率 弯矩 变形能 挠 度以及压扁率与塑性层深度系数的关系 认为试件在矫直机上进行弹塑性弯曲矫直时 塑性层深度系数的选取是矫直得以顺利进行并最终实现矫直的关键 朱美珍等应用能 8 华中科技大学硕士学位论文 量法 给出了压扁压下爨的计算公式 得出压扁压下量随直径增大而增大 随蹙厚增大 而减小的规律 李强根据钢管矫直时的变形规律 通过对矫直巾钢管的力学状态及矫 壹藏矗戆状态参数分辑 建立了一静透于现场痘溺靛确定锈警辩鋈毪变形嚣躺方法 斜辊钢管矫直机的矫直辊 无论熄基于直管还鼹基于弯管设计 都是按浆一基准钢 管半径和基准倾角设计魏 当用基准矫蹇辊矫直非蒸准半径静铡鸷鞋 就产生了7 需要 夏礁溺爱麓阉题 宋华对这个祸题述杼了研究 绘溺了霜基准矫嶷辊矫壹不鞫拳径钢管 时的调角规律 矫直辊举径偏差及矫随后的残留曲率等 与传统的大多基于崴管来设计 辊形不同 蚀考虑到在实际的矫直过穰中 与矫童辘相接触的势 理想的乎麓钢管 两 是呈弹塑能弯益状态酌弯管 据此提出了以弯管为罄准钢管来设计弯管矫直辊辊形 赵炳利等通过对矫直辊辱管材在理想接触条件下接触情况的分析 得出了工程计算矫直 辊辊形的参数方程 为谯数控辊床上鸯羹王矫壹辊缀彩提供了方蠖 劳辗撂接皴理论给逡 了矫直不耐煮径时调整矫直辊的安装角的工程方法 对管材矫直而言 还存在横断面圆度误差的问题 在斜辊式矫赢机中通过调整相对矫 鸯辊藤载鞭褒帮压纛量索溪歪横薮瑟豹嚣度 朱美珍簿以弹塑毪鬻埝荛基毯 获弯麴辑壹 与压扁成形的分离力学模型入手 建立了计算压扁力的独立理论体系 宋华等对弹性极 限压扁力和压扁量进行了分析 应用弹塑性弯曲理论对钢管压扁矫赢过程中的嚣曲率进行 了定量诤棼 提密了旗麓匿瘸羹瓣方法 旁矮壹撬静会瑾爨箨旋供了理论蔹据 鄹 矫直过程中的力能参数的变化是分析矫直过程的重要依据 锟甫以及敖列伟分析了 二辊矫壹的接触应力 1 9 李强对矫擞力的测试和计算进行了分橱 叫 崔港对二辊矮 直力能参数进行了细致舫分拆 5 m u n e k a t s uf u k u g e n 还建立了计算残余应力的矫直变 形理论 绥妻辘辘形蘧线j 雩戆童过程孛懿力与变形毒饕缀大戆彩旗 罐豢鞋及羧戮终骚究了 二辊矫直机的矫直辊设计阮埘 文献 介绍了基 予包络线法的辊型设计理论 刘鹊然分 析了辊型对矫直的影响汹 高洪深绘出了辊型的数学分析啪1 赵炳利分析了辊型对接 艇长度豹影嫡 9 华中科技大学硕士学住论文 上述的种种分析都鼹基于传统矫赢理论 以解析的方法束分析 文献 揣1 3 埘还 将理论分柝的结果与实际设定值进行了对比 它们之间还存在蓉一些差距 隧蕊市场对 产品凄量瓣要求嚣益撼海 绳使久们瓣定更热精确含理鹃工艺参数 提高矮豢矮量 钢管矫直是非常复杂的变形过糕 矫直的工慧参数的制定斑要还依赖予操作人员 的实践经验 依据试骏结果 研究王装参数与钢管巍径 壁厚和树质之f b j 的关系 为优 优瑗钢管黧产工艺撵供一条有效途径 对提毫铜管纷盈靛技术承孚具有重要意义 透过 建立矫直鹰扁过程的有限元模型 将对现有的一些厩扁量的经验公式和计算公式进行评 估 探讨服扁量确定的准确方法 对设计更加合理的矫直辊辊彤及研制瓤型矫直机有重 要律薅 1 2 4 矫直技术的发展越势 蔽撂逡年来鏊疼终辫壹羡零懿不鞭捷裹纛发袋 入纛虿泼瓣裂在娇奁过撩煞交落秘 理方面向精度定量的方向进一步发展 如拉力对矫随的作用 在斜辊矫赢机上压紧力对 矫直的作用 残留应力对矫直尺寸精度的影响等 在娇直范围上向更宽的能满足新产品 窝瑟誊孝瓣翁翳直要求瓣方淘蕤塞 魏薄壁舅鳖誊孝懿矫壹 裹强瘦薄板豢豹液蓬越弯辨塞 高强度易裂及耐热合金钢棒的旋转矫赢 极薄板的行星矫直及轧拉矫直 轴炎零件微量 弯曲的高糟度矫直等 谯改进矫直工装及改进矫盥设备方面 如采用最佳压下方案 采 瑁莲功率羔律翻度 建髹动矮壹役蛰旋转矮蹇 瘸变辊薤矮壹健替定羧琵矮毅等 在过 程控制方丽 由人工控制逐渐向计算机控制 由单机控制向全线计算机控制发展 在矫 直机结构设计方面 芷在向精密化 火型化发展 老设备将逐渐被淘汰或改造 瑗谯矮壹蔹本豹掰 究发震方囱憝拜发砑裁葛效第藐 轰耩发鞠蔫度鑫动能豹环僳墅 娇直设备 既要求有高质量 又要有高矫直速度 在产品上能满足大规模生产的需求 而且还必须降低工作噪声 操作上实现完全自动化 1 1 2 5 钢管辙产工艺简介 现代钢管生产车阊怒一个复杂的正业综合体 疆使车间具有较高的机组擞产效率 溃廷不赣撬蔫斡矮量要求 决定熬蠢褰是选撵合毽鹩翻营工艺 i o 华中科技大学硕士学位论文 由于钢管的形状 尺寸和材料的不同以及对它们的性能要求不同 生产工艺和设备 也有所不同 这主要取决于如何从原料变成毛管一荒管 毛管一荒管如何变成成品管以及 成品管的精整和检查方法 目前在大规模生产中所应用的无缝钢管生产方法有热轧 冷 轧和冷拔 包括温加工 以及挤压等 本文所涉及的生产线采用热连轧方法生产油管 套管和钻杆 热连轧钢管生产有以下一些基本工序 坯料准备 坯料加热 获得空心毛管 毛管 加热 获得中间尺寸钢管 通过连轧管机轧成荒管 荒管加热 钢管精整 获得最终尺 寸和性能符合要求的成品钢管 连轧管机的轧制有两种方式 一种是芯棒随同钢管自由 浮动的方式 称为全浮动芯棒连轧管机 另一种是芯棒速度可控制的方式 称为半浮动 或限动芯棒连轧管机 热连轧钢管生产工艺流程如下图1 5 所示 卜坯料加热 2 一定心 3 f p 4 轧穿孔 4 一毛管预热 5 一毛管二次穿孔 6 一毛管轧制 7 一荒管均整 8 一定径 9 一中间荒管加热 1 0 一钢管减径 1 1 一冷床冷却 1 2 一钢管精整矫直 图1 5自动轧管机组的工艺流程 钢管的精整工序是钢管生产的最后一个阶段 主要包括有 切头和切成定尺 矫直 吹刷管子内表面 去除耳子和倒棱 修理内外表面等 注 也有先矫直后切头及定尺的 其中钢管矫直部分就是本文所研究的内容 华中科技大学硕士学位论文 1 2 6 钢管矫直机的用途 在现代化的钢管轧钢车间的精整工段中都设有矫直机 它是轧管生产中最后一道工 序 是保证产品质量的一种重要的辅助设备 由于轧制出的管材的主要缺陷是纵向弯 曲以及横断面的椭圆度 不论在平直度和几何形状方面都不能保证产品的质量要求 必 须经过矫直机才能把在轧制 冷却 运输过程中造成的不平直性和几何形状的不规则性 进行矫直 使之达到国家标准 1 造成上述缺陷的主要因素是 1 轧材加热不均匀 材料性能不均匀 孔型调整不准确等都是使轧件产生弯曲 的主要原因 2 热状态下的轧件钢管在辊道上停留过久 也会由于自重引起弯曲 3 在热状态下运送轧件钢管 进行锯切等操作 也会使轧件弯曲 因此 从工艺的角度消除使轧件钢管产生挠曲和飘曲比较困难 所以必须有一套专 门的机械设备 将已经产生挠曲和瓢曲的轧件钢管进行矫直 使其不平直度和圆度被限 制在国家标准的规定范围之内 以提高产品的质量 矫直机就是用于这一目的的一类机 械设备 要使轧件钢管的挠曲和飘曲以及几何形状的不规则性得到矫正 显然在矫直过程中 必须使轧件钢管产生一定程度的塑性变形 否则 矫完的钢管又将弹性恢复到原来的挠 曲和瓢曲形状 达不到矫正的目的 所以 轧件的矫正过程是一个弹塑性变形的过程 矫直机矫直的原理是利用多次的弹塑性纵向弯曲或拉伸来校正管材和捧材的纵向弯曲 用弹塑性扭转来纠正扭曲的管材 有时要将拉伸和扭曲联合起来对管材进行矫直 矫直机可以安装在轧管车间的精整工段 也可以单独地安装在专门的热处理精整车 间内 矫直机作为一类重要的机械设备 己被广泛地应用于冶金工业 机械工业等行业 中 1 2 7 钢管矫直机的类型 根据使轧件钢管产生弹塑性变形方式的不同 常见的管材矫直机一般分为压力矫直 机 链式矫直机 平行辊式矫直机 斜辊式矫直机 转毂式矫直机以及扭转一拉伸式矫 直机 华中科技大学硕士学位论文 1 压力矫直机 它是应用反复弹塑性弯曲并逐渐减少压弯挠度方法达到矫直钢管目的的设备 它 的工作原理是将带有原始弯曲的工件支承在工作台的两个活动支点之间用压头对准最 弯部位进行反向压弯的 其主要优点是可以进行有选择地补充矫直 但生产率低 主要 用于对弯曲变形过大的轧件钢管以及钢管两端进行矫直 2 链式矫直机 链式矫直机一般用来矫直热轧管材以及用来防止管材在轧后 焊接或热处理后冷 却过程中的弯曲 3 平行辊式矫直机 平行辊式矫直机可分为花辊式 螺旋辊式及槽型辊式矫直机 其用途相当于链式矫 直机 但它允许管材在矫直过程中有强烈的旋转 它是应用连续性反复弹塑性弯曲进行 矫直轧件钢管的设备 如图卜6 所示 也可以用来矫拉 拨 挤 压等产品的纵弯和横 断面扣曲 主要优点是克服了压力矫直机断续工作的缺点 使矫直效率成倍提高 便于 机械化和自动化的连续性生产 但矫正水平挠曲和细小波纹的娇正质量较差 由于它的 优点是主要的 故在轧钢生产中得到广泛的应用 图1 6 平行辊式矫直机示意图 4 斜辊式矫直机 主要适用于娇直圆形断面的轧件 基本型式有四种 即二辊式 多辊交错式 六辊 式和3 1 3 式 如下图1 7 所示 华中科技大学硕士学位论文 图l 7 斜辊矫直机辊系配置示意图 两辊式矫直机 二辊式矫直机属于高精度矫直设备 结构比较简单 品种比较单纯 辊子斜角调 节范围小 有的二辊矫直机采用换辊制度而不需调斜角 操作容易 但矫直速度低 二 辊式矫直机在技术发达国家都有系列产品出售 在规格上不断向大型化发展 操作上向 1 4 华中科技大学硕士学位论文 自动化发展 多辊交错式矫直机 这种矫直机用来高速娇直符合出厂公差要求的棒材和管材 其两端无法矫直 但 是它们有不用导卫梁的优点 矫正速度可达到3 0 0 m m i n 但通常是以9 0 1 r d m i n 以下的 速度操作 这种矫直机特别适宜于矫直由于应力一应变模数低而需要大挠曲的特殊铝合金棒 材及厚壁管材的矫正 适应性很宽 六辊式矫直机 这种辊系的矫直机上 下辊都是驱动辊 它的两端辊主要起压扁矫直和圆整作用 并有利于工件的咬入 中间辊可以保证较长的塑性弯曲区 使已经压扁矫直部分尚存的 弯曲得到矫直 这种辊系不但能矫直弯曲度 而且成对配置的两个辊子之间产生很大的 压力 可以对管材椭圆度有圆整作用 并且可以借助辊子对管材的弹塑性压扁 达到椭 圆度的矫直以及弯曲度的矫直 特别是薄壁管 使管壁全厚产生塑性变形并不需要很大 的压弯量 能够产生较长的均匀的 接近等曲率 压弯并逐渐过渡变直 这种辊系的矫 直机可以保证良好的表面质量和矫直质量 它可以达到径厚比d 8 5 0 1 满足了薄壁管 的矫直需求 当这种辊系用于矫直棒材时必须增加过载保护装置 现代的六辊矫直机都 采用液压过载保护 这种矫直机是应用最多的一类矫直机 其速度可达3 0 0 m m i n 但通常以1 2 0 m m i n 以下的速度操作 用来矫直管材 薄壁管 石油套管和石油钻杆效果很好 有时可用来 矫直棒材 这种辊系的矫直机对工件的两端矫直效果不是很理想 而且这种辊系在矫直 棒材时压扁矫直作用已不可能 圆整作用也很难发挥 3 1 3 式矫直机 这种矫直机的特点是咬入条件好 工作稳定 圆整性好 矫正鹅头弯的效果好 驱动辊两个 使传动得到简化 所有的调节辊都不驱动 使调节方便 通常用于矫正管 材 而且不需要采用导卫梁 适宜于矫正直径范围大的管材 上述各类矫直机的工作原理基本相同 即轧件在垂直于横断而的各个平面上发生 弯曲 实现轧件 面旋转 一面前进 实现轧件纵向弯曲和垂直于横断面的椭圆度的矫 华中科技大学硕士学位论文 正 5 转毂式矫直机 转毂式矫直机如下图1 8 所示 属于一类小型矫直机 历史悠久 结构简单 制 造容易 用于辅助性生产 转毂式矫直机用于高精度的矫直 即消除在矫直过程中管材 不能绕本身轴线回转情况下的管材横断面的椭圆度 例如处理成卷的管材 用转毂的旋 转代替圆材的旋转 孔模内交错布置使轧件在前进中要经受多次的反弯 斜辊式的转毂 矫直机的原理也是一样的 各有其优缺点 除上述两种型式外 还有其它种类 转毂式 矫直机在国内得到很好的应用 在技术发达国家则应用更广泛 已经系列化 卜选料辊2 一转毂3 一孔模4 一拉料辊 图1 8 孔模式转毂矫直机示意图 6 扭转一拉伸式矫直机 扭转一拉伸式矫直机一般用来消除非圆管材在轧制过程中产生的扭曲变形 如果这 些管材在沿其长度方向由相同的截面 则在扭转一拉伸矫直机上 可以借助拉伸进行纵 向矫直 另外 还有一些用于特殊用途的娇直法 如振动娇直法用于薄壁异型管材的矫直 变断面管件材料的矫直等 1 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要研究内容 本论文主要研究内容如下 1 查阅国内外相关的文献资料 了解当前这一领域的发展状况与趋势 2 简单介绍矫直技术的基本方法和原理 以及矫直变形理论的研究及发展 3 简单介绍钢管生产工艺以及矫直机的用途 类型等 4 从介绍j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机的整机结构入手 系统的阐述了j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机的结构及其工作原理 有针对性的讲述各部件的原理 特点和性能 并结和该设备用户的反馈信息 提出了一些建设性的改进意见 1 7 华中科技大学硕士学位论文 2 j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机的机械设计 j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机是中信重机公司2 0 0 2 年中标并承接设计和制造的项目 主要用来对热处理 定径后的钢管进行矫直处理 应用户的要求 该矫直机应具备矫直 石油套管和石油钻杆的能力 本章从论述j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机机械部分的结构 工作原理及选型计算入手 来展开对该设备的设计与研究 2 1 矫直机相关技术参数简述 2 1 1 被矫直钢管的技术参数 钢管规格 外径0 4 8 3 曲1 6 8 3 1 7 7 8 m m 壁厚3 6 8 2 2 2 3m m 长度6 0 0 0 1 4 0 0 0m m 钢管品种 按a p i 标准生产的石油套管 油管 管线管及石油钻杆 代表钢种 低合金钢 合金钢 2 1 2 矫直工艺要求 矫直前工件状态 钢管直径公差 1 5 钢管弯曲度管体 2 0 m m m 管端 3 0 m m m 全长 1 0 0 m m 矫直温度室温一5 5 0 最大屈服强度 os m a x 1 1 0 0 m p a 矫直后工件状态 钢管直径公差 o 4 5 钢管弯曲度管体 0 7 m m m 管端 i m m m 表面质量表面无凹痕和损伤 2 1 3 矫直机主要技术参数 矫直速度 0 2 5 2 i t l s 无级调速 1 8 华中科技大学硕士学位论文 最大矫直力 2 2 8 0 k n 矫直辊辊距 9 5 0 m m 矫直辊安装角 3 4 0 调整范围3 2 0 一3 6 钢管直径q b 4 s 3 时对应矫直辊调整角3 2 3 0 钢管直径击1 7 7 8 时对应矫直辊调整角3 62 0 矫直机传动安全联轴器扭矩设定值 5 0 0 n n l 矫直辊退让行程 2 5 m m 矫直辊喉径 辊长 q b 4 2 0 5 5 0 m m 矫直辊报废最小喉径 巾3 9 0 m m 上矫直辊的升降调整方式 电动驱动调整 上矫直辊的升降调整精度 o 1 m m 下中矫直辊的升降调整方式 液压马达驱动调整 下中矫直辊的升降调整精度 0 1 m m 上下矫直辊的角度调整方式 电动驱动调整 上下矫直辊的角度调整精度 0 3 0 上下矫直辊的转速可独立调整 矫直辊驱动电机功率2 x 1 6 0 k wd c 矫直机机架单根立柱预紧力 3 5 0 0 k n 矫直机液压系统 液压站 机组最大工作流量4 0 0 l m i n 机组工作压力1 6 m p a 最大压力2 0 m p a 传动装置齿轮箱传动油冷却用水 1 0 0 l m i n 水温 3 0 压力 o 1 m p a 净环水 液压站油箱冷却用水 1 0 0 l m i n 水温 3 0 c 压力 01 m p a 净环水 矫直辊冷却用水量 1 0 0 l m i n 水温 3 0 压力 0 1 m p a 浊环水 大修时起吊最大件重量 9 5 吨 上机架 1 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 矫直机性能及结构概述 j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机是本论文作者在德国m e e r 公司六辊八立柱矫直机的基 础上设计开发的 结构形式为八立柱立式六辊管材斜辊式矫直机 它是专为矫直高强度 热处理钢管和石油套管 钻杆而设计制造的 对钢管在轧制及热处理过程中所产生的弯 曲和圆度变形具有显著的矫直效果 并具有矫直管端加厚管的功能 该设备主要包括 机架装置 矫直机传动装置 上辊调整装置 下辊调整装置 辊子装置 矫直辊调角装 置 换辊装置 干油润滑系统 液压系统和电气控制系统等 j g l r 1 6 8 六辊管材矫直 机结构示意图如下图2 1 所示 该设备具有以下主要特点 1 针对石油套管和钻杆 矫直机辊系配置采用2 2 2 对称辊系和位置精确的八立 柱高刚度机架 上 下矫直辊独立驱动 2 采用合理的辊型包络曲线 可以满足q b 4 83 曲1 7 78 m m 范围钢管的矫直 并 大大延长矫直辊的使用寿命 3 专有的上三辊和下中辊液压独立退让保护结构 具有浮动矫直和避免钢管压 扁及误操作以保护设备的功能 有利于矫直高强度的锯切定尺管和管端加厚管 采 用专有技术的保护油缸 改善了滑座的受力状况 消除了传统结构形式因辊子频繁 退让与压下对滑座所产生的疲劳损坏 4 矫直辊辊缝和角度采用控制元件半闭环调整 全线由p l c 控制 实现了全自 动化生产 5 矫直辊快速定位 缩短了传统方式的换辊调整时间 矫直辊中心定位精度 0 1 5 m m 6 下辊系统采用有效的排水 排渣措施和防尘 防水和防锈结构 保证了设备 的可靠运行 7 下中辊的升降采用液压马达驱动 解决了以前用电机驱动需防水的问题 具 有导向定位的滑座结构是下中辊的退让动作平稳可靠 维护方便 8 矫直机传动系统采用硬齿面联合齿轮箱 其输出 输入轴采用可靠的防漏油 结构 并配有方便更换的快速恢复式安全联轴器 采用直流电机 全数字直流调速 华中科技大学硕士学位论文 装置 矫直速度无级可调 满足多种工艺要求 9 设计的换辊装置 解决了传统方式换辊费力 时间长的缺陷 卜主传动 左 2 安全联轴器3 一万向联轴器4 一下矫直辊接轴 5 一机架装置6 一上辊调整装置7 一下辊调整装置8 一矫直辊装置 9 一上矫直辊接轴1 0 一主传动 右 1 1 一矫直辊调角装置1 2 一换辊装置 图2 1j g l r 1 6 8 六辊管材矫直机结构示意图 2 l 华中科技大学硕士学缘论文 2 3 机架装置 本设冬豹援絮圭上壤絮 下提絮 立桂等缝藏 上 下爨絮遴 蓬 缀立棱鞠联 上 机架为焊接结构 下机槊为铸焊结构 此结构方便制造加工 大大降低了制造成本 上 下机架上的各定位孔和立柱安装孔均为数控一次加正而成 确保了各部件的黻配精度 壤絮为绥羹 橇瓣关键受力馋 辊子舞醛 是度诱整及矮耋辊装鬟熬装在褪絮上 壶桂癸 径定为巾2 0 0 m m 并且外圆镀硬铬处瑷 提高了立棱外表面的耐磨性和防锈能力 避免 了使用过程中生锈问题 上 下机架岛八个立柱的联接通过液压预紧 提高了机架的刚 瘦 秘成了颈应力蔽浆 橇絮熬缝魏零意楚器热下凝2 2 掰示 卜上机架2 立柱3 下机架4 一锁紧螺母5 一螺纹防护罩 图2 2 矫直机机架装覆示意图 华中科技大学硕士学位论文 2 4 矫直机传动装置 矫直机的传动装置包括左 右传动系统 两个系统只是安装方向不同 由两台1