CN112371768B - 一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，分为立柱套和预紧立柱两部分，立柱套上端通过隔套与上横梁定位，下端直接插入下横梁中定位，预紧立柱通过嵌入传感器垫圈定位于上横梁和下横梁，连接预紧立柱与锁紧螺母，并使用螺栓预紧器和嵌入传感器垫圈对每根预紧立柱进行预紧，下横梁与底座螺栓连接后固定在设备基础上。嵌入传感器垫圈的载荷输出经过信号调理、数据采集、数据处理等步骤传输给上辊升降装置，上辊升降装置再根据每根机架立柱的预紧载荷以及实时检测的预紧载荷来完成辊缝值的精确设定。本发明专利对不同位置立柱施加不同预紧力且对辊缝实现精确设定，有效提高了矫直质量，降低了设备重心，增加了设备稳定性。

Description

一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机

技术领域

本发明属于钢管矫直机械技术领域，具体涉及一种机架立柱预紧力可实时检测的钢管矫直机。

背景技术

钢管的直径确定后，需要对钢管进行矫直，以保证其直线度符合国家标准，因此，矫直是钢管投入市场前必不可少的一道工序。目前，国际上通用的钢管矫直机为工作辊2-2-2对称布置形式。矫直辊在驱动电机和传动装置带动下旋转，同时，钢管在夹送装置带动下导入矫直辊辊缝中；在摩擦力作用下，钢管沿着辊缝旋转前进，待钢管完全穿过矫直机后，完成整个矫直过程。

当前常用的2-2-2型钢管矫直机的机架为八立柱对称形式。该结构中机架的上横梁、下横梁通过实心立柱和锁紧螺母进行连接，并且连接后要使用螺栓预紧器进行预紧；下横梁与底座螺栓连接后固定在设备基础上；垫圈主要用于调整立柱与上横梁、下横梁之间的接触间隙。在该结构中，立柱为实心结构，当矫直机矫直钢管时，立柱承受拉伸力。立柱的B段和C段由于装配时通过螺栓预紧器进行了预紧，不会产生拉伸，立柱的A段装配时螺栓预紧器无法对其进行预紧，所以会产生拉伸量，该拉伸量的存在会影响辊缝初始设定值，进而影响钢管矫直机的工作效果。

由于同种材质的管材矫直过程中，每对矫直辊的压下量、接触区长度以及反弯程度各不相同，导致每对矫直辊承受的矫直力不同，最终传递到机架每根立柱上面的拉伸力也就不一样。因此，对每根立柱都施加完全相同的预紧力，显然是不合适的。矫直同规格不同材质钢管时，辊缝调节时均未考虑机架立柱上拉伸力的差异，更不用说辊缝的补偿。因此，传统2-2-2型钢管矫直机的辊缝设定不精确，影响钢管最终矫直质量。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，以有效地克服现有技术存在的缺点，保证矫直钢管时机架的稳定性，实现辊缝的精确设定，获得更好的矫直效果。

本发明专利是这样实现的：一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，它包括电机1、传动装置2、前套筒机构3、上辊调角装置4、机架5、上辊升降装置6、液压快开装置70、辊系8、下辊升降装置9以及下辊调角装置10；其中传动装置2包括联轴器21、减速箱22、万向节23和传动轴24，主要将电机1的动力传送给辊系8；前套筒机构3主要引导管材进入矫直辊辊缝，同时防止管材甩尾；上辊调角装置4设置于机架顶端，保证上矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35° 范围内可调；下辊调角装置10保证下矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35范围内可调。

所述上辊升降装置6包括升降电机61、编码器62、上升降横梁63、上辊平衡锁紧机构64、压下丝杠（未画出）和压下丝母（未画出）；主要作用是根据待矫管材直径，调节矫直辊间的辊缝大小，同时，使管材在矫直时形成反弯状态。本技术方案中上辊升降装置6根据每根预紧立柱512的预紧力以及嵌入传感器垫圈58实时检测的预紧力来保证辊缝值的精确设定。所述平衡锁紧机构64保证上升降横梁63在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系8。

所述液压快开装置7主要是在矫直有接箍头管材或矫直管头管尾时，可迅速将上矫直辊抬起，起到保护矫直辊和防止管头管尾压扁的作用。

所述机架5由螺栓预紧器51、锁紧螺母52、嵌入传感器垫圈58、上横梁54、隔套510、立柱套511、预紧立柱512、下横梁56和底座57组成；其中，传统机架立柱被分为立柱套511和预紧立柱512两部分，两者采用小间隙过渡配合，隔套510与上横梁54采用小间隙过渡配合。嵌入传感器垫圈58可对预紧立柱512的预紧力进行实时检测。所述机架5的装配关系为：首先，立柱套511上端通过隔套510与上横梁54定位，下端直接插入下横梁56中定位，预紧立柱512通过嵌入传感器垫圈8定位于上横梁4和下横梁56。然后，连接预紧立柱512与锁紧螺母52，并使用螺栓预紧器51和嵌入传感器垫圈58对每根预紧立柱512进行预紧。最后，下横梁56与底座57螺栓连接后固定在设备基础上。

所述嵌入传感器垫圈58包括垫圈本体581、弹性填充物582、压电元件583、抗磨垫片584以及引线接口586，其中所述弹性填充物582一侧开有引线孔585，以便容纳压电元件的引线587。

所述嵌入传感器垫圈58的工作原理为：锁紧螺母52在螺栓预紧器51的作用下，给嵌入传感器垫圈58上端面施加一个预紧载荷F ₀ ；矫直时，矫直辊上载荷通过液压快开装置7、上辊升降装置6和上横梁54传递给嵌入传感器垫圈58的下端面，使作用在嵌入传感器垫圈58上面载荷输出F _S增加，即F _S= F ₀+F _L，其中，F _L为矫直辊上载荷在预紧立柱512上的预紧载荷变化分量。所述嵌入传感器垫圈58的载荷输出F_S经过信号调理、数据采集、数据处理步骤，最后显示出来，并将存储在特定位置。

所述辊系8由单向反弯曲线深凹辊、单向反弯曲线浅辊和无反弯双曲线辊组合而成。

所述下辊升降装置9包括下升降横梁91、升降缸92和下辊平衡锁紧机构93。主要作用是根据待矫管材直径，调节矫直辊间的辊缝大小，同时，使管材在矫直时形成反弯状态。所述平衡锁紧机构93保证下升降横梁91在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系8。

考虑到矫直机其余部件的变形，一般选取立柱12的预紧载荷F ₀为矫直机工作时产生的最大拉伸力1.2~1.5倍，因此，单根立柱12预紧载荷F ₀由下式确定：

No.1_f、1_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·F ₁

No.2_f、2_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·(F ₁+ F ₂)

No.3_f、3_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·(F ₂+ F ₃)

No.4_f、4_b预紧立柱：F ₀=(0.3~0.375)·F ₃

式中，F ₁、F ₂、F ₃分别为入口辊、中间辊和出口辊上的最大载荷。

被矫钢管的材质发生变化时，控制系统先读取嵌入传感器垫圈的载荷输出F _S，再根据公式F _L= F _S-F ₀得到预紧立柱的预紧载荷变化量，即矫直辊上载荷在预紧立柱上的预紧载荷变化分量。最后，将预紧载荷变化量F _L代入辊缝补偿量估算公式，求得辊缝设定值的补偿量。系统给上辊升降装置发出调节指令，对辊缝设定值进行自动补偿，以保证不同材质钢管矫直时辊缝设定值的精确。所述辊缝补偿量估算公式为

式中，L ₀为预紧立柱原始长度，mm；

F _L为矫直辊上载荷在预紧立柱上的预紧载荷变化分量，N；

R为预紧立柱截面半径，mm；

E为预紧立柱的弹性模量，MPa；

Δ为钢管材质改变压扁量设定的偏差值，mm。

本发明的有益效果是：采用预应力结构后，在机架装配后对机架立柱预紧时，由于螺栓预紧器对预紧立柱的全长进行了拉伸预紧，所以在矫直工作时，预紧立柱承受的拉伸力只要不大于其预紧力，立柱就不会产生拉伸量，可以有效的保证钢管矫直机的工作效果；根据不同机架立柱的受力差异施加不同大小的预紧力，保证上下横梁在矫直过程中均匀受力以及辊缝的一致性；同时，通过在垫圈嵌入传感器来实时检测预紧力，保证钢管材质改变后辊缝的精确设定，有效提高矫直质量；采用预应力结构后，螺栓预紧器只需通过预紧立柱的上部螺纹就可以对其进行预紧，而其下部嵌入底座的螺纹不必预留出螺栓预紧器使用的操作空间，可以有效的降低底座的高度，从而也降低了设备重心，增加了设备的稳定性。

附图说明

图1为本发明钢管矫直机简图；

图2是本发明钢管矫直机剖面图；

图3为本发明专利的机架简图；

图4为本发明专利的机架独立图；

图5为本发明传动装置示意图；

图6为垫圈的结构示意图；

图7为垫圈的工作原理图；

图8为本发明中立柱预紧载荷计算图；

图中：1、电机；2、传动装置；21、联轴器；22、减速箱；23、万向节；24、传动轴；3、前套筒机构；4、上辊调角装置；5、机架；51、螺栓预紧器；52、锁紧螺母；54、上横梁；56、下横梁；57、底座；58、嵌入传感器垫圈；581、垫圈本体；582、弹性填充物；583、压电元件；584、抗磨垫片；585、引线孔；586、引线接口；587、引线；510、隔套；511、立柱套；512、预紧立柱；6、上辊升降装置；61、升降电机；62、编码器；63、上升降横梁；64、上辊平衡锁紧机构；

7、液压快开装置；8、辊系；9、下辊升降装置；91、下升降横梁；92、升降缸；93、下辊平衡锁紧机构；10、下辊调角装置。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、特征和优点能够更清楚表达，下面结合附图对本发明专利的具体实施方式做详细说明。

如图1-4所示，一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，它包括电机1、传动装置2、前套筒机构3、上辊调角装置4、机架5、上辊升降装置6、液压快开装置7、辊系8、下辊升降装置9以及下辊调角装置10；如图5，传动装置2包括联轴器21、减速箱22、万向节23和传动轴24，主要将电机1的动力传送给辊系8；前套筒机构3主要引导管材进入矫直辊辊缝，同时防止管材甩尾；上辊调角装置4保证上矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35°范围内可调；如图3、4所示，机架5由螺栓预紧器51、锁紧螺母52、嵌入传感器垫圈58、上横梁54、隔套510、立柱套511、预紧立柱512、下横梁56和底座57组成，如图3所示。其中，传统机架立柱被分为立柱套511和预紧立柱512两部分，两者采用小间隙过渡配合，隔套510与上横梁54采用小间隙过渡配合。嵌入传感器垫圈58可对预紧立柱（512）的预紧力进行实时检测。机架5的装配关系为：首先，立柱套511上端通过隔套510与上横梁54定位，下端直接插入下横梁56中定位，预紧立柱512通过嵌入传感器垫圈58定位于上横梁54和下横梁56。然后，连接预紧立柱512与锁紧螺母52，并使用螺栓预紧器51和嵌入传感器垫圈58对每根预紧立柱512进行预紧。最后，下横梁56与底座57螺栓连接后固定在设备基础上。上辊升降装置6包括升降电机61、编码器62、上升降横梁63、上辊平衡锁紧机构64、压下丝杠（未画出）和压下丝母（未画出）；主要作用是根据待矫管材直径，调节矫直辊间的辊缝大小，同时，使管材在矫直时形成反弯状态。本技术方案中上辊升降装置6根据每根预紧立柱512的预紧力以及嵌入传感器垫圈58实时检测的预紧力来保证辊缝值的精确设定。所述平衡锁紧机构64保证上升降横梁63在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系8。液压快开装置7主要是在矫直有接箍头管材或矫直管头管尾时，可迅速将上矫直辊抬起，起到保护矫直辊和防止管头管尾压扁的作用。辊系8由单向反弯曲线深凹辊、单向反弯曲线浅辊和无反弯双曲线辊组合而成。下辊升降装置9包括下升降横梁91、升降缸92和下辊平衡锁紧机构93；主要作用是根据待矫管材直径，调节矫直辊间的辊缝大小，同时，使管材在矫直时形成反弯状态。所述平衡锁紧机构93保证下升降横梁91在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系8。下辊调角装置10保证下矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35°范围内可调。

如图6、7所示，嵌入传感器垫圈58包括垫圈本体581、弹性填充物582、压电元件583、抗磨垫片584以及引线接口586，其中所述弹性填充物582一侧开有引线孔585，以便容纳压电元件的引线587；嵌入传感器垫圈58的工作原理为：锁紧螺母52在螺栓预紧器51的作用下，给嵌入传感器垫圈58上端面施加一个预紧载荷F₀；矫直时，矫直辊上载荷通过液压快开装置7、上辊升降装置6和上横梁54传递给嵌入传感器垫圈58的下端面，使作用在嵌入传感器垫圈58上面载荷输出F_S增加，即F_S= F₀+F_L，其中，F_L为矫直辊上载荷在预紧立柱512上的预紧载荷变化分量。所述嵌入传感器垫圈58的载荷输出FS经过信号调理、数据采集、数据处理等步骤，最后显示出来，并将存储在特定位置。

考虑到矫直机其余部件的变形，一般选取立柱的预紧载荷F₀为矫直机工作时产生的最大拉伸力1.2~1.5倍，因此，单根立柱预紧载荷F₀由下式确定，如图8所示：

No.1f、1b预紧立柱：F₀ =(0.3~0.375)·F₁

No.2f、2b预紧立柱：F₀ =(0.3~0.375)·(F₁+ F₂)

No.3f、3b预紧立柱：F₀ =(0.3~0.375)·(F₂+ F₃)

No.4f、4b预紧立柱：F₀=(0.3~0.375)·F₃

式中，F₁、F₂、F₃分别为入口辊、中间辊和出口辊上的最大载荷。

被矫钢管的材质发生变化时，控制系统先读取嵌入传感器垫圈的载荷输出F_S，再根据公式F_L=F_S-F₀得到预紧立柱的预紧载荷变化量，即矫直辊上载荷在预紧立柱上的预紧载荷变化分量。最后，将预紧载荷变化量F_L代入辊缝补偿量估算公式，求得辊缝设定值的补偿量。系统给上辊升降装置发出调节指令，对辊缝设定值进行补偿，以保证不同材质钢管矫直时辊缝设定值的精确。所述辊缝补偿量估算公式为

式中，L₀为预紧立柱512原始长度，mm；

F_L为矫直辊上载荷在预紧立柱512上的预紧载荷变化分量，N；

R为预紧立柱512截面半径，mm；

E为预紧立柱512的弹性模量，MPa；

Δ为钢管材质改变压扁量设定的偏差值，mm。

需要进一步说明的是，本发明实例提供的所述一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机不局限于具体尺寸、结构形式，可以根据理论研究和实际生产需要进行改变。以上所述，仅是本发明的一个实例而已，不是对本发明作任何限制。任何熟悉本领域的技术人员，可以根据上述原理和思想，对本发明进行修改产生等效实例；因此，任何未脱离本发明所采用的原理和技术方案的结构，均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，包括电机（1）、传动装置（2）、前套筒机构（3）、上辊调角装置（4）、机架（5）、上辊升降装置（6）、液压快开装置（7）、辊系（8）、下辊升降装置（9）以及下辊调角装置（10）；其特征在于：传动装置（2）包括联轴器（21）、减速箱（22）、万向节（23）和传动轴（24），主要将电机（1）的动力传送给辊系（8）；前套筒机构（3）主要引导管材进入矫直辊辊缝，同时防止管材甩尾；上辊调角装置（4）设置于机架顶端，保证上矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35°范围内可调；下辊调角装置（10）保证下矫直辊轴线与轧制线的夹角在25°~35°范围内可调；

所述机架（5）由螺栓预紧器（51）、锁紧螺母（52）、嵌入传感器垫圈（58）、上横梁（54）、隔套（510）、立柱套（511）、预紧立柱（512）、下横梁（56）和底座（57）组成，其中，传统实心立柱被分为立柱套（511）和预紧立柱（512）两部分，两者采用小间隙过渡配合；隔套（510）与上横梁（54）采用小间隙过渡配合；

所述上辊升降装置（6）包括升降电机（61）、编码器（62）、上升降横梁（63）、上辊平衡锁紧机构（64）；所述上辊升降装置（6），根据每根预紧立柱（512）的预应力以及嵌入传感器垫圈（58）实时检测的预紧载荷来保证辊缝值的精确设定；所述平衡锁紧机构（64）保证上升降横梁（63）在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系（8）；

所述液压快开装置（7）连接上矫直辊,控制其抬起；

所述下辊升降装置（9）包括下升降横梁（91）、升降缸（92）和下辊平衡锁紧机构（93）;所述下辊平衡锁紧机构（93）保证下升降横梁（91）在升降过程中的平衡，同时锁紧辊系（8）。

2.根据权利要求1所述的一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，其特征为:所述嵌入传感器垫圈（58）包括垫圈本体（581）、弹性填充物（582）、压电元件（583）、抗磨垫片（584）以及引线接口（586），其中，所述弹性填充物（582）一侧开有引线孔（585），以便容纳压电元件的引线（587）。

3.根据权利要求1所述的一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机,其特征为:所述锁紧螺母（52）在螺栓预紧器（51）的作用下，给嵌入传感器垫圈（58）上端面施加一个预紧载荷F₀；矫直时，矫直辊上载荷通过液压快开装置（7）、上辊升降装置（6）和上横梁（54）传递给嵌入传感器垫圈（58）的下端面，使作用在嵌入传感器垫圈（58）上面载荷输出F_S增加，即F_S= F₀+F_L，其中，F_L为矫直辊上载荷在预紧立柱（512）上的预紧载荷变化分量；所述嵌入传感器垫圈（58）的载荷输出F_S经过信号调理、数据采集、数据处理步骤，最后显示出来，并将存储在特定位置。

4.根据权利要求3所述的一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，其特征为：不同位置预紧立柱（512）上的预紧载荷满足以下关系式:

No.1_f、1_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·F ₁

No.2_f、2_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·(F ₁+ F ₂)

No.3_f、3_b预紧立柱：F ₀ =(0.3~0.375)·(F ₂+ F ₃)

No.4_f、4_b预紧立柱：F ₀=(0.3~0.375)·F ₃

式中，F ₁、F ₂、F ₃分别为入口辊、中间辊和出口辊上的最大载荷。

5.根据权利要求4所述的一种机架立柱预紧力可测的钢管矫直机，其特征为：被矫钢管的材质发生变化时，控制系统先读取嵌入传感器垫圈的载荷输出F _S，再根据公式F _L=F _S-F ₀得到矫直辊上载荷在预紧立柱的预紧载荷变化分量F _L，将预紧载荷变化量F _L代入辊缝补偿量估算公式，求得辊缝设定值的补偿量，最后，控制系统给上辊升降装置发出调节指令，对辊缝设定值进行补偿，以保证不同材质钢管矫直时辊缝设定值的精确,上辊升降装置按下式对辊缝设定进行补偿：

式中，L ₀为预紧立柱（512）原始长度，mm；

F _L为矫直辊上载荷在预紧立柱（512）上的预紧载荷变化分量，N；

R为预紧立柱（512）截面半径，mm；

E为预紧立柱（512）的弹性模量，MPa；

Δ为钢管材质改变压扁量设定的偏差值，mm。

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