一种顶管机孔型设计方法与流程

本发明属于冶金技术领域，涉及无缝钢管生产技术，特别涉及一种顶管机孔型设计方法。

背景技术：

随着近些年无缝钢管生产技术的飞速发展，无缝钢管产品的生产能力大大提高，无缝钢管产品(除少数特殊品种外)供应处于过饱和状态，原有产品的利润水平大打折扣，许多无缝钢管企业处在微利或亏损状态生产，因此，无缝钢管生产技术发展到今天，人们遇到了产品质量、生产技术与销售价格及生产成本的极大挑战。如何在激烈的市场竞争中求得生存和发展，已成为企业生产发展共同关心的问题。投资省、运行成本低、产品质量好、生产效率高的cpe生产技术逐渐显露出其强有力的竞争优势，为生产小规格无缝钢管企业改造升级和新建机组带来新的契机。

cpe机组的核心是顶管机，顶管机是通过传动齿条顶推顶杆，推动缩口后的毛管通过多架轧机延伸，实现减径和减壁。具有延伸系数大，产品精度高，品种规格更换灵活等特点。

顶管机的孔型参数是影响钢管产品质量的关键工艺因素，孔型参数的合理设计尤其重要。生产企业通常由工艺人员根据经验进行孔型设计，不仅增加人工成本，更为糟糕的是生产过程受人工主观因素影响较大，人员的变动及调整都会给生产带来影响。

现有顶管机孔型设计通常由工艺人员根据经验公式进行设计。工艺人员根据经验选取平均延伸系数来确定机架数量，然后分配各架延伸系数，再计算孔型平均直径，之后利用经验公式计算各架椭圆度，接着利用经验公式计算孔型修正系数，之后计算孔型长半轴、短半轴，最后校核孔型面积。

但是采用经验公式直接进行孔型参数的计算，所设计的孔型面积与期望孔型面积不能保证一致。并且孔型设计受人工主观因素影响较大，人员的变动及不同经验参数的选取都会给孔型设计结果带来影响。

钢管连轧管机在机架数量和各架延伸系数确定的情况下，也可以采用算法进行孔型设计。

可是该方法只适合于钢管连轧管机，不适用于顶管机，顶管机的机架数量和各架延伸率随着生产规格的变化而变化，需要特定的算法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种顶管机孔型设计方法，能够保证设计孔型面积与期望孔型面积的一致性。

为达到上述目的，本发明提出一种顶管机孔型设计方法，其中，所述顶管机孔型设置方法包括：

步骤1，设定入口毛管外径dm、入口毛管壁厚wtm、出口荒管外径dh、出口荒管壁厚wth及孔型实际面积与期望面积的偏差极限值△s的数值；

步骤2，计算总延伸系数λt，总延伸系数λt＝(dm-wtm)×wtm/[(dh-wth)×wth]；并计算机架数量n和各机架的延伸系数λ(i)，其中i为机架序号；

步骤3，计算各机架的钢管理论出口截面积f(i)和各机架孔型期望面积fp(i)；

步骤4，给首个机架的孔型短半轴b(i)赋初值，并计算各机架的孔型短半轴b(i)和孔型长半轴a(i)，然后计算各机架的孔型实际面积fp_c(i)；

步骤5，通过比较各机架的|fp(i)-fp_c(i)|与△s，确定各机架实际的孔型长半轴a(i)和各机架实际的孔型短半轴b(i)。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤5中，若|fp(i)-fp_c(i)|≤△s，则孔型长半轴a(i)、孔型短半轴b(i)即所需的孔型参数。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤5中，若|fp(i)-fp_c(i)|>△s，并使b(i)以调整步长△a逐渐减小，直到满足|fp(i)-fp_c(i)|≤△s为止。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，所述调整步长△a为0.05mm。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，所述孔型实际面积与期望面积的偏差极限值△s为10mm²。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤2中，根据各架延伸系数的分配原则计算机架数量n和各机架的延伸系数λ(i)，各架延伸系数的分配原则如下：

首个机架延伸系数为1.05，前四个机架延伸系数逐渐升高，倒数四个机架延伸系数逐渐降低，末个机架延伸系数为10.01～10.3，中间机架延伸系数为定值1.25。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤3中，各机架钢管理论出口截面积f(i)＝f(i-1)/λ(i)。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤3中，通过各机架充满度f(i)计算各机架孔型期望面积，各机架孔型期望面积fp(i)＝f(i)/f(i)。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，在步骤4中，第一个机架的短半轴b(i)的初值为dm/2；其它机架的短半轴b(i)的初值为a(i-1)/2。

如上所述的顶管机孔型设计方法，其中，最后两个机架的孔型椭圆度为1.02。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明提出的顶管机孔型设计方法，能够根据输入设定数据，进行顶管机机架数量的确定和各架延伸率的分配；并且针对顶管机生产过程中钢管的变形特性和原理，采用迭代逼近法准确计算各架孔型参数，保证设计孔型面积与期望孔型面积的一致性。

本发明提出的顶管机孔型设计方法，其孔型设计过程简单、快捷，对工艺人员的生产经验要求不高，使生产过程规范化、标准化。

本发明提出的顶管机孔型设计方法，孔型设计参数合理、可靠，能够保证产品质量，减少不合格品，生产运行既高效又经济。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中孔型设计计算流程图。

图2为本发明的孔型示意图。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

如图1、图2所示，本发明提出一种顶管机孔型设计方法，该顶管机孔型设置方法包括：

步骤1，设定入口毛管外径dm、入口毛管壁厚wtm、出口荒管外径dh、出口荒管壁厚wth以及孔型实际面积与期望面积偏差极限值△s的数值；

步骤2，计算总延伸系数λt，总延伸系数λt＝(dm-wtm)×wtm/[(dh-wth)×wth]；并计算机架数量n和各机架的延伸系数λ(i)，其中i为机架序号；

步骤3，计算各机架的钢管理论出口截面积f(i)和各机架孔型期望面积fp(i)；

步骤4，给首个机架的孔型短半轴b(i)赋初值，并计算各机架的孔型短半轴b(i)和孔型长半轴a(i)，然后计算各机架的孔型实际面积fp_c(i)；

步骤5，通过比较各机架的|fp(i)-fp_c(i)|与△s，确定各机架实际的孔型长半轴a(i)和各机架实际的孔型短半轴b(i)。

本发明提出的顶管机孔型设计方法，能够根据输入设定数据，进行顶管机机架数量的确定和各架延伸率的分配；并且针对顶管机生产过程中钢管的变形特性和原理，采用迭代逼近法准确计算各架孔型参数，保证设计孔型面积与期望孔型面积的一致性。

本发明提出的顶管机孔型设计方法，其孔型设计过程简单、快捷，对工艺人员的生产经验要求不高，使生产过程规范化、标准化。

本发明提出的顶管机孔型设计方法，孔型设计参数合理、可靠，能够保证产品质量，减少不合格品，生产运行既高效又经济。

需要说明的是，在本发明中，顶管机是一种生产无缝钢管的设备，通过传动齿条顶推顶杆，推动缩口后的毛管通过多架轧机延伸，实现减径和减壁。具有延伸系数大，产品精度高，品种规格更换灵活等特点。其中，如图2所示，孔型的短半轴是指孔型槽底处与孔型中心的距离，孔型的长半轴是指孔型开口处与孔型中心的距离。

在本发明一个可选的例子中，总延伸系数λt＝(dm-wtm)×wtm/[(dh-wth)×wth]，并根据各架延伸系数的分配原则计算机架数量n和各机架的延伸系数λ(i)。

具体的，各架延伸系数的分配原则如下：

首个机架延伸系数λ(1)为1.05，前四个机架延伸系数逐渐升高，倒数四个机架延伸系数逐渐降低，末个机架延伸系数λ(n)为10.01～10.3，中间机架延伸系数为定值1.25。

根据上述各架延伸系数的分配原则，可以确定达到总延伸系数λt所需的机架数量n以及各机架的延伸系数λ(i)。

在本发明一个可选的例子中，在步骤3中，各机架钢管理论出口截面积f(i)＝f(i-1)/λ(i)。

在本发明一个可选的例子中，在步骤3中，通过各机架充满度f(i)计算各机架孔型期望面积，各机架孔型期望面积fp(i)＝f(i)/f(i)；利用给定的各机架充满度f(i)计算孔型面，各机架充满度f(i)的取值范围为0.97～0.985。

在本发明一个可选的例子中，在步骤4中，第一个机架(首架)的短半轴b(i)的初值为dm/2；其它机架的短半轴b(i)的初值为a(i-1)/2。

在本发明一个可选的例子中，在步骤4中，孔型宽展系数sp的范围为0.15～0.2。上述宽展系数sp的数值范围是通过实验优选获得的。

在本发明一个可选的例子中，孔型实际面积与期望面积的偏差极限值△s为10mm²，短半轴b(i)的调整步长△a为0.05mm。

在本发明一个可选的例子中，最后两个机架的孔型椭圆度为1.02。

在步骤5中，若|fp(i)-fp_c(i)|≤△s，则孔型长半轴a(i)、孔型短半轴b(i)即所需的孔型参数；

在步骤5中，若|fp(i)-fp_c(i)|>△s，则b(i)以调整步长△a的步长逐渐减小，直到满足|fp(i)-fp_c(i)|≤△s为止。

现结合附图1，详细说明本发明提出的顶管机孔型设计方法，具体的：

入口毛管外径dm、入口毛管壁厚wtm、出口荒管外径dh、出口荒管壁厚wth。则总延伸系数λt＝(dm-wtm)×wtm/[(dh-wth)×wth]。

设机架数量为n，根据各架延伸系数分配原则，给定1～4架延伸系数为1.05、1.1、1.15、1.2，初步给定n-3～n架延伸系数为1.19、1.13、1.07、1.01，这8架的总延伸率λ8＝λ(1)×λ(2)×λ(3)×λ(4)×λ(n-3)×λ(n-2)×λ(n-1)×λ(n)，则机架数量n＝8+ceil[log(λt/λ8)/log(1.25)]。

1～4架的延伸系数已经确定，5～n-5架的延伸系数均为1.25，则n-4～n架总的延伸系数为λ5＝λt/λ(1)/λ(2)/λ(3)/λ(4)/(1.25)^n-9，将λ5按照递减的原则分配给n-4～n架即可。

各架钢管截面积f(i)＝f(i-1)/λ(i)，若是第一架，则f(i-1)为入口毛管截面积；

各架孔型期望面积fp(i)＝f(i)/f(i)。

对应1～n-2架，孔型参数采用如下方式计算：

①芯棒热态直径mad＝dh-2×wth；

②令短半轴b(i)＝a(i-1)，若是第一架，则a(i-1)＝dm/2；

③长半轴a(i)＝b(i)+(a(i-1)-b(i))×sp，若是第一架，则a(i-1)＝dm/2；

④孔型椭圆度ov(i)＝a(i)/b(i)；

⑤孔型半径r(i)＝b(i)×(ov(i)2-ov(i)+1)/(2-ov(i))；

⑥孔型圆弧对应的角度α1(i)＝atan{sin(π/3)×a(i)/[r(i)-(b(i)-a(i)/2)]}；

⑦各架孔型实际面积

fp_c(i)＝6×(r(i)²×α1(i)/2-(r(i)-b(i))×cos(π/6)×a(i)/2)-π×(mad/2)²；

⑧若|fp(i)-fp_c(i)|≤△s，则计算完毕。否则令b(i)＝b(i)-△a，重复进行步骤③～⑧，直到满足条件为止。△a应满足△s的精度要求，在此△a＝0.05mm，△s＝10mm²。

具体的，首先比较首个机架|fp(1)-fp_c(1)|与△s；

如果首个机架|fp(1)-fp_c(1)|≤△s，则继续比较第二个机架|fp(2)-fp_c(2)|与△s；

如果第二个机架|fp(2)-fp_c(2)|≤△s，则继续比较第三个机架|fp(3)-fp_c(3)|与△s；

如果第二个机架|fp(2)-fp_c(2)|>△s，则调整第二个机架的孔型短半轴b(2)使其减少调整步长△a(即令新b(2)＝原b(2)-△a)，并根据调整后的孔型短半轴b(2)重新计算第二个机架的孔型长半轴a(2)；

之后，重新比较|fp(2)-fp_c(2)|与△s；

如果第二个机架|fp(2)-fp_c(2)|≤△s，则继续比较第三个机架|fp(3)-fp_c(3)|与△s；

如果第二个机架|fp(2)-fp_c(2)|>△s，则再调整第二个机架的孔型短半轴b(2)使其再减少调整步长△a，直至满足|fp(2)-fp_c(2)|≤△s为止。

第三个机架以及其余机架的短半轴b(i)、长半轴a(i)均利用上述方法确定。

最后两架孔型参数完全相同，采用如下方式计算：b(i)＝dh/2，a(i)＝b(i)×1.02。

各架辊缝值t(i)＝10～20mm。

由上述过程可知，本发明提出的采用迭代逼近法准确计算各架孔型参数，使每个机架的|fp(i)-fp_c(i)|均小于或等于△s，以确保每个机架的计孔型面积与期望孔型面积的一致性。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。