寬厚板冷矯直機(jī)板面除鱗刷輥設(shè)計(jì)分析

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

現(xiàn)代寬厚板冷矯直機(jī)具有矯直速度快、矯直力大，矯平精度高的特點(diǎn)，往往采用多輥數(shù)、小輥徑、大變形的矯直方案。被矯直板材表面氧化皮覆層與板材基體材料的性能存在巨大差異，矯直過(guò)程中板材基體材料產(chǎn)生較大的彈塑性變形時(shí)，表面氧化皮由于不具有塑性變形能力，抗破壞強(qiáng)度較低，與基體的附著力差而產(chǎn)生破裂。并且板材在經(jīng)過(guò)矯直輥反彎時(shí)，上下表面處于不同的交變應(yīng)力狀態(tài)，一個(gè)表面受到張力拉伸使氧化皮和基體的界面產(chǎn)生裂紋，而另一面受到壓縮力作用使氧化皮被擠碎成網(wǎng)狀。在經(jīng)多輥矯直的反復(fù)拉伸、彎曲、破碎、碾壓后，氧化皮會(huì)被擠碎成網(wǎng)狀而脫落。

由于冷矯直機(jī)的破鱗作用，在矯直過(guò)程中鋼板的上、下表面會(huì)產(chǎn)生大量脫落的氧化皮。其中鋼板下表面脫落的氧化皮會(huì)因重力作用而下落，便于使用流槽收集，由吸塵過(guò)濾裝置抽出。而鋼板上表面脫落的氧化皮則停留在板面上，需在矯直機(jī)的出料側(cè)設(shè)計(jì)專用的刷輥對(duì)板面氧化皮進(jìn)行擾動(dòng)清掃后，由吸塵過(guò)濾裝置抽出。

設(shè)計(jì)板面清掃除鱗刷輥是提高板材成品質(zhì)量，實(shí)踐清潔生產(chǎn)技術(shù)的重要部分。

1 寬厚板冷矯直機(jī)除鱗刷輥的布置與技術(shù)要求

除鱗刷輥裝置由刷輥、軸承座、聯(lián)軸器、液壓馬達(dá)等組成，見(jiàn)圖1。由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刷輥旋轉(zhuǎn)，使刷毛在鋼板上表面進(jìn)行清掃，并在刷輥清掃處配有吸塵管道，將氧化皮及時(shí)吸出、過(guò)濾、收集。刷輥裝置整體安裝在矯直機(jī)出料側(cè)的機(jī)架立柱上，設(shè)計(jì)中再配有相應(yīng)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，以控制刷毛與板面的接觸幅度，可調(diào)整清掃力并對(duì)刷毛磨損進(jìn)行補(bǔ)償。該裝置具有布置緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、除塵效率高、便于拆裝維護(hù)的特點(diǎn)。

除鱗刷輥裝置技術(shù)參數(shù):

工作面規(guī)格:?335 mm×4 200 mm;

材料:刷絲為尼龍，刷輥軸為42CrMo 鋼;

刷輥?zhàn)罡咿D(zhuǎn)速:500 r/min;

液壓馬達(dá):高速小轉(zhuǎn)矩齒輪馬達(dá);

吸塵裝置空氣流量:50 000 m3/h;

吸塵裝置空氣壓力:3 000 Pa。

刷輥在運(yùn)行中刷絲與寬幅的板面高速旋轉(zhuǎn)摩擦，刷絲材料要求耐磨、耐酸、耐高溫、低噪音、對(duì)板面無(wú)劃痕，消耗磨損后便于更換。刷輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要求平衡精度高，軸承潤(rùn)滑充足，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，使用安全可靠。

圖1 除鱗刷輥裝置Figure 1 Descaling brush roll set

圖2 刷輥Figure 2 Brush roll

2 完整的除鱗刷輥組成

刷輥主要由刷絲、刷塊、刷輥軸、動(dòng)平衡配重塊、緊固件組成，見(jiàn)圖2 所示。

2.1 刷絲

尼龍刷絲具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，具有軟化點(diǎn)高，耐熱，摩擦系數(shù)低，耐磨損，彈性好，自潤(rùn)滑性，吸震性和消音性，耐油、耐酸、耐堿和耐一般溶劑的特點(diǎn)。加入磨料的尼龍絲具有更好的耐磨和耐酸堿性能，適用于鋼板廠。

刷絲基本材料為聚酰胺，加入30%～40%的碳化硅或氧化鋁磨料。刷絲直徑?0.8 mm～1 mm，每簇18 根～20 根。使用中可長(zhǎng)時(shí)耐熱約95℃，短時(shí)耐熱約130℃。刷絲的彈復(fù)率80%，抗疲勞率98%，吸水率1.3%(在20℃、65%的空氣濕度時(shí))，抗拉強(qiáng)度≥7.84 kN/cm2。

2.2 內(nèi)部焊接式刷塊

刷輥有較寬的工作面，寬度為4 200 mm，為便于現(xiàn)場(chǎng)組裝維護(hù)，采用全自動(dòng)內(nèi)孔螺旋焊接技術(shù)將數(shù)量眾多的刷片制成較大的刷塊，再將各刷塊組裝到刷輥軸上。各刷塊端面具有連接卡槽以控制相對(duì)位移并連為整體。制造中通過(guò)對(duì)刷塊內(nèi)孔精度和尺寸公差的控制，以確保每一個(gè)獨(dú)立的刷塊與刷輥軸的最佳配合，有效避免運(yùn)行中的震動(dòng)。

獨(dú)立的刷塊具有互換性、修剪性，實(shí)現(xiàn)備件管理、操作維護(hù)簡(jiǎn)單高效。

2.3 刷輥軸與配重塊

刷輥軸屬細(xì)長(zhǎng)軸類零件，長(zhǎng)徑比達(dá)25;最高轉(zhuǎn)速500 r/min，為保證其運(yùn)轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)低噪音，動(dòng)平衡精度要求G6.3。刷輥軸材料采用42CrMo經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，并在軸端定位軸肩處設(shè)計(jì)用于動(dòng)平衡配重塊調(diào)整固定的卡槽。軸身也可根據(jù)需要進(jìn)行中空的內(nèi)冷卻通道設(shè)計(jì)，利用刷輥旋轉(zhuǎn)的離心力使冷卻液由內(nèi)向外連續(xù)流動(dòng)，帶走刷毛與板面產(chǎn)生的摩擦熱，降低刷絲溫度，延長(zhǎng)刷塊使用壽命。

為滿足動(dòng)平衡工藝要求，提供若干與刷輥軸動(dòng)平衡卡槽相適應(yīng)的動(dòng)平衡塊，以便進(jìn)行動(dòng)平衡操作。

2.4 緊固件

刷塊屬易損件，連接緊固方式不應(yīng)特殊。在各刷塊端面制有連接卡槽以控制各刷塊的相對(duì)位移并使之連為整體。刷輥兩端定位軸肩處布置有圓周分布的軸向緊固刺銷，緊固方式簡(jiǎn)單可靠。這樣不僅便于刷塊的快速更換維護(hù)，而且減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備的維護(hù)使用成本，易于備件采購(gòu)，縮短訂貨周期。

3 除鱗刷輥的臨界轉(zhuǎn)速校核

除鱗刷輥轉(zhuǎn)速高、長(zhǎng)徑比大、剛性小，其工作轉(zhuǎn)速必需避開(kāi)臨界轉(zhuǎn)速，并在臨界轉(zhuǎn)速一定范圍之外。由于臨界轉(zhuǎn)速在數(shù)值上與軸橫向振動(dòng)的固有頻率相同，所以在設(shè)計(jì)中需進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速校核，以避免因共振而造成的軸系破壞。

因刷輥中的尼龍刷塊重量輕、工作面與刷輥軸同寬、內(nèi)孔與刷輥軸配合緊密且尺寸一致，故以雙鉸支均勻質(zhì)量軸為模型計(jì)算第一階臨界轉(zhuǎn)速ncr1。

查表得雙鉸支均勻質(zhì)量軸支座形式系數(shù)λ1:λ1=9.87。

式中 W0——刷輥?zhàn)灾兀?5 000 N;

L——刷輥軸長(zhǎng)度，5 500 mm;

E——刷輥軸材料的彈性模量，鋼取206×103MPa;

I——軸截面的慣性矩，mm4，I==130 272 606.57 mm4;

d——刷輥軸直徑，227 mm。刷輥?zhàn)罡吖ぷ鬓D(zhuǎn)速為500 r/min≤0.75ncr1，屬于剛性軸。

4 除鱗刷輥液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)

除鱗刷輥負(fù)載轉(zhuǎn)矩900 N·m，最高工作轉(zhuǎn)速500 r/min，采用高速小轉(zhuǎn)矩液壓齒輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)口壓力16 MPa。具有體積小、重量輕、工作平穩(wěn)、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、便于啟動(dòng)和制動(dòng)的特點(diǎn)。

4.1 液壓馬達(dá)的排量VM

式中 T——液壓馬達(dá)的負(fù)載力矩，900 N·m;

Δp——液壓馬達(dá)進(jìn)、出口壓力差，15.9 MPa，(出口壓力為大氣壓0.1 MPa);

ηmM——液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，齒輪馬達(dá)取0.9。

4.2 液壓馬達(dá)的理論流量q

式中 n——液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速500 r/min。

4.3 液壓馬達(dá)的實(shí)際流量Q

式中 ηmV——液壓馬達(dá)的容積效率，取0.92。

4.4 液壓馬達(dá)的輸入功率Pi

4.5 液壓馬達(dá)的輸出功率Po

式中 ηm——液壓馬達(dá)的總效率，ηm=ηmMηmV=0.83。

選取液壓馬達(dá)功率50 kW。

5 除鱗刷輥常見(jiàn)問(wèn)題的處理

5.1 刷絲的修剪

清掃不同寬度規(guī)格的鋼板，會(huì)使刷輥的工作面不均勻磨損，造成各刷塊的外徑尺寸不一致，可在車床利用專用刀具對(duì)刷絲進(jìn)行修剪后達(dá)到同一直徑。

5.2 刷塊的更換

對(duì)因磨損報(bào)廢的刷塊可一次整體全部更換。預(yù)制的刷塊對(duì)內(nèi)孔精度和尺寸公差要嚴(yán)格控制，以確保每一個(gè)獨(dú)立的刷塊與刷輥軸的最佳配合，有效避免運(yùn)行中的震動(dòng)。

5.3 軸承的維護(hù)

檢查軸承的潤(rùn)滑管路是否暢通，保證潤(rùn)滑油量充足;調(diào)整兩端軸承座安裝精度使同軸度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)卡滯現(xiàn)象。

5.4 刷輥軸的軸頸補(bǔ)焊、消應(yīng)力和刷輥的再平衡

因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承損壞而造成的刷輥軸頸磨損是刷軸的主要破壞型式，可通過(guò)對(duì)磨損的軸頸進(jìn)行補(bǔ)焊后重新加工修復(fù)。在補(bǔ)焊中采取合理的焊接工藝措施減小焊接變形、消除焊接應(yīng)力，并對(duì)組裝后的刷輥重新進(jìn)行動(dòng)平衡，平衡精度達(dá)到G6.3。

5.5 液壓馬達(dá)油口管路的泄露

更換密封元件和損壞的管路。

6 結(jié)論

寬厚板冷矯直機(jī)板面除鱗刷輥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)載保護(hù)，獨(dú)立刷塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了更換維護(hù)時(shí)間，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，矯后提升了板材成品質(zhì)量，是實(shí)踐清潔生產(chǎn)技術(shù)的重要部分。