熱連軋卷取機(jī)設(shè)備間隙分析

王小慶，周松濤，魏宏武

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司，河南 安陽(yáng) 455004)

國(guó)內(nèi)某鋼企1780 mm熱連軋為一條傳統(tǒng)配置的寬帶鋼生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線設(shè)備由3座加熱爐、2架粗軋機(jī)、切頭飛剪、7架精軋機(jī)、層流冷卻裝置、3臺(tái)卷取機(jī)、1套鋼卷運(yùn)輸設(shè)備等組成，卷取機(jī)為地下式卷取機(jī)，卷取設(shè)備布置如圖1所示(3#卷取機(jī)圖中未示出)。投產(chǎn)兩年后，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋼卷的卷形質(zhì)量有下降趨勢(shì)，出現(xiàn)有塔形、錯(cuò)層、內(nèi)圈松動(dòng)、浪型折邊等情況，而該生產(chǎn)線二期新啟用的3#卷取機(jī)卷形要好很多。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分析，與設(shè)備間隙過(guò)大有很大關(guān)系，需要對(duì)磨損超標(biāo)的零部件進(jìn)行更換。但卷取機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且液壓缸耳軸、軸承座、液壓缸頭、銷子、助卷臺(tái)架、助卷輥等本身存在有間隙的部位較多，累積設(shè)備間隙很多。用傳統(tǒng)的方法檢查并處理該問(wèn)題需要較長(zhǎng)的檢修時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)影響較大，有必要對(duì)此進(jìn)行研究，找到科學(xué)合理的方法[1-2]。

1 卷取機(jī)設(shè)備間隙及其對(duì)卷取生產(chǎn)的影響

1.1 地下卷取機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1.1 地下卷取機(jī)結(jié)構(gòu)組成

卷取機(jī)采用地下式全液壓三助卷輥卷取機(jī)，主要由張力輥、助卷輥、卷筒和機(jī)架組成，如圖2所示。

圖1 卷取設(shè)備布置圖(3#卷取機(jī)未示出)Fig.1 Coiler equipments layout(No.3 coiler unshown)

圖2 卷取機(jī)組成示意圖Fig.2 Assembly sketch of coiler

張力輥將成品帶鋼夾緊并送入卷取機(jī)，并在帶鋼頭尾部與卷取機(jī)形成張力，下輥電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向接軸直接傳動(dòng)，上輥電機(jī)通過(guò)減速機(jī)和萬(wàn)向接軸傳動(dòng)。

三個(gè)助卷輥分別由電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向接軸單獨(dú)驅(qū)動(dòng);助卷輥架為鑄焊結(jié)構(gòu)與成形導(dǎo)板的把合采用予應(yīng)力螺栓，助卷輥本體為表面堆焊硬質(zhì)合金件，入口上導(dǎo)板端部裝有表面噴焊硬質(zhì)合金的導(dǎo)向輥，可以減少鋼板表面擦傷。助卷輥驅(qū)動(dòng)液壓缸內(nèi)裝有位移傳感器，以控制助卷輥與卷筒間隙，并且通過(guò)伺服控制實(shí)現(xiàn)助卷輥跳過(guò)帶鋼頭部的功能。液壓缸與助卷輥架之間通過(guò)銷軸連接。

卷筒通過(guò)電機(jī)和變速箱驅(qū)動(dòng)，機(jī)架為整體板坯焊接件，其上有助卷輥回轉(zhuǎn)軸承座及液壓缸支座和橫梁。

1.1.2 地下卷取機(jī)工作原理

帶鋼頭部離開(kāi)精軋機(jī)時(shí)，卷取機(jī)已處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。此時(shí)，上張力輥壓下，上張力輥控制液壓缸為位置控制狀態(tài)，上下張力輥間隙的預(yù)設(shè)定應(yīng)依據(jù)夾送輥送進(jìn)的帶材厚度。助卷輥圍抱卷筒，預(yù)設(shè)定輥?zhàn)优c卷筒之間的間隙，間隙值根據(jù)精軋后的帶鋼的實(shí)測(cè)厚度設(shè)定。帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)時(shí)，張力輥前導(dǎo)尺正確導(dǎo)向，借助導(dǎo)板裝置，在張力輥和卷筒之間形成封閉路徑，使帶鋼能順利地卷上卷筒。待帶鋼卷上3～5圈后，帶鋼在卷筒和軋機(jī)之間即能建立穩(wěn)定的張力。此時(shí)上張力輥放松，傳動(dòng)電機(jī)采用“零電流”控制，助卷輥全部打開(kāi)(卷取厚帶鋼時(shí)，第一個(gè)助卷輥要始終壓住帶鋼)，卷筒和軋機(jī)一起加速到最高軋制速度，進(jìn)入正常卷取狀態(tài)。帶尾即將離開(kāi)軋機(jī)時(shí)，卷取機(jī)進(jìn)入收卷狀態(tài)。軋機(jī)與卷取機(jī)同時(shí)降速，助卷輥合攏，壓住外層帶卷。當(dāng)帶鋼脫離末架軋機(jī)時(shí)，張力輥壓緊，傳動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，使帶鋼在張力輥與卷筒之間建立張力，避免帶卷跑偏或帶卷外層松散。卸卷時(shí)助卷輥打開(kāi)，卸卷小車(chē)上升托住帶卷，待卷筒收縮后，可將鋼卷移出。此后卷取機(jī)又恢復(fù)準(zhǔn)備工作狀態(tài)[2-3]。

1.2 卷取機(jī)設(shè)備間隙組成

由地下卷取機(jī)的工作原理可知，張力輥在鋼卷卷取3～5圈時(shí)，上張力輥即抬起放松，對(duì)整個(gè)卷取過(guò)程影響不大。本文重點(diǎn)研究卷取機(jī)本體的間隙結(jié)構(gòu)，由卷取機(jī)結(jié)構(gòu)組成可知，構(gòu)成卷取機(jī)的設(shè)備間隙見(jiàn)表1:

表1 卷取機(jī)設(shè)備間隙組成[4-5]Tab.1 Coiler assembly gaps

卷取機(jī)本體各部位設(shè)備間隙組成示意圖如圖3所示:

圖3 卷取機(jī)設(shè)備間隙組成示意圖Fig.3 Coiler assembly gaps sketch

1.3 不良設(shè)備間隙對(duì)生產(chǎn)的影響

1.3.1 不良設(shè)備間隙產(chǎn)生的機(jī)理

設(shè)備零部件加工成品都有一個(gè)尺寸偏差，因此兩個(gè)設(shè)備零件之間的配合存在過(guò)盈、過(guò)渡、間隙配合三種情況。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能、工藝等要求，設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)往往采用不同的配合形式。如在設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部位往往采用間隙配合，以便于設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)功能要求。所以正常設(shè)備間隙的存在是必然的。

但相對(duì)運(yùn)行的設(shè)備零部件之間在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)零件表面相互接觸，并形成磨擦。由于絕大多數(shù)機(jī)械零件的損壞是表層損壞，且多數(shù)原因是由于各種形式的磨損造成的。在摩擦過(guò)程中，摩擦表面的材料產(chǎn)生微量脫落、轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為磨損。

正常情況下磨損過(guò)程分為三個(gè)階段:初期磨損——新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真實(shí)接觸面積小、單位面積承受比壓高，在額定的速度和負(fù)載下磨損速度較快。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間跑合后，磨平了摩擦面上部分微凸體，降低了摩擦面的比壓，提高了承載能力，使磨損速度減慢，并趨于穩(wěn)定;穩(wěn)定磨損——磨損速度緩慢而又恒定，耐磨時(shí)間較長(zhǎng)的階段;加速磨損——當(dāng)穩(wěn)定磨損達(dá)到某一極限值時(shí)其磨損速度加劇，導(dǎo)致報(bào)廢。磨損的分類有多種:粘附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、侵蝕磨損、脫層磨損等[6]。

零件表面材料的微量脫落轉(zhuǎn)移造成零件尺寸變化，使兩者之間的正常間隙變大，使設(shè)備部件之間的位移量增大，造成設(shè)備精度降低，影響設(shè)備功能發(fā)揮[7]。

1.3.2 卷取機(jī)各種設(shè)備間隙產(chǎn)生的原因

組成卷取機(jī)設(shè)備的各部件之間是通過(guò)軸承、螺栓、銷子、軸套等零件相互連接起來(lái)的。其中:

1)助卷輥本體的設(shè)備間隙是軸承本身的，軸承在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的磨損是疲勞磨損，即軸承滾子與內(nèi)外滾道接觸面作滾動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生反復(fù)塑性變形，分離出磨屑，使軸承本身的游隙發(fā)生擴(kuò)大。

2)助卷輥臺(tái)架與助卷輥裝配之間和(d)液壓缸桿頭部銷子與助卷輥臺(tái)架之間按其裝配要求是通過(guò)螺栓和錐套預(yù)緊連接的，即將連接二者之間的螺栓和錐套通過(guò)預(yù)應(yīng)力拉伸消除了它們之間的間隙，只要螺栓和錐套不松脫或沒(méi)有被拉斷，間隙將始終保持為0.

其余三處(c)助卷輥臺(tái)架與卷取機(jī)架之間、(e)液壓缸缸桿頭部與銷子之間和(f)液壓缸耳軸與機(jī)架之間的間隙是通過(guò)銷子和軸套連接的，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備部件之間的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。它們之間存在磨粒磨損和疲勞磨損:銷子和軸套之間存在硬度差，硬質(zhì)顆?；蛴脖砻嫔系奈⑼贵w在軟表面上犁溝、拉槽和脫落而引起磨損，并在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生反復(fù)塑性變形，分離出磨屑，從而使銷子與軸套之間的間隙擴(kuò)大。

1.3.3 卷取機(jī)設(shè)備間隙對(duì)生產(chǎn)的影響

由卷取機(jī)工作原理可知，在帶鋼頭部即將進(jìn)入卷取機(jī)時(shí)，助卷輥圍抱卷筒，預(yù)設(shè)定助卷輥與卷筒之間的輥隙，輥隙值根據(jù)精軋后的帶鋼的實(shí)測(cè)厚度設(shè)定。如果卷取機(jī)設(shè)備的累積間隙值較大，尤其是在卷取薄規(guī)格(一般指3 mm以下)帶鋼時(shí)，預(yù)留輥隙值較小，與累積設(shè)備間隙值具有可比性時(shí)，整個(gè)卷取機(jī)剛度將下降，主要表現(xiàn)在助卷輥標(biāo)定性有異常響聲、卷形尤其是頭部卷形不良等，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)影響卸卷對(duì)生產(chǎn)造直接影響。

2 卷取剛度測(cè)試及設(shè)備間隙評(píng)價(jià)

2.1 傳統(tǒng)設(shè)備間隙的測(cè)量

傳統(tǒng)設(shè)備間隙的測(cè)量是通過(guò)動(dòng)力源或千斤頂?shù)葯C(jī)械工具作用于設(shè)備部件，同時(shí)在被檢查部件上打百分表的辦法來(lái)檢查，但這種辦法不能測(cè)量出設(shè)備在沖擊、剛度變化等情況下準(zhǔn)確間隙值，靜態(tài)測(cè)量與真正的動(dòng)態(tài)工況差別較大，造成測(cè)量失真，從而給設(shè)備隱患查找和檢修處理造成困難。

2.2 剛度測(cè)試及設(shè)備間隙評(píng)價(jià)

在卷筒(1)處于不同擴(kuò)張直徑位置時(shí)，通過(guò)給定不同的壓力值，測(cè)量出相應(yīng)的輥縫值。因?yàn)椴还芫韽胶蛪毫Υ笮?，設(shè)備固有的間隙值是不會(huì)變化的，所以從這些測(cè)得的設(shè)備綜合間隙值即可判斷卷取機(jī)某個(gè)助卷輥的剛度情況是否良好。

卷筒(1)直徑的擴(kuò)張位置是通過(guò)卷筒芯軸的軸向位置來(lái)測(cè)定的，因?yàn)樵撔据S通過(guò)卷筒內(nèi)部的連桿和楔塊與外直徑相連，芯軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，超聲波檢測(cè)儀通過(guò)其上的圓盤(pán)檢測(cè)出卷筒外徑的相對(duì)位置，該位置每卷一次鋼都要標(biāo)定一次，用以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性并相對(duì)消除芯軸內(nèi)部連桿的相部間隙。壓力值直接從助卷輥液壓缸(5)閥臺(tái)上的塞腔壓力傳感器讀取。輥縫值從助卷輥液壓缸(5)尾部的線性傳感器從系統(tǒng)中讀取即可。所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均可從生產(chǎn)一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)中導(dǎo)出，也可從操作界面中讀取，不需要增加新的檢測(cè)無(wú)件。

如表2所示為某熱連軋一臺(tái)卷取機(jī)三個(gè)助卷輥剛度測(cè)試數(shù)據(jù):

表2 某卷取機(jī)剛度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test parameters of a coiler model

對(duì)三個(gè)助卷輥的卷徑和壓力值分別進(jìn)行擬合，可以得到它們的壓力值曲線，從曲線的平滑度和重合情況，也可以清晰地反映出設(shè)備剛度和間隙的優(yōu)劣情況[8]，如圖 4 所示。

從壓靠數(shù)據(jù)及圖形上可以看出1#、2#助卷輥的剛度較好，分別為0.09 mm 和0.1 mm，而3#助卷輥剛度較差，達(dá)到5.4 mm，需要盡快檢查和改進(jìn)。而評(píng)判這些剛度和間隙數(shù)值好壞的標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)實(shí)際情況給定，然后逐步優(yōu)化完善。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)3#助卷輥c)助卷輥臺(tái)架與卷取機(jī)架之間的鋼套和f)液壓缸耳軸與機(jī)架之間的銅套磨損嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)檢修更換，3#助卷輥輥縫值達(dá)到0.12 mm，卷取機(jī)剛度得到恢復(fù)，標(biāo)定卷筒時(shí)異常聲響明顯減小，生產(chǎn)出現(xiàn)的鋼卷卷形質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

圖4 某卷取機(jī)助卷輥壓力值曲線圖Fig.4 The diagram of wrap pressure of a coiler

3 結(jié)論

通過(guò)檢測(cè)卷取機(jī)剛度的方法來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)卷取設(shè)備間隙的方法，可以快速判斷影響卷取設(shè)備間隙的因素并進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。同時(shí)對(duì)其它類似間隙測(cè)量不易的設(shè)備檢查有一定的借鑒意義。

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