傳統(tǒng)電動AGC系統(tǒng)能力提升和改造方案分析

鄒中升 王秀文 呂坤勇

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司 上海200940)

傳統(tǒng)電動AGC系統(tǒng)能力提升和改造方案分析

鄒中升 王秀文 呂坤勇

(中冶賽迪上海工程技術(shù)有限公司 上海200940)

在對傳統(tǒng)電動壓下軋機壓下系統(tǒng)進行簡要介紹的基礎(chǔ)上，對電動壓下系統(tǒng)能力的提升、機構(gòu)的完善進行了總結(jié)。鑒于液壓AGC逐漸替代電動壓下機構(gòu)的趨勢，總結(jié)了短行程液壓AGC改造的要點，特別對長行程液壓AGC改造方案的設(shè)計思路和要點進行了闡述，為電動壓下軋機改造的設(shè)計工作和設(shè)備管理提供參考。

軋機改造 短行程AGC 長行程AGC

1 前言

軋機的改造主要是為了提高產(chǎn)量和擴寬產(chǎn)品目錄，由于高強度板的軋制如軍工板、橋梁板、容器板等對機械壓下機構(gòu)的絲桿、螺母、止推軸承造成更大的沖擊，嚴重影響了相關(guān)部件的使用壽命，很多鋼廠迫切需要對電動壓下進行改造。同時，部分早期投產(chǎn)的軋線，設(shè)備定位較低，軋機壓下裝置不具備帶載壓下能力，隨著市場競爭越來越激烈，對成品板精度要求愈加嚴格，需要壓下機構(gòu)帶載在線實時調(diào)整，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此出于提高設(shè)備使用壽命、生產(chǎn)率，降低設(shè)備維護和檢修成本的因素，很多鋼廠欲對軋機壓下進行改造，本文針對軋機絲桿螺母壓下機構(gòu)的改造方案進行了較為全面的分析和對比，供鋼廠在進行設(shè)備改造時進行參考和決策之用。

2 傳統(tǒng)電動壓下機構(gòu)的完善

傳統(tǒng)絲桿螺母軋機的壓下裝置由兩臺直流電動機通過聯(lián)軸器、電磁離合器驅(qū)動兩臺減速機帶動壓下絲桿上、下移動。兩臺電機通過電磁離合器串聯(lián)在一起，從而實現(xiàn)軋機兩側(cè)同步壓下。壓下螺母固定在軋機牌坊上部階梯孔內(nèi)，將軋制力傳遞至軋機牌坊。止推軸承安裝在壓下絲桿和支承輥軸承座上頂面間。

如果舊軋機設(shè)計時沒有考慮AGC，需要增加帶載實時輥縫調(diào)整，壓下裝置必須徹底改造。如果軋機壓下機構(gòu)的性能尚能滿足生產(chǎn)的需要，僅是對壓下機構(gòu)進行優(yōu)化和提升，譬如提高壓下螺母的壽命、工作過程中壓下驅(qū)動電機電流過大或堵轉(zhuǎn)、小幅度提高響應(yīng)時間，可以從電動壓下機構(gòu)(如圖1所示)中幾個重要部件入手。

圖1 電動壓下機構(gòu)

2.1 壓下絲桿及壓下螺母

壓下絲桿和螺母承受軋機的工作載荷和壓下時加速度，增大螺紋直徑能大幅度提高壓下系統(tǒng)的性能，特別是提高軋機壓下系統(tǒng)的剛度，但對于舊軋機改造，在不削弱軋機牌坊的前提下增加壓下螺紋的直徑基本不可能，只能對其潤滑和受力進行優(yōu)化：

采用特殊的螺紋，提高螺紋定位精度，使螺紋面上負荷更加均勻[1]。

在壓下絲桿和壓下螺母的螺紋工作面上開徑向油槽，改善高速重載下的潤滑條件，通過潤滑油帶走絲桿螺母在工作時產(chǎn)生的熱量。

提高潤滑油的粘度，減緩壓下機構(gòu)工作時接觸面溫度急劇上升潤滑油粘度的下降；潤滑油內(nèi)加入一定比例的耐磨劑，提高絲桿/螺母的使用壽命。

選擇合適的材質(zhì)，提高工作面的光潔度、硬度，增加接觸面積[2]。

采用壓下絲桿修形方法，也可以改善潤滑條件和增加壓下螺母的壽命。

對于大型粗軋機，被平衡的零部件本身重量大，可以選用較小的過平衡系數(shù)降低過平衡力絕對值，減小絲桿螺母的受力[3]。

2.2 止推軸承

壓下絲桿底部與軸承座間的止推軸承有滑動止推軸承和滾動止推軸承兩種，目前較理想的解決方案是使用軸向圓錐止推軸承，它承載能力大，頂部球形面的曲率半徑可以適應(yīng)軋制時軋輥彎曲下的調(diào)心要求，可比滑動止推軸承省約三分之一電機功率，這對節(jié)能和提升壓下系統(tǒng)的能力都是非常有效的。

對止推軸承的潤滑和冷卻也非常重要，在止推軸承底部設(shè)回油管，及時收集潤滑油，保持止推軸承保護罩內(nèi)潤滑油清潔，防止壓下絲桿螺母之間摩擦產(chǎn)生的金屬屑進入止推軸承，影響軸承使用壽命。

2.3 傳動系統(tǒng)

電動壓下裝置采用絲桿螺母，傳動效率低。傳動部分的機械效率則取決于采用什么樣的傳動結(jié)構(gòu)和速比。軋機一般采用正齒輪加蝸輪或兩級蝸輪兩種傳動型式。根據(jù)布置不同，正齒輪段有用一級或兩級減速，但兩級蝸輪的傳動效率比正齒輪加蝸輪的要低。

采用自動厚度控制(AGC)時，傳動電機需有低轉(zhuǎn)動慣量、高過載能力特性。在提升電動AGC的性能時，如果一味選用過大的電機，則電機慣量和相匹配的機械部分慣量均會增加，轉(zhuǎn)動慣量直接影響壓下系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對提高壓下螺絲加速度是不利的，因此選用電機時在滿足壓下螺絲加速度的前提下，應(yīng)選用過載能力強較小功率的電機。

3 短行程液壓AGC的改造方案

短行程液壓AGC可以在對軋機原機構(gòu)進行較小的改動下，提高位置控制精度和響應(yīng)時間，國內(nèi)多臺軋機已經(jīng)進行了該種改造[4-5]。如圖2所示，新增加的短行程液壓AGC油缸一般安裝在軋機上支承輥軸承座頂面與壓下止推軸承之間。

短行程液壓AGC改造方案的關(guān)鍵是支承輥軸承座。電動壓下結(jié)構(gòu)的軋制力通過止推軸承傳遞，載荷比較集中地作用在上支承輥軸承上，而進行短行程液壓AGC改造后，壓下油缸的外形尺寸一般較大，壓下油缸與軸承座的接觸面積將會增加，因此通過改造可以改善壓下機構(gòu)與軸承座接觸面的受力條件。但考慮到足夠的換輥空間，上支承輥軸承座上頂面要削去較多才能滿足要求。對于采用平衡梁機構(gòu)的軋機，上支承輥軸承座的凸臺被被削平后，需要在軸承座上重新設(shè)計凸臺與平衡梁連接，同時平衡梁上也要相應(yīng)增加支承臺以托住軸承座。具體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)軸承座和凸臺和平衡梁的結(jié)構(gòu)和尺寸決定。有的軋機軋輥重量不是采用平衡梁平衡的方法，而是采用軸承座底部油缸進行平衡的，就無需考慮平衡梁和軋輥軸承做的連接問題，改造也就更容易。軸承座對軋機的總體剛度影響較大，對支承輥軸承座的修改存在一定的風(fēng)險，必須采用有限元對其剛度進行校核[6]。如果為滿足上述要求，上支承輥軸承座要削去很多，大幅度降低了軸承座的強度和剛度，必須對此方案重新進行評估。如果生產(chǎn)工藝允許，可以在支承輥軸承座上頂面增加墊塊，適當犧牲軋機開口度也是可行的，如圖3所示。

圖2 短行程液壓AGC改造方案一

圖3 短行程液壓AGC改造方案二

由于在壓下絲桿和支承輥軸承座之間安裝液壓缸，即使是行程很短的AGC液壓缸，軋機整體剛度系數(shù)也肯定是要減小的，以某鋼廠為例，采用行程為40mm的AGC液壓缸，軋機改造后的剛度減至原剛度的90%。

4 長行程液壓AGC的改造方案

長行程液壓AGC的改造方案是將軋機原電動壓下機構(gòu)全部拆除，采用長行程液壓AGC替代。從設(shè)備維護的角度，采用長行程的AGC維護量要小，省去了原機械壓下系統(tǒng)中壓下絲桿、壓下螺母及其他傳動系統(tǒng)的維護。由于軋機在開口度調(diào)節(jié)時需要伺服閥開口度工作在一個比較合理的區(qū)間，選用伺服閥的規(guī)格主要根據(jù)帶載壓下速度確定，因此長行程液壓AGC壓下速度不能太快，基本保持在空載9mm/s，帶載4mm/s的一個水平。這與傳統(tǒng)電動壓下比較，會增加換輥時間。就壓下系統(tǒng)的剛度而言，應(yīng)盡量縮短液壓缸行程，但由于電動壓下系統(tǒng)的絲桿螺母是一個運動副，液壓AGC的液壓油是一個連續(xù)均勻的介質(zhì)，可以更容易的通過要控制模型進行補償[7-8]，因此就控制精度而言液壓AGC好過絲桿螺母的機構(gòu)。

由于長行程AGC的改造方案機械部分較簡單，僅是在考慮油缸安裝方式時對牌坊進行少許加工，因此改造復(fù)雜程度也相對要低。下文針對軋機牌坊上頂面不同狀況的兩種長行程液壓AGC的改造方案進行闡述。

4.1 長行程液壓AGC改造方案一

1)該方案(如圖4所示)針對牌坊上頂面不平整軋機的改造。長行程AGC油缸通過一個T型拉力套管固定在牌坊上，套管上凸緣壓在牌坊上頂面，下部用鎖緊螺母固定，該螺母與壓下螺母外形、安裝位置基本相同。AGC油缸通過螺桿將油缸固定在拉力套管上頂面，活塞桿及其延長段穿過套管中心，壓在上支承輥軸承座上頂面上。該方案對于牌坊上頂面的機構(gòu)要求較少，是否可行的關(guān)鍵是：T型拉力套管、AGC油缸活塞在滿足目標軋制力的前提下能否布置在牌坊上部的階梯孔內(nèi)。

2)軋制力的傳遞路線是支承輥軸承座—活塞桿延伸段—AGC油缸活塞—液壓油—AGC油缸缸體—T型拉力套管—鎖緊螺母—牌坊，軸承座基本不需要改造、AGC油缸的設(shè)計比較成熟或由專業(yè)油缸制造企業(yè)進行技術(shù)支持、將軋制力傳遞至牌坊上的T型拉力套管、鎖緊螺母才是該方案的關(guān)鍵。其設(shè)計思路如下：

(1)根據(jù)原軋機軋制力或新的改造目標確定最大軋制力

(2)確定T型拉力套管的壁厚、AGC油缸活塞桿直徑。軋制力是通過T型拉力套管、鎖緊螺母傳遞至牌坊的，為確保軋機工作時T型拉力套管、鎖緊螺母不出現(xiàn)松動和塑性變形，必須對其施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力要大于軋機工作時軋制力最大沖擊值，可以按2倍的額定軋制力考慮，根據(jù)該預(yù)緊力值計算T型拉力套管的壁厚、AGC油缸活塞桿直徑，必要時可以采用高性能的材料以滿足空間上的需要。鎖緊螺母安裝在牌坊口上部階梯孔與原結(jié)構(gòu)相似，其接觸面強度一般可以滿足要求。但T型拉力套管上邊緣與牌坊的接觸面受原軋機牌坊結(jié)構(gòu)限制，如果接觸面較小設(shè)計時必須對材料的接觸強度進行校核。

(3)T型拉力套管安裝時將套管常溫安裝好后，對其預(yù)熱后再鎖緊下部鎖緊螺母，通過控制預(yù)熱溫度和預(yù)緊螺母扭矩獲得設(shè)計的預(yù)緊力。T型拉力套管、鎖緊螺母采用熱裝的方式進行連接的目的是使其與牌坊形成一個免維護的整體，但為確保設(shè)備運行安全，需要在大修時對T型拉力套管進行探傷。

(4)軋機工作時AGC油缸活塞桿的延伸段不可避免的承受側(cè)向力，因此在T型拉力套管的上部和下部均采用耐磨導(dǎo)向環(huán)，用以對AGC缸缸桿延長段進行導(dǎo)向，提高AGC油缸的壽命、也避免對T型拉力套管的磨損。

圖4 長行程液壓AGC改造方案一

4.2 長行程液壓缸改造方案二

該方案(如圖5所示)針對牌坊上頂面平整或結(jié)構(gòu)上允許將上頂面削平的軋機，長行程液壓AGC油缸布置在牌坊上頂面，在上頂面進行鉆孔后，通過長螺桿將油缸固定，長螺桿大小和數(shù)量可以參考最大軋制力、油缸缸體連接螺栓的安全系數(shù)等進行綜合考慮。為確保軋機工作時AGC油缸與牌坊間不出現(xiàn)松動，長螺桿的預(yù)緊力要大于軋機工作時軋制力最大沖擊值，也可以按2倍的額定軋制力考慮，該方案軋機軋制力的傳遞路線是支承輥軸承座—活塞桿延伸段—AGC油缸活塞—液壓油—AGC油缸缸體—長螺桿—牌坊。

該方案AGC油缸活塞桿延伸段的導(dǎo)向設(shè)計在軋機牌坊階梯孔的上部和原壓下螺母上。與方案一比較該方案實施更為簡單，但固定AGC油缸的長螺桿螺紋孔需要設(shè)計防護罩進行防護，避免腐蝕性介質(zhì)進入使螺紋失效。

圖5 長行程液壓AGC改造方案二

5 結(jié)束語

隨著液壓控制技術(shù)的發(fā)展，液壓AGC技術(shù)的優(yōu)勢在控制精度、響應(yīng)速度和設(shè)備維護方面得到了認可，傳動電動壓下雖然可以經(jīng)過局部改造提升其性能，但越來越多的鋼廠選擇液壓AGC技術(shù)對其進行改造，提升軋機壓下系統(tǒng)的能力，本文對短行程AGC改造方案和日漸興起的長行程AGC改造方案的要點進行分析，希望本文對軋機電動壓下能力的提升和采用液壓AGC方案進行改造提供參考。

[1]李慧敏.提高軋機壓下螺母使用壽命的渠道[J].一重技術(shù),2002(4).

[2]單春和,劉紹青.中板可逆軋機壓下絲杠、螺母的制作及改進[J].一重技術(shù),2002(2).

[3]王勇,張宇.中板軋機壓下平衡裝置的優(yōu)化設(shè)計[J].一重技術(shù),2007(4).

[4]黨平剛.攀鋼1450精軋機組壓下裝置的改進[J].浙江冶金,2006(5).

[5]吳兵,宋世欽,余軍.冷連扎機壓下裝置改造[J].柳鋼科技,2006(2).

[6]王化川,王愛玲.2300軋機上支承輥軸承座強度分析[J].中國工程科學(xué),2001(1).

[7]鐘云峰,譚樹彬,徐心和.板帶軋機AGC變剛度控制的研究[J].冶金設(shè)備,2006(2).

[8]孫建亮,馬小英,彭燕等.液壓缸缸體動剛度對AGC系統(tǒng)的影響分析[J].冶金設(shè)備,2011(2).

Analysis of Traditional Electric & Reduction
AGC System Upgrade and Revamping Solution

Zou Zhongsheng Wang Xiuwen Lü Kunyong

(Shanghai CISDI Engineering Co., Ltd, Shanghai 200940)

This paper, introduces the traditional electric & mechanical AGC system, summarize the way of improvement. In view of the trend for the hydraulic AGC is replacing the electric & mechanical AGC, this paper, the key points of hydraulic AGC revamping solution is summarized, especially the designing ideas and key points of long stroke hydraulic AGC revamping solution is described, provides reference for the revamping design and equipment management.

Rolling mill revamping Short stroke hydraulic AGC Long stroke hydraulic AGC

鄒中升，男，1981年出生，畢業(yè)于中南大學(xué)機械電子工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事冶金設(shè)備設(shè)計工作

TG333.7

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10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.008

2014-02-25)