350 mm輥距型鋼矯直機的設計與開發(fā)

岳海波　趙彥榮　姜　辰

(1.北方重工集團有限公司,遼寧110141；2.西安泰賽科技發(fā)展有限公司，陜西710000)

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350 mm輥距型鋼矯直機的設計與開發(fā)

岳海波1趙彥榮2姜辰1

(1.北方重工集團有限公司,遼寧110141；2.西安泰賽科技發(fā)展有限公司，陜西710000)

350 mm輥距型鋼矯直機是針對鞍鋼大型580線精整區(qū)域開發(fā)設計的型鋼矯直設備，主要用于球扁鋼的在線矯直。矯直機本體主要由機架、壓下系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、矯直輥體、入口和出口導衛(wèi)等部分組成,其功能完備，易于操作，并通過理論計算和現(xiàn)代有限元方法對其功能和結構進行整體優(yōu)化設計，大幅減輕設備重量，降低制造成本，提高設備可靠性。

型鋼矯直機；球扁鋼；結構優(yōu)化設計

型鋼矯直機主要包括壓力和輥式矯直機兩種結構形式。壓力矯直機生產率較低，一般在型鋼或鋼管車間作為輔助的矯直設備或矯直彎曲度過大(>50 mm/m)及壁厚超過輥式矯直機的矯直范圍的型材。針對鞍鋼大型廠的車間空間限制、較高的產品屈服強度等特點，同時吸取國外的先進技術和經驗，對350 mm輥距型鋼矯直機進行了全面結構優(yōu)化設計，從而使350 mm輥距型鋼矯直機的功能更加合理可靠，同時滿足車間使用條件。

1　設計依據(jù)及設備特點

1.1工藝技術參數(shù)及要求

該設備主要是針對大型廠580線精整區(qū)域配套設計開發(fā)的。鋼板品種：特殊合金鋼，Re=590 MPa～750 MPa，Rm≥655 MPa,A≥16%。矯直產品： 5#、6#、7#球扁鋼(單球)，矯直速度： 0～1 m/s～2 m/s(變頻調速)。

1.2基本參數(shù)選取

輥距t=350 mm；

輥數(shù)n=14；

矯直速度v1=2 m/s;

輥子孔型平均直徑D=340 mm；

矯直鋼材的屈服極限Re=750 MPa；

矯直規(guī)格：5#、6#、7#球扁鋼(單球)

1.3力學性能參數(shù)計算

最大塑性彎曲力矩Ms按下式計算： Ms=eReW (N·m)

式中，e為型材系數(shù),取1.5；W為被矯直型鋼的彈性彎曲斷面系數(shù) (cm3)；Re為被矯直型鋼的屈服極限，Re=750MPa。

被矯直件的彈性斷面系數(shù)如表1所示。

由表1可知: 7#球扁鋼的斷面系數(shù)較大，按7#球扁鋼進行設計計算。

彈性彎曲力矩:My=Re×W=750×6=4500 N·m。

塑性彎曲力矩:Ms=e×My=1.5×4500=6750N·m。

(1)各輥矯直力的計算，見下式。

(3)矯直時鋼材塑性變形所消耗的扭矩

P1=2tMs=38.6kNP2=3P1=115.7kNP3=4P1=154.3kNP4=4×Mst+Myt?è???÷=128.6kNP5=4×2tMy=102.9kNP6=4×2tMy=102.9kNP7=P6=102.9kNP8=P7=102.9kNP9=P8=102.9kNP10=P9=102.9kNP11=P10=102.9kNP12=P11=102.9kNP13=3×2tMy=77.1kNP14=2tMy=25.7kN

表1　被矯直型鋼的彈性彎曲斷面系數(shù)Table 1　Elastic bending section coefficient ofthe straightened section steel

式中，β為折彎系數(shù),β=1+(n-2)=13;r為彎曲半徑。

(4)矯直時鋼材與輥子間摩擦所消耗的扭矩MⅡ=fP0=1388.6 N·m，摩擦系數(shù)：f=0.001 m。

(5)矯直時輥子軸承中所消耗的摩擦扭矩：

軸承支反力：

式中，L為兩軸承之間距離，取600 mm；a為軸承和矯直輥中心距離，取250 mm；μ為輥子軸承摩擦系數(shù)滾動軸承，取0.005；dA為軸承平均直徑，取200 mm；dB為軸承平均直徑，取115 mm。

(6)總矯直扭矩M0=∑Mi=MⅠ+MⅡ+MⅢ=4780N·m。

1.4設備技術參數(shù)

生產產品球扁鋼：5#、6#、7#

矯直鋼材：最大屈服極限Re≤750 MPa

結構形式：懸臂式

矯直輥中心距：350 mm

輥數(shù)：13+1(上輥7、下輥7)

輥子孔型平均直徑: 300 mm～345 mm

上輥壓下最大調整量：115 mm(電動調整、手動輔助)

垂直調整量：+80 mm/-35 mm (電動調整、手動輔助)

軸向調整量：±10 mm

矯直軋件溫度：≤200℃(熱軋冷卻后)

驅動方式：下輥為主傳動輥，上輥全為被動輥

矯直速度：0～1 m/s～2 m/s(變頻調速)

主電機容量：變頻YP2 315S-6(額定功率：75 kW)

1.5結構設計優(yōu)化

矯直機本體主要由機架、壓下系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、矯直輥體、入口和出口導衛(wèi)等部分組成。

(1)機架的結構優(yōu)化設計

機架采用鍛焊整體結構，由多塊鋼板與鍛件焊接而成，最后再進行機械加工。由于機架承受所有的矯直力，因此對其強度、剛度要求較高。過去采用整體鑄造，因此設計的零件重量較大，達到10 t，這樣的設計成本較高，生產周期較長。在此次型鋼矯直機的開發(fā)設計中，針對機架減重問題進行了有限元仿真計算。通過計算可知，矯直機機架受力薄弱點在機架上部，下端安裝在基礎上并由基礎承受矯直力。通過優(yōu)化，降低下端鋼板厚度，變更筋板承力結構，優(yōu)化后的機架滿足使用強度。矯直機本體如圖1所示。

(2)壓下系統(tǒng)的方案設計

壓下機構與上輥軸承座相連，通過電機帶動齒輪副、蝸輪副及螺紋副來進行電動壓下，同時也可手動調整，壓下量變化數(shù)值可通過升降指示表顯示。壓下機構采用彈簧及平衡螺母進行平衡，消除壓下螺絲與螺母之間的間隙，減少沖擊。壓下電機采用垂直放置，大大縮短了空間尺寸。壓下絲桿采用鋸齒形螺紋S80X10-7e，由于前后絲桿受力方向不同，前后絲杠設計鋸齒形螺紋的方向也隨之變化。壓下系統(tǒng)如圖2所示。

1—機架　2—壓下系統(tǒng)　3—接軸　4—齒輪分配箱　5—主電機　6—矯直輥體　7—出口導衛(wèi)　8—入口導衛(wèi)　9—減速器圖1　矯直機本體Figure 1　Straightening machine body

(3)主傳動部分的方案設計

主傳動部分主要包括主電機、齒輪聯(lián)軸器、減速器、齒輪分配箱及接軸裝置等。主電機為交流電機。受大型廠的車間空間限制，減速器采用90°輸出，可滿足使用。

(4)矯直輥體結構設計優(yōu)化

矯直輥體共14根。上輥系共7根輥，上輥的輥軸部分裝在上輥軸承座內，在壓下裝置的帶動下可上下調整(電動調整)。下輥系共7根輥，全部為主動輥，直接以滑動配合裝于機架上的軸孔內，并通過萬向接軸與主傳動減速機相連。矯直輥前后軸承均采用調心滾子軸承，前端矯直力較大，采用兩個調心滾子軸承24130C/W33。矯直輥的軸向調整通過電機轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，由于蝸輪上有梯形螺紋，因此矯直輥作軸向移動可達到調整目的，最大調整量±10 mm。矯直輥采用錐形孔，這樣更換矯直輥方便快捷。矯直輥上下輥鎖緊螺母采用正反摳，保證矯直時鎖緊矯直輥。上輥軸承座兩側面貼靠在機架立柱的內側面。矯直輥體如圖3所示。

圖2　壓下系統(tǒng)Figure 2　Screw down system

圖3　矯直輥體Figure 3　Straightening roll

(5)潤滑系統(tǒng)的設計優(yōu)化

潤滑系統(tǒng)對機械設備使用壽命的長短起關鍵作用，此次設計的潤滑系統(tǒng)如下：

a) 壓下機構的螺紋副采用干油集中潤滑，此種干油泵為電動的，故使用較方便。

b) 壓下機構的蝸輪副和上下輥的蝸輪副均裝滿干油進行潤滑。

c) 齒輪分配箱是在重載下連續(xù)工作的，所以在齒輪的齒面上采用齒輪油泵打稀油進行循環(huán)潤滑，軸承靠飛濺的油進行潤滑。

d) 上、下矯直輥軸承采用稀油循環(huán)潤滑，配套潤滑系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的矯直機上、下矯直輥軸承采用干油循環(huán)潤滑，矯直機長時間工作后矯直輥前端軸承溫度升高，采用稀油循環(huán)潤滑后軸承溫度大大降低，提高使用壽命。

2　設備特點

通過仔細分析國內同類設備結構特點，并在理論計算的基礎上，利用有限元等現(xiàn)代設計仿真軟件，開發(fā)設計了350 mm輥距型鋼矯直機，實際應用的效果良好。該產品有如下特點：

(1)機架采用鍛焊整體結構，焊接后進行整體退火處理，消除焊接應力，減小變形，機身強度高，精度保持性好，通過有限元計算，比傳統(tǒng)設計方法減重4 t以上，在滿足使用要求的前提下，降低了設備投資成本。

(2)設備空間尺寸減小，單獨的減速機和分配箱便于維護。

(3)矯直鋼材屈服極限較高，矯直力大，設計輥軸和機架的強度要求高。

(4)上、下矯直輥軸承采用稀油循環(huán)潤滑，配套潤滑系統(tǒng)后矯直輥前端軸承在大矯直力，且長時間工作下的溫升得到了改善。

[1]王海文．軋鋼機械設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1983：6．

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編輯李韋螢

Design and Development on Section Steel Straightening Machine with 350 mm Roll Spacing

Yue Haibo，Zhao Yanrong, Jiang Chen

Section steel straightening machine with 350 mm roll spacing has been designed and developed for ANSTEEL heavy 580 line finishing area, and is mainly used for online straightening of ball flat steel. Straightening machine body mainly consists of machine frame, screw down system, main drive system, straightening roller body and inlet and outlet guide, etc., which function is complete, and easy to operate. The overall optimization design of its function and structure has been performed by the theoretical calculation and modern finite element method to greatly reduce the weight of equipment, decrease manufacturing costs and improve equipment reliability.

section steel straightening machine; ball flat steel; structure optimization design

2016—05—13

岳海波(1986—)，男，工程師，從事機械設計工作，主研究方向型鋼矯直機、鋼板剪切機、軋機等壓延設備。

TG333

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