鋁帶熱軋轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

黃 濤

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

當(dāng)前主流的鋁帶材熱軋生產(chǎn)線，主要包括單機(jī)單卷取和雙卷取熱軋機(jī)、1+1粗-精軋、1+3熱連軋(如圖1)、1+4熱連軋、1+5熱連軋以及連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線等。熱軋生產(chǎn)線的卷取機(jī)與精軋機(jī)之間，都配置有轉(zhuǎn)向輥，通過轉(zhuǎn)向輥改變鋁帶的運(yùn)行方向，使得帶材與軋輥和卷取機(jī)卷筒均形成一定的包角和張力，減少跳動劃傷帶材表面，且保證精軋出口端帶材穩(wěn)定運(yùn)行和卷取精度。因此轉(zhuǎn)向輥的設(shè)計、加工、安裝、轉(zhuǎn)速控制精度以及熱凸度變形等對熱軋鋁帶產(chǎn)品精度的控制起到了至關(guān)重要的作用，然而轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定了其熱凸度變形情況以及轉(zhuǎn)向輥的運(yùn)行狀況。在多個鋁熱軋生產(chǎn)線中，都出現(xiàn)了因內(nèi)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計，不能滿足復(fù)雜工況而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輥故障頻發(fā)，增加了維護(hù)成本，影響了生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)品精度。

圖1 典型1+3熱連軋工藝布置Figure 1 The typical 1+3 hot rolling process arrangement

1 故障原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷結(jié)構(gòu)有關(guān)的故障現(xiàn)象主要包括：

(1)內(nèi)冷卻效果不好，輥子表面溫度高，導(dǎo)致粘鋁加劇，卷取精度受影響。

(2)轉(zhuǎn)向輥轉(zhuǎn)動過程中旋轉(zhuǎn)接頭擺動幅度大，導(dǎo)致密封和軸承頻繁燒損，甚至抱死。

(3)轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷進(jìn)水管堵死，與旋轉(zhuǎn)接頭脫落，導(dǎo)致冷卻水無法起到冷卻效果，內(nèi)部水沸騰。如圖2所示為某鋁廠出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向輥故障。

1.2 故障原因分析

如圖3和圖4所示，轉(zhuǎn)向輥多為焊接式空心輥，輥子操作側(cè)軸頭有一個?40 mm的通孔，一根軸向均布多個?6 mm小孔的細(xì)長進(jìn)水管，從操作側(cè)插入到傳動側(cè)軸頭內(nèi)側(cè)支撐套內(nèi)，進(jìn)水管操作側(cè)接口與把合在操作側(cè)軸頭上的旋轉(zhuǎn)接頭采用螺紋連接。冷卻水由操作側(cè)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水口通過內(nèi)部進(jìn)水管充入輥子內(nèi)腔，對輥身進(jìn)行內(nèi)部冷卻，再由回水口排出內(nèi)腔，水的循環(huán)流動起到了帶走熱量的作用。

1—法蘭連接 2—回水口 3—進(jìn)水口 4—螺紋連接 5—旋轉(zhuǎn)接頭 6—內(nèi)冷進(jìn)水管 7—空心輥身 8—進(jìn)水管傳動側(cè)內(nèi)部支撐

1—回水口 2—進(jìn)水口 3—螺紋連接 4—內(nèi)冷進(jìn)水管 5—旋轉(zhuǎn)接頭 6—螺紋連接 7—空心輥身 8—進(jìn)水管傳動側(cè)內(nèi)部支撐

從以上兩種轉(zhuǎn)向輥輥子結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)接頭連接形式(如圖5所示)以及動作原理來分析，中間細(xì)長進(jìn)水管一端與旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水管螺紋連接，為固定不動形式，另一端與內(nèi)側(cè)支撐套連接，因輥子轉(zhuǎn)動，與進(jìn)水管支撐點存在相對轉(zhuǎn)動摩擦，然而進(jìn)水管中部沒有支撐，由于重力產(chǎn)生的撓度變形以及可能存在的冷卻水雜質(zhì)和銹蝕問題而導(dǎo)致摩擦力加劇，極容易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭出現(xiàn)偏載而擺動、密封和軸承損壞、螺紋連接脫落等故障。

1—法蘭連接 2—回水口 3—進(jìn)水口 4—螺紋連接 5—旋轉(zhuǎn)接頭 6—內(nèi)冷進(jìn)水管 7—空心輥身

經(jīng)過對多起轉(zhuǎn)向輥故障現(xiàn)象以及損壞旋轉(zhuǎn)接頭的拆解分析，發(fā)現(xiàn)損壞情況均基本類似，確認(rèn)該結(jié)構(gòu)在頻繁啟停、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、冷卻水質(zhì)較差、輥子較長、高溫等復(fù)雜工況下，不能滿足可靠生產(chǎn)的要求。因此考慮從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2 優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 改進(jìn)方案

如圖6所示，根據(jù)之前的分析，本次改進(jìn)將內(nèi)冷進(jìn)水管分成兩部分，插入輥身部分通過法蘭盤連接與輥子一起轉(zhuǎn)動；另一部分，采用新的旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)，內(nèi)置短進(jìn)水管采用滑動支撐，可以與旋轉(zhuǎn)接頭相對轉(zhuǎn)動，通過其本身的精度和相關(guān)件的加工精度，更好地保證裝配后運(yùn)動部件的同軸度，有效避免細(xì)長進(jìn)水管自身變形對旋轉(zhuǎn)接頭的影響。改進(jìn)后的冷卻結(jié)構(gòu)，大大改善了旋轉(zhuǎn)接頭的運(yùn)行平穩(wěn)性，提高了軸承、密封的使用壽命，不再出現(xiàn)進(jìn)水管脫落現(xiàn)象，輥身冷卻效果穩(wěn)定。

1—法蘭連接 2—回水口 3—進(jìn)水口 4—滑動支撐 5—旋轉(zhuǎn)接頭 6—短進(jìn)水管 7—內(nèi)冷進(jìn)水管 8—空心輥身圖6 改進(jìn)旋轉(zhuǎn)接頭選型和連接方案Figure 6 Improved rotating joint model selection and connection project

1—回水口 2—進(jìn)水口 3—內(nèi)冷進(jìn)水管 4—空心輥身 5—進(jìn)水管支撐銅合金套

2.2 降本優(yōu)化方案

如圖7所示，從降低成本和提高運(yùn)行可靠性的角度出發(fā)，對轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化設(shè)計方案。通過端蓋法蘭盤連接將中間進(jìn)水管進(jìn)行固定，同時加大管徑，提高剛性和冷卻能力；在進(jìn)水管末端裝有銅合金或自潤滑襯套作為采用旋轉(zhuǎn)支撐，插入傳動側(cè)軸頭內(nèi)孔。此方案具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本和備件成本低、故障率低、維護(hù)簡單的特點。另外此結(jié)構(gòu)必須注意密封選型設(shè)計以及排水通暢，避免冷卻水進(jìn)入軸承。

3 結(jié)論

通過自主設(shè)計、現(xiàn)場故障分析、結(jié)構(gòu)研究以及優(yōu)化方案現(xiàn)場檢驗，生產(chǎn)線上改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向輥冷卻效果得到了明顯改善，設(shè)備故障率大幅降低，大幅降低了客戶的備件成本，值得在新建或技改的熱軋帶材生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用。

[1] 周國盈. 帶鋼精整設(shè)備[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[2] 趙蕊. 本鋼熱連軋廠2300mm機(jī)組輸出輥道內(nèi)冷輥排水設(shè)計改進(jìn)[J]. 科技風(fēng)，2014(19)：103-103.