開坯機(jī)壓下裝置螺紋強(qiáng)度設(shè)計(jì)及壽命改善方法

曹明輝，柴達(dá)明

（1.中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019；2.河北鑫達(dá)集團(tuán)500H型鋼廠，河北唐山 063000）

0 引言

開坯機(jī)的輥縫調(diào)節(jié)主要采用電動(dòng)壓下和液壓微調(diào)的兩種方式來實(shí)現(xiàn)。由于軋鋼廠的訂單來自不同客戶，更換品種必然導(dǎo)致壓下裝置頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，為適應(yīng)這種要求，要求壓下系統(tǒng)具有小慣性、較高的傳動(dòng)效率及兩側(cè)位置精度高的特征。電動(dòng)壓下裝置是開坯機(jī)上最常用的輥縫快速調(diào)整機(jī)構(gòu)，位于開坯機(jī)兩個(gè)機(jī)架牌坊的上部，主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速箱、壓下絲桿、壓下螺母、回松裝置等零部件組成。目前，國內(nèi)一些中型型鋼車間所用開坯機(jī)壓下裝置中的壓下絲桿和螺母裸露在充滿水蒸氣和粉塵顆粒環(huán)境中，加劇了壓下絲桿和壓下螺母的螺紋磨損，大大降低了壓下絲桿、螺母的壽命，亦發(fā)生螺紋副卡死現(xiàn)象。其原因一方面選型不合理，另一方面是潤滑不足造成的。為了避免上述情況，車間需要操作工頻繁對(duì)壓下絲桿和壓下螺母進(jìn)行潤滑以減小磨損，避免卡死，其效果不佳。嚴(yán)重影響軋鋼車間的生產(chǎn)效率，同時(shí)還要求生產(chǎn)車間準(zhǔn)備大量壓下螺備件更換，增加了車間的成本。本文從合理選型的角度出發(fā)，提出壓下絲桿和螺母理論設(shè)計(jì)參考依據(jù)。從避免卡死及環(huán)境污染的角度出發(fā)，提出把原人工開放式加油潤滑改為閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)，使得壓下絲桿、壓下螺母壽命大幅提升，且減小了環(huán)境污染。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)能降耗具有大面積推廣意義。

1 壓下絲桿螺紋外徑的確定

從強(qiáng)度觀點(diǎn)分析，壓下絲桿外徑與軋輥的輥頸承載能力都與各自直徑的平方成正比關(guān)系，二者均承受同樣大小的軋制力，因此，經(jīng)驗(yàn)證明二者之間有一定的關(guān)系，可按公式進(jìn)行初步選型[1]，D=（0.55～0.62）dg，其中，D 為壓下絲桿大徑，mm，dg為軋輥軸頸直徑，mm。D確定后可根據(jù)自鎖條件再確定壓下絲桿的螺距 t，t=πDtanα，其中，t為螺紋螺距，mm，α 為螺紋升角，（°）。按自鎖條件要求 α≤2°30′，則 t≤（0.12～0.14）D。經(jīng)驗(yàn)證明從精調(diào)和生產(chǎn)的角度出發(fā)，開坯機(jī)壓下絲桿螺紋升角α取1°時(shí)，即t≈0.0017D時(shí)，對(duì)于中型型鋼開坯機(jī)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。當(dāng)D和t確定后，可參考有關(guān)螺紋標(biāo)準(zhǔn)來確定壓下絲桿的有關(guān)螺紋長度，并且必須根據(jù)壓下螺母的高度及軋輥的最大提升量來確定。

2 壓下絲桿螺紋的強(qiáng)度計(jì)算校核

2.1 最大載荷的確定

首先正常軋制時(shí)壓下絲桿受到的載荷應(yīng)為P0=Pz+P1，其中，Pz為軋鋼時(shí)作用在軸頸上（壓下絲桿）的總軋制力，P1為上輥平衡的過平衡力。對(duì)于開坯機(jī)而言，上輥平衡裝置需要平衡的主要部件包括上輥、壓下絲桿、回松裝置、軸承座。另外平衡梁、部分襯板、導(dǎo)板的自重及萬向軸的部分自重導(dǎo)致上輥平衡裝置產(chǎn)生過平衡力，由于過平衡力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軋制力，故忽略不計(jì)。因此設(shè)計(jì)壓下絲桿時(shí)只需考慮總軋制力。

2.2 壓下絲桿的擠壓強(qiáng)度校核

壓下絲桿直徑和軋制力之間是非線性關(guān)系。由于壓下絲桿的絲桿長度比絲桿直徑往往大很多，其比值在（3，5）區(qū)間的，不滿足材料力學(xué)的壓桿失穩(wěn)特征，故不需要進(jìn)行其穩(wěn)定性校核。根據(jù)材料力學(xué)的強(qiáng)度校核公式確定絲桿小徑D1[1]，見式（1）。

式中Pz——軋鋼時(shí)作用在軸頸上（壓下絲桿）的總軋制力，N σb——壓下絲桿許用應(yīng)力，壓下絲桿一般采用合金鋼（40Cr，40CrMo，40CrNi），其抗拉強(qiáng)度為 σb=600～750 MPa，取安全系數(shù)n=6時(shí)，許用應(yīng)力σb=100～125 MPa。

由于壓下絲桿只有螺紋及位于推力軸承內(nèi)部的部分才承受軋制力，故作抗擠壓核算時(shí)不考慮壓下絲桿上部的漸開線花鍵部分，只需壓下絲桿小徑滿足強(qiáng)度要求即可。

2.3 壓下螺母強(qiáng)度校核

當(dāng)壓下絲桿的螺紋小徑D1、螺距t及螺紋形狀確定后，壓下螺母的螺紋小徑d1、螺距t及螺紋形狀自然也可以確定了。壓下螺母的材料通常選用青銅，因此這種材料的薄弱環(huán)節(jié)是較軟，因此只需要校核螺母螺牙的擠壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由于螺母每一圈螺牙受力是不同的，沿螺母高度方向，最上端受力最大，承受最大載荷的第一圈螺牙的載荷為[1]Pmax=（Pzt）/H，其中，H為壓下螺母高度，mm。壓下螺母配合壓下絲桿一起工作，其高度取決于配合螺紋的圈數(shù)，壓下螺母高度不能影響壓下絲桿的運(yùn)動(dòng)及相關(guān)機(jī)架的空間，由生產(chǎn)實(shí)踐可知通常取H=（1.2～2）D。若將螺母沿螺旋線方向（螺紋大徑d處）展開，則可看作的懸臂梁，懸臂梁的長度為πd，高度為螺牙齒根厚度b，每圈螺紋受力面上所承受的單位擠壓力最大值為Pmax，其作用的位置是以d2的為直徑的圓周上（圖1）。

圖1 壓下螺紋形狀及螺母展開

根據(jù)材料力學(xué)彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，則螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力為式（2）。

式中Pmax——作用在壓下絲桿上的最大載荷，N

d——螺紋大徑，mm

b——螺牙根部厚度，mm

h1——載荷相對(duì)于固定端的力臂，h1=0.5（d-d2），mm

d2——螺紋的公稱直徑，mm

螺牙的剪切應(yīng)力：

式中[τ]——許用剪切應(yīng)力，MPa

螺牙的擠壓應(yīng)力見式（4）。

式中[σj]——許用擠壓應(yīng)力，可取[σj]=30～40 MPa

d2——螺母螺紋內(nèi)徑，mm

2.4 漸開線花鍵的強(qiáng)度確定

花鍵的強(qiáng)度校核[2]見式（5）。

式中T——花鍵需要傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，N·mm

φ——各齒載荷不均勻系數(shù)，一般取φ=0.7～0.8

z——齒數(shù)

L——齒的工作（配合）長度，mm

dm——平均圓直徑，漸開線花鍵dm=D=mz，mm

D——對(duì)于漸開線花鍵，為分度圓直徑，mm

m——模數(shù)

h——鍵齒工作高度，對(duì)于漸開線花鍵壓力角α=30°時(shí)，h=m

PPP——許用壓強(qiáng)，對(duì)于不在載荷作用下移動(dòng)的動(dòng)連接，取 20～30 MPa

由于開坯機(jī)的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，再加上操作工維護(hù)壓下絲桿不及時(shí)以及潤滑油污染，導(dǎo)致壓下絲桿經(jīng)常出現(xiàn)卡死的故障，進(jìn)一步導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，而電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩通常是額定扭矩的1.5～2倍，發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)全部堵轉(zhuǎn)扭矩將全部加在一個(gè)壓下絲桿花鍵上，壓下絲桿花鍵最大扭矩 Tmax=2×（1.5～2）T=（3～4）T。因此花鍵在選型時(shí)需要考慮發(fā)生堵住的情況。

3 提高開坯機(jī)壓下裝置壽命的途徑

由于傳統(tǒng)開坯機(jī)壓下裝置中壓下絲桿和螺母采用開式潤滑，其所在環(huán)境中存在大量氧化鐵皮粉塵顆粒，易進(jìn)入壓下絲桿和螺母形成的螺紋副的油膜中，致使壓下螺母磨損加劇，導(dǎo)致壓下螺母使用壽命大大縮短，并且極易發(fā)生壓下絲桿會(huì)卡死的現(xiàn)象，導(dǎo)致停機(jī)檢修、維護(hù)的時(shí)間和更換頻率大幅提升，而且頻繁的更換壓下螺母嚴(yán)重影響開坯機(jī)的生產(chǎn)使用效率，且車間還需要準(zhǔn)備大量的壓下螺母。造成企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅增加，其根源就是潤滑不良造成的。本文所述壓下裝置中的壓下絲桿和螺母的潤滑采用密閉的稀油潤滑循環(huán)系統(tǒng)，而且在壓下絲桿的下方設(shè)置回松裝置。密閉的稀油潤滑循環(huán)系統(tǒng)主要由防塵罩、噴油管、蝸輪減速機(jī)、機(jī)架、壓下絲桿、壓下螺母、油液保護(hù)罩組成，防塵罩的一側(cè)設(shè)置噴油管，潤滑油通過噴油管進(jìn)入壓下絲桿、螺母，花鍵副部位潤滑，油液保護(hù)罩下面設(shè)有回油管，潤滑油通過回油管回到油箱。另外在壓下螺母螺紋大徑圓周上，軸向鉆有2～4個(gè)深油孔均布與各圈螺紋齒根貫通，潤滑油可通過油孔送入各圈螺紋根部，從而保證供油路程較短，油膜連續(xù)不斷，這種方式不僅克服開式潤滑的弊端，而且還能防止?jié)櫥臀廴经h(huán)境。壓下螺母隨著時(shí)間的推移，其螺紋出現(xiàn)磨損，回松裝置可調(diào)節(jié)壓下壓下絲桿和壓下螺母的配合間隙。回松裝置主要由缸體和活塞組成，在回松裝置的缸體上單獨(dú)裝有進(jìn)油管和回油管供油，通過進(jìn)油回油的方式調(diào)整活塞，以調(diào)整壓下絲桿和壓下螺母之間配合間隙，防止壓下螺母卡死。從某型鋼廠的實(shí)際使用情況來看，取得了較好的效果。

4 結(jié)論

根據(jù)軋制力如何設(shè)計(jì)開坯機(jī)的壓下絲桿和壓下螺母進(jìn)行探討，為工程技術(shù)人員提供理論參考依據(jù)。在不大幅度改變開坯機(jī)緊湊結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，解決了壓下絲桿和壓下螺母之間螺紋副的潤滑、壓下螺母卡死的現(xiàn)象。在實(shí)際使用過程中取得了良好的效果。