矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

宋 磊 岳海波

(北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧110027)

卷材在不銹鋼連續(xù)退火酸洗生產(chǎn)線機(jī)組中經(jīng)開頭導(dǎo)板開頭后，需通過(guò)夾送輥與矯直機(jī)完成粗矯直后送入后續(xù)設(shè)備中進(jìn)行下一步工作，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)設(shè)備有高度方面限制，所以該矯直設(shè)備不能應(yīng)用原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是創(chuàng)造性的改進(jìn)了矯直機(jī)全行程壓下結(jié)構(gòu)，改為全開口式機(jī)架結(jié)構(gòu)，滿足夾送輥和矯直輥的大行程要求，通過(guò)升降機(jī)對(duì)上矯直輥進(jìn)行微調(diào)。

1 矯直機(jī)參數(shù)

此次設(shè)計(jì)的矯直機(jī)設(shè)備專為某廠1450 mm不銹鋼連續(xù)退火酸洗機(jī)組使用，生產(chǎn)線基本參數(shù)如下：

鋼板來(lái)料厚度：2.0 mm～5.0 mm；

鋼板寬度：≤1450 mm；

機(jī)組工作速度：180 m/min；

機(jī)組甩尾速度：75 m/min；

機(jī)組穿帶速度：30 m/min。

2 矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

矯直機(jī)主要由機(jī)架裝配、夾送輥、輥系裝配、輥縫調(diào)整、換輥裝置和傳動(dòng)部分等組成，矯直機(jī)共5根矯直輥，其中2根矯直輥固定在上機(jī)架上，由電機(jī)控制升降機(jī)實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作，另3根矯直輥固定在下機(jī)架上。矯直機(jī)設(shè)備總圖如圖1所示。

2.1 機(jī)架裝配

矯直機(jī)機(jī)架裝配由下機(jī)架、上機(jī)架、液壓缸、導(dǎo)軌、托板等組成，其中除液壓缸外均采用了焊接結(jié)構(gòu)。下機(jī)架與上機(jī)架一端由液壓缸連接，一端用絞軸連接，使矯直機(jī)架體具有較高強(qiáng)度和剛度，通過(guò)液壓缸的抬起，上機(jī)架繞絞軸抬起，實(shí)現(xiàn)上機(jī)架與下機(jī)架的快速分離，以便料頭快速通過(guò)。

圖 1 矯直機(jī)設(shè)備總圖Figure 1 General drawing of straightener equipment

2.2 夾送輥

夾送輥位于矯直輥前，用于將來(lái)料送入矯直輥，機(jī)前開頭導(dǎo)板安裝在夾送輥下輥上，夾送輥共兩根，上夾送輥為傳動(dòng)實(shí)心掛膠錐形輥，通過(guò)萬(wàn)象聯(lián)軸器與減速齒輪馬達(dá)連接，固定安裝在上機(jī)架上；下輥為被動(dòng)空心錐形輥，安裝在下機(jī)架上。夾送輥裝配圖如圖2所示。

上夾送輥軸承座受柱塞缸作用，上下夾送輥輥面在工作狀態(tài)時(shí)貼緊，在上下機(jī)架不分離而有來(lái)料要進(jìn)入矯直機(jī)時(shí)，可使柱塞缸泄壓，此時(shí)上夾送輥僅受重力作用，以方便鋼板進(jìn)入。上夾送

輥軸承座上下兩側(cè)均有墊片，當(dāng)上夾送輥輥面產(chǎn)生定量磨損而使上下夾送輥輥面離縫時(shí)，可通過(guò)墊片位置的調(diào)整使輥面始終保持貼緊狀態(tài)。

根據(jù)已有液壓缸尺寸及夾送輥直徑尺寸為250 mm可計(jì)算出電機(jī)功率及電機(jī)減速比。

電機(jī)功率：P=FVi≈6 kW

式中，F(xiàn)為來(lái)料所要克服的阻力，F(xiàn)=60.324 kN；V為機(jī)組穿帶速度，V=30 m/min；i為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.2。

為滿足電機(jī)過(guò)載要求，選用11 kW電機(jī)。

根據(jù)公式及已知穿帶速度，選用轉(zhuǎn)速為39 r/min的電機(jī)。

2.3 輥系裝配

輥系裝配為矯直機(jī)的核心部分，鋼板的矯直是通過(guò)輥系裝配來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由上、下5個(gè)矯直輥裝配(呈上2下3布置)組成。矯直輥裝配見(jiàn)圖3。

圖 2 夾送輥裝配圖Figure 2 Assembly drawing of pinch roller

圖 3 矯直輥裝配圖
Figure 3 Assembly drawing of straightening roller

矯直輥的材質(zhì)選用GCr15，是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格熱處理及理化檢驗(yàn)的高強(qiáng)度合金鋼。矯直輥軸承座采用了鍛鋼，兩個(gè)上矯直輥兩側(cè)軸承座都是單獨(dú)的，兩側(cè)裝有滑板，在上機(jī)架內(nèi)滑動(dòng)，其升降由電機(jī)直連的升降機(jī)控制，下輥安裝在下軸承座內(nèi)，軸承座固定在下機(jī)架上，下軸承座兩端裝有滾輪，當(dāng)需要換輥時(shí)滾輪可沿鋼軌將下軸承座抽出下機(jī)架。

已知矯直機(jī)輥距及所矯直材料參數(shù)的情況下，計(jì)算矯直機(jī)的矯直力及電機(jī)功率。

計(jì)算出各矯直輥的彎曲力矩：

M1=M5=0

M2=Ms=σsbh2/4=4950 N·m

M3=(Ms+Mw)/2=4125 N·m

M4=Mw=σsbh2/6=3300 N·m

各矯直輥矯直力為：

P1=2Ms/t=52105 N

P2=(5Ms+Mw)/t=147632 N

P3=4(Ms+Mw)/t=434211 N

P4=(5Mw+Ms)/t=112895 N

P5=2Mw/t=34737 N

從以上參數(shù)可以看出，在所有矯直輥中第三輥所受的矯直力最大，在已知參數(shù)的基礎(chǔ)上分別計(jì)算出彎曲變形所需力矩Mu、來(lái)料與輥?zhàn)娱g滾動(dòng)摩擦所需力矩Mk、克服輥?zhàn)虞S承的摩擦力矩Mb，這樣總力矩M=Mk+Mu+Mb=5268 N·m。

經(jīng)以上計(jì)算可得電機(jī)功率為：

N=M×2V/Dη≈86.1 kW

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已使用矯直機(jī)的電機(jī)功率及計(jì)算結(jié)果，綜合選取電機(jī)功率為90 kW。

2.4 輥縫調(diào)整

矯直機(jī)輥縫調(diào)整靠減速齒輪馬達(dá)直聯(lián)長(zhǎng)軸同步帶動(dòng)兩側(cè)升降機(jī)升降，兩個(gè)上輥既可以聯(lián)動(dòng)，也可以單獨(dú)調(diào)整，調(diào)整范圍為0～15 mm，其調(diào)整尺寸由編碼器控制。

2.5 換輥裝置

換輥架體為焊接結(jié)構(gòu)，一端用銷軸聯(lián)接在矯直機(jī)下機(jī)架上，一端固定在地腳上，換輥時(shí)將換輥小車平移到下機(jī)架處。用螺栓將換輥小車與下矯直輥軸承座把和，通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)升降機(jī)將整套輥系抽出。矯直輥下軸承座處裝有滾輪，可沿?fù)Q輥架體軌道移動(dòng)。

2.6 傳動(dòng)部分

傳動(dòng)裝置由主電機(jī)、制動(dòng)器、減速機(jī)、聯(lián)軸器、分配箱、萬(wàn)向接軸組成。由1臺(tái)變頻調(diào)速電機(jī)(用戶自備)通過(guò)減速機(jī)、分配箱、萬(wàn)向接軸傳動(dòng)矯直機(jī)的上下矯直輥。單備1臺(tái)減速齒輪馬達(dá)通過(guò)萬(wàn)向接軸驅(qū)動(dòng)夾送輥上輥。主電機(jī)與減速機(jī)之間由帶制動(dòng)盤的鼓形安全聯(lián)軸器連接，通過(guò)氣動(dòng)盤式制動(dòng)器控制，當(dāng)主電機(jī)斷電時(shí)，制動(dòng)鉗隨即將主傳動(dòng)制動(dòng)。

分配箱由可分的上、中、下箱體、齒輪軸等組成。箱體采用焊接結(jié)構(gòu)，齒輪采用6級(jí)精度硬齒面，齒輪材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制作，所有齒輪采用齒面滲碳淬火，保證齒面硬度。各齒輪支承軸承均采用調(diào)心滾子軸承。分配箱采用油池潤(rùn)滑方式，對(duì)齒面進(jìn)行飛濺潤(rùn)滑。

圖4 兩種矯直機(jī)對(duì)比Figure 4 Comparison of two kinds of straighteners

3 技術(shù)創(chuàng)新及特點(diǎn)

傳統(tǒng)的矯直機(jī)壓下系統(tǒng)通常是在需要大行程壓下時(shí)使用液壓缸直接推動(dòng)上矯直輥軸承座，使上、下矯直輥快速靠近，在達(dá)到預(yù)定行程后再通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿對(duì)矯直輥間輥縫進(jìn)行微調(diào)，其行程由電機(jī)尾端所帶的編碼器進(jìn)行控制，壓下桿上帶齒，與一對(duì)齒輪配合，實(shí)現(xiàn)壓下過(guò)程中的機(jī)械同步，這種結(jié)構(gòu)在上矯直輥壓下過(guò)程中軌跡較為精準(zhǔn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無(wú)法滿足對(duì)設(shè)備高度有限制的現(xiàn)場(chǎng)。某廠1450 mm不銹鋼連續(xù)退火酸洗機(jī)組有嚴(yán)格要求，因此無(wú)法采用此種壓下形式。兩種矯直機(jī)對(duì)比如圖4所示。

與傳統(tǒng)矯直機(jī)相比，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)使用情況，降低設(shè)備整體高度，所以將矯直機(jī)輥縫調(diào)整裝置由垂直調(diào)整更改為上下機(jī)架開口模式，上機(jī)架使用兩個(gè)液壓缸推動(dòng)，繞上下機(jī)架絞合點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。矯直輥不工作狀態(tài)時(shí)，可將上機(jī)架推離下機(jī)架，在使用時(shí)利用液壓缸將上機(jī)架迅速拉回，再利用電機(jī)對(duì)上下輥縫進(jìn)行微調(diào)。