軋機(jī)窗口間隙對(duì)軋制精度影響

顧代權(quán)

(上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠 江蘇南京 210039)

1 前言

軋機(jī)設(shè)備的精度是保證帶鋼產(chǎn)品軋制質(zhì)量的基礎(chǔ)。而牌坊兩側(cè)窗口的剛度差及軋輥正反轉(zhuǎn)測試的兩側(cè)壓力差是檢驗(yàn)軋機(jī)設(shè)備精度的主要參數(shù)。影響這些參數(shù)的關(guān)鍵因素是軋輥在窗口的位置關(guān)系。故有必要對(duì)軋機(jī)的工作輥、支撐輥等進(jìn)行受力分析，以便規(guī)范各窗口的尺寸精度及相互的位置關(guān)系，并獲得窗口與軸承箱的最佳間隙。實(shí)現(xiàn)牌坊窗口與軋輥軸承箱的規(guī)范化管理，達(dá)到軋機(jī)精度持續(xù)保持的目標(biāo)。

2 軋機(jī)存在的問題

前期的1422產(chǎn)線鐮刀彎科研項(xiàng)目，對(duì)軋機(jī)窗口進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，使得軋機(jī)牌坊的剛度一度得以好轉(zhuǎn)。但僅一年之后，F(xiàn)1與F3軋機(jī)的剛度測試指標(biāo)14%、軋輥正反轉(zhuǎn)測試指標(biāo)達(dá)22%，遠(yuǎn)高于規(guī)范的5%與1%的指標(biāo)。

查閱原項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)：①原報(bào)告沒有理論基礎(chǔ)做指導(dǎo)，歷次檢測的內(nèi)容與數(shù)據(jù)均不同，故沒有進(jìn)行詳細(xì)分析與數(shù)據(jù)整理；② 原設(shè)備是通過數(shù)據(jù)檢測，采用臨時(shí)措施處理設(shè)備，沒有統(tǒng)一的方案與依據(jù)；③ 原方案對(duì)不同軋機(jī)的處理方法，采用的標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)相差很大。

顯然，解決上述問題，需要對(duì)軋機(jī)窗口進(jìn)行受力分析，并根據(jù)分析的結(jié)論重新分析前期的遺留數(shù)據(jù)，制定統(tǒng)一的規(guī)則，并現(xiàn)場驗(yàn)證，以期獲得一般性的結(jié)論。

3 軋機(jī)窗口的結(jié)構(gòu)

軋機(jī)由牌坊、壓下機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、輥系、換輥小車等組成。其中：窗口由牌坊、襯板、彎輥塊等組成；壓下機(jī)構(gòu)由機(jī)械的“絲桿絲母副+蝸輪蝸桿副”與液壓的AGC油缸組成；提升機(jī)構(gòu)由提升梁、扁擔(dān)梁、提升油缸組成；輥系由上支撐輥、上工作輥、下工作輥、下支撐輥組成。換輥小車則由小車本體、墊板等組成。具體見圖1。其中：上支撐輥與上工作輥組成上輥系，下支撐輥與下工作輥組成下輥系。軋輥軸承箱由牌坊的側(cè)面或鎖門板的壓力來約束。

圖1 軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

精軋機(jī)的主要參數(shù)如下：

支撐輥半徑R=690mm，工作輥半徑r=365mm，支撐輥與工作輥設(shè)計(jì)偏心(即輥系偏心)δ=10mm。

軋制力P=2000t。金屬之間的摩擦系數(shù)f=(0.1～0.12)。

支撐輥與牌坊窗口的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)間隙：1.3～1.8mm(極限間隙3.0mm)；工作輥與牌坊窗口的間隙：1.6～2.2mm(極限間隙3.0mm)；軋制力P=2000t；兩側(cè)軸承箱中心距 2500mm。

軋鋼前的基本要求是：正反轉(zhuǎn)的測壓頭壓差指標(biāo)小于1%，牌坊的兩側(cè)剛度差指標(biāo)小于5%。

4 軋輥受力分析

本文受力分析，忽略設(shè)備本身的重力、提升梁的提升力、彎輥缸的壓力等因素，僅就軋制力及其引起的分力進(jìn)行討論。

4.1 支撐輥理想狀態(tài)的受力淺析

支撐輥的理想狀態(tài)是軸承箱全部壓靠牌坊的入口面。在實(shí)際的軋制過程中，支撐輥位置也較為固定，以上支撐輥為例，其受力分析見圖2。

根據(jù)已知的數(shù)據(jù)及圖2，可以得出上支撐輥垂直方向受力方程：

或K1=0.01P；K3=1.00005P。(同理可以得出圖5下支撐輥：K4≈0.01N)

此時(shí)，支撐輥的軸承箱壓靠入口面，工作輥軸承箱壓靠出口面。

圖2 上支撐輥受力分析圖

圖3 支撐輥與工作輥的象限點(diǎn)關(guān)系圖

顯然，工作輥與支撐輥處于極端狀態(tài)下，即兩側(cè)軸承箱處于最大的水平交叉量3毫米的情況下，將轉(zhuǎn)化為工作輥的水平度偏差僅0.06mm/2.5m。顯然牌坊窗口間隙對(duì)軋輥的水平度影響，可以忽略不計(jì)。

4.2 支撐輥與工作輥產(chǎn)生交叉的影響

根據(jù)上述分析，如以支撐輥為參考，工作輥應(yīng)在支撐輥的象限點(diǎn)出口側(cè)附近的2500×3×0.06的空間內(nèi)工作。工作輥與支撐輥的交叉將影響工作輥的水平度。其極限影響為0.06mm/2.5m。這對(duì)牌坊的剛度影響較小，但影響鎖門板的受力的受力情況，也影響兩輥等效受力點(diǎn)S的位置，具體分析如下。

由圖4可知：在兩輥交叉時(shí)，主動(dòng)的工作輥接觸處S點(diǎn)的線速度Vg分解為支撐輥的線速度Vz與兩者的滑動(dòng)速度Vh。由于Vh較小，故支撐輥與工作輥將會(huì)有軸向的運(yùn)動(dòng)趨勢，并產(chǎn)生靜摩擦力。有關(guān)資料顯示，當(dāng)交叉角為0.05°時(shí)，產(chǎn)生的摩擦力fP最大[1]，fP最大為0.05P[2]。

圖4 交叉輥速度分解圖

此軸向力由軋機(jī)的牌坊側(cè)面(或鎖門板)的壓力來平衡[3]，兩側(cè)壓力(T1、T2)，大小相等，方向相反，并形成力偶。故fP≈0.05P是鎖門板設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

4.3 下支撐輥受力研究

下支撐輥進(jìn)入牌坊窗口之后，由于下支弧形搖擺板的滾動(dòng)功能，在下工作輥的作用力K7及軋輥?zhàn)灾氐耐苿?dòng)下，整個(gè)軸承箱向入口面滾動(dòng)(B3為搖擺板的下象限點(diǎn))，軸承箱的入口側(cè)面的上端B1點(diǎn)與窗口壓靠，產(chǎn)生水平作用力K4，在搖擺板B3處產(chǎn)生水平作用力(靜摩擦力)K6。具體見圖5。

分析圖5，可以得出如下結(jié)論：

K4≈0.01P，K6最大值為0.12P，K7作用線永遠(yuǎn)在B3的入口側(cè)。故下支撐輥的軸承箱不會(huì)向出口側(cè)移動(dòng)。

顯然，窗口間隙越大，下支撐輥裝輥位置隨機(jī)性也越大，兩側(cè)軸承箱的對(duì)稱度相差也大，牌坊的剛度指標(biāo)與正反轉(zhuǎn)試驗(yàn)指標(biāo)也更差。

4.4 上支撐輥受力研究

上支軸承箱懸掛在提升梁上(見圖6)，并由AGC油缸下壓。其受力分析與下支撐輥類似，結(jié)論也類似，即：在軋鋼過程中，上支軸承箱位置不動(dòng)，一直處于初裝的位置。上支窗口間隙的縮小，有利于減少軸承箱初裝的隨機(jī)性，有利于軋機(jī)剛度的穩(wěn)定。

圖5 下支撐輥受力圖

圖6 上支撐輥受力圖

4.5 工作輥的基本受力分析

圖7 工作輥受力圖

4.6 工作輥交叉的后果研究

當(dāng)工作輥存在交叉現(xiàn)象時(shí)，參考圖8。在工作輥正傳的時(shí)候，工作輥壓靠出口彎輥塊。在工作輥反傳的時(shí)候，由于受到各自支撐輥的約束較小，工作輥軸承箱在輥間的摩擦力fP的作用，上下工作輥的等效交叉點(diǎn)S1的位置會(huì)向O點(diǎn)回移，壓力差將會(huì)減小。

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在這種情況下，做剛度測試。隨著壓力的增大，等效交叉點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，并向中點(diǎn)靠近；在測試的中途，兩側(cè)的剛度曲線，有可能會(huì)變相(交叉)，或突變。

4.7 軋輥交叉產(chǎn)生測壓頭的壓差研究。

軋制力P由最上部的AGC油缸提供，但數(shù)據(jù)N由窗口底部的測壓頭檢測，圖8為軋機(jī)的整個(gè)輥系的等效受力分析圖 。

如果沒有交叉輥的存在，或在靜止的情況下，AGC油缸下壓力都為P/2，那么上下工作輥的等效切點(diǎn)S1為軋輥的中心點(diǎn)O，兩輥應(yīng)該是母線接觸。此時(shí)N1=N2=P/2，T1=T2=0.

圖8 軋輥輥系等效受力分析圖

實(shí)際情況是上下輥的接觸面呈微小交叉，呈微螺旋線接觸，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軋輥軸線方向的受力不均，其等效受力點(diǎn)，應(yīng)該是兩根相鄰軋輥法線的交點(diǎn)S1。S1偏離中心點(diǎn)O，并偏向于間隙較大的一側(cè)(見圖8的交叉輥系壓力平衡圖)。同時(shí)輥間也產(chǎn)生軸向力，并由T1、T2來平衡例如，若傳動(dòng)輥傳動(dòng)側(cè)間隙大于工作側(cè)，則S1偏心傳動(dòng)側(cè)，此時(shí)N1>N2，軋機(jī)傳動(dòng)輥剛度大于工作側(cè)剛度。由于軋輥軸向力偶“T1-T2”的作用，有P1

研究圖8，還可以發(fā)現(xiàn)，在工作輥反轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于工作輥與上支撐輥的軸向約束較少，致使等效受力點(diǎn)S1向O點(diǎn)靠近，兩根工作輥也趨于平行，此時(shí)的測壓頭的壓力差值比正轉(zhuǎn)狀態(tài)的壓力差值小。如果兩側(cè)的測壓頭的壓力值沒有反向超差，可以近似認(rèn)為兩根工作輥不存在交叉現(xiàn)象。 如果S1越過O點(diǎn)到達(dá)另外一側(cè)，兩側(cè)的測壓頭的壓力值會(huì)反向超差。如反轉(zhuǎn)超差值較大，可以推定上下工作輥有嚴(yán)重交叉現(xiàn)象或工作輥的窗口間隙超標(biāo)。

4.8 對(duì)策措施與效果驗(yàn)證

總結(jié)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)：上支軸承箱與窗口不接觸，上支窗口不存在磨損問題。下支窗口面的受力面與下支窗口間隙，關(guān)系到下輥系的偏心量，是影響支撐輥的裝輥位置的綜合因素，它影響了剛度測試的偏差。例如，工作側(cè)窗口的間隙大，則工作側(cè)剛度也趨于變大，反之亦然。

下輥系兩側(cè)偏心量的不同，將影響工作輥的水平度、增加支撐輥的軸向力，它是造成鎖門板磨損、軋輥軸承箱燒箱的主因。同時(shí)，上下支撐輥的交叉，反應(yīng)在工作輥上是輥面的水平度的變化、輥縫的偏差及工作輥的等效作用點(diǎn)的漂移。其中，等效作用點(diǎn)S1的漂移是影響兩側(cè)壓力差(剛度差)的主要因素。

工作輥窗口偏差，即工作輥交叉，對(duì)工作輥的水平度、輥縫影響較小，但會(huì)增大軋輥的軸向力，影響鎖門板的使用，引起剛度曲線的變相(交叉)與惡化，也會(huì)使帶鋼表面產(chǎn)生橫紋；尤其是反轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)使兩側(cè)測壓頭壓差反向超差。工作輥軸承箱僅與工作輥窗口的出口側(cè)接觸，故工作輥窗口的出口側(cè)是磨損面，應(yīng)納入管理范疇。

針對(duì)理論分析的結(jié)論，可以判定：① 上下工作輥總是相交；② 軸承箱與牌坊窗口的間隙越大，各軸承箱的隨機(jī)空間也越大，導(dǎo)致各輥的不平行機(jī)會(huì)也越多。 顯然，窗口的平面度、豎直度越差，安裝襯板之后的窗口彈性也越大，窗口的參數(shù)穩(wěn)定性越差。

在此基礎(chǔ)上，制定如下的數(shù)據(jù)整理依據(jù)：

統(tǒng)一以上支入口面為基準(zhǔn)面。將其余各面的數(shù)據(jù)，均轉(zhuǎn)化為與基準(zhǔn)面的水平距離，以支撐輥入口面與工作輥出口面之間的距離為重點(diǎn)研究對(duì)象，整理前期的所有的檢測數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)滿足：①窗口間隙宜在0.95～1.05 mm；② 上(下)輥系的兩側(cè)窗口的實(shí)際偏心差應(yīng)小于0.1 mm；③ 上(下)支入口面的平行度小于0.2 mm時(shí)，軋機(jī)的狀況最佳。

根據(jù)擬定的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同厚度的襯板，調(diào)整牌坊窗口的間隙及相互之間的對(duì)稱度，實(shí)現(xiàn)了7臺(tái)軋機(jī)的兩側(cè)剛度差小于5%，正反轉(zhuǎn)壓力差小于1%的指標(biāo)，也證明了擬定標(biāo)準(zhǔn)的有效性。

5 結(jié)論

本次對(duì)軋機(jī)設(shè)備的精度攻關(guān)及驗(yàn)證，得出影響軋機(jī)兩側(cè)剛度及正反轉(zhuǎn)壓力偏差的主要因數(shù)還是要保證窗口內(nèi)幾個(gè)指標(biāo)在管控范圍內(nèi)，即如下三點(diǎn)：1)窗口間隙宜在0.95～1.05 mm；2)上(下)輥系的兩側(cè)窗口的實(shí)際偏心差應(yīng)小于0.1 mm；3)上(下)支入口面的平行度小于0.2 mm。在此情況下，軋機(jī)的狀態(tài)最好，有效地提高軋制精度，軋制穩(wěn)定性也好，生產(chǎn)質(zhì)量更具有持續(xù)性。因板卷軋機(jī)具有普遍的類似性，故此次的攻關(guān)結(jié)果更具代表性，對(duì)其他產(chǎn)線機(jī)組更具借鑒意義。