軋輥軸向竄動(dòng)分析及預(yù)防措施

李 峰 葉秀成

(1.二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000；2.上海寶山鋼鐵股份有限公司厚板部，上海200941)

當(dāng)前，冶金板帶產(chǎn)品對(duì)板形、性能提出了更高要求，正常情況下，不允許工作輥出現(xiàn)非工藝性竄動(dòng)，或必須將竄動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)。但受軋制板坯的橫向厚差和橫向溫差的影響、軋制設(shè)備的制造誤差和裝配精度誤差影響及軋制過(guò)程中相關(guān)零部件的磨損和變形等因素的綜合作用，存在軸向力，不可避免地產(chǎn)生軋輥軸向竄動(dòng)。盡管現(xiàn)代化的板帶軋機(jī)在換輥側(cè)設(shè)置軋輥鎖緊裝置，在傳動(dòng)側(cè)，加大了主傳動(dòng)電機(jī)承受軸向負(fù)荷的能力，當(dāng)軸向力過(guò)大，造成軋輥軸向竄動(dòng)時(shí)，破壞了軋制過(guò)程的穩(wěn)定狀態(tài)，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成事故，從軋輥軸向竄動(dòng)的危害、軸向力產(chǎn)生的原因等方面進(jìn)行分析，提出了控制軋輥非正常軸向移動(dòng)的措施。

1 軋輥非工藝性軸向竄動(dòng)的危害

1.1 軋輥軸向竄動(dòng)對(duì)軋機(jī)穩(wěn)定性的影響

四輥板帶軋機(jī)的穩(wěn)定性一般是通過(guò)工作輥中心線相對(duì)支承輥中心線的偏移距保證的。由于偏移距的存在，軋制時(shí)工作輥與支承輥間壓力的水平分力分別將軋輥壓向兩側(cè)，使工作輥和支承輥處于穩(wěn)定狀態(tài)[1]。引起非工藝軸向竄動(dòng)的軋輥空間交叉累積到一定程度，軸向分力就會(huì)克服工作輥與支承輥之間的摩擦力，破壞輥系平衡關(guān)系，導(dǎo)致軋制狀態(tài)極不穩(wěn)定，引起軋輥無(wú)規(guī)律跳動(dòng)，機(jī)架劇烈震動(dòng)。

1.2 軋輥軸向竄動(dòng)對(duì)板坯質(zhì)量的影響

超出合理范圍的軋輥軸向竄動(dòng)破壞了軋機(jī)的受力平衡，使板坯在輥縫間變形極不穩(wěn)定。一方面，由于軋輥軸向竄動(dòng)方向不可人為控制，導(dǎo)致板坯在出輥縫后極易出現(xiàn)鐮刀彎，導(dǎo)致切損增加，降低收得率。另一方面，軋輥軸向竄動(dòng)嚴(yán)重，軋出的板坯同板橫向厚度差異較大，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的邊浪、雙邊浪、塌邊等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 軋輥軸向竄動(dòng)對(duì)主傳動(dòng)裝置的影響

軋輥軸向竄動(dòng)引起主傳動(dòng)接軸甩動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致接軸平衡剖分式滾動(dòng)軸承無(wú)規(guī)律磨損，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)燒瓦；另外對(duì)主傳動(dòng)電機(jī)的影響。當(dāng)主電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)，電機(jī)磁場(chǎng)產(chǎn)生恢復(fù)力，使轉(zhuǎn)子竄動(dòng)趨勢(shì)緩解，同時(shí)電機(jī)端部的推力軸瓦進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸向定位時(shí)起保護(hù)主電機(jī)的作用。當(dāng)軋輥軸向竄動(dòng)較大時(shí)，過(guò)大的軸向力直接作用于推力軸瓦，導(dǎo)致軸瓦受損，破壞了主電機(jī)。

1.4 軋輥軸向竄動(dòng)對(duì)軋輥的影響

軋輥的軸向竄動(dòng)不僅增加了軋輥軸承的軸向負(fù)荷，同時(shí)增加了工作輥與板坯之間、工作輥與支承輥之間的作用力，使輥面嚴(yán)重磨損。

1.5 軋輥軸向竄動(dòng)對(duì)輔助設(shè)備的影響

軋輥的軸向竄動(dòng)不僅破壞了軋機(jī)的穩(wěn)定性，還加劇了設(shè)備的損壞，主要包括工作輥壓緊彎輥缸、主平衡缸、軋輥鎖緊裝置、導(dǎo)衛(wèi)裝置、油膜軸承等。

2 軋輥非工藝性軸向竄動(dòng)的定性分析

軋機(jī)設(shè)備的制造和裝配偏差客觀存在，軋制板坯的橫向厚度差和橫向溫度差不可避免，軋制生產(chǎn)過(guò)程中零部件的磨損和變形，以及不合理的設(shè)備操作使用，這些因素的共同作用導(dǎo)致軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中軋機(jī)并不能完全處于理想狀態(tài)，軋輥軸向竄動(dòng)是客觀存在的[2]。因?yàn)檐堉七^(guò)程中產(chǎn)生了軸向力，而產(chǎn)生軸向力的原因主要是因?yàn)楣ぷ鬏伵c工作輥、工作輥與支承輥軸線之間出現(xiàn)水平、垂直交叉。

2.1 軋輥的水平交叉

軋輥間的水平交叉(包含工作輥與工作輥、工作輥與支承輥的水平交叉)是造成軋輥軸向竄動(dòng)的主要原因之一。根據(jù)德國(guó)學(xué)者Singer A R E 1962年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：10′?θ(交叉角)?1°，軸向力與軋制力成正比；θ?1°，軸向力基本不變化[3]，可以看出：在一定范圍內(nèi)，隨著軋輥水平交叉角的增大，軋輥間軸向力呈線性增長(zhǎng)，軋輥非工藝性竄動(dòng)量也越大。

2.2 軋輥的水平交叉原因

(1)滑板間隙配置不合理，磨損不對(duì)稱分布導(dǎo)致軋輥水平交叉。

板帶軋機(jī)的滑板間隙包括支承輥裝配滑板與牌坊滑板之間以及工作輥裝配滑板與工作輥平衡(彎輥)塊之間的間隙。從軋機(jī)剛度和軋制穩(wěn)定性考慮，相對(duì)應(yīng)滑板之間的間隙越小越好[4]；但從對(duì)軋制沖擊能量的分解和吸收角度、從工作輥更換便利性角度、從冶金設(shè)備相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度考慮，配對(duì)滑板之間必須留有合適間隙?；逯g有效間隙的選擇和配置至關(guān)重要，有效間隙配置過(guò)大，加上滑板磨損(摩擦磨損、腐蝕磨損和碰撞磨損)等因素作用，滑板對(duì)軋輥的約束作用減弱，造成軋輥在坯料的沖擊下，前后竄動(dòng)，影響軋制穩(wěn)定性。

四輥軋機(jī)上滑板的磨損極不均勻，磨損量呈不對(duì)稱、不均勻分布。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，操作側(cè)滑板磨損大于傳動(dòng)側(cè)滑板，下滑板的磨損超過(guò)上滑板，同側(cè)入口、出口滑板磨損狀態(tài)也不相同，同塊滑板表面磨損也不相同[4]。

正是由于滑板的有效間隙配置不合理、磨損量大且磨損不均勻，造成軋輥水平交叉進(jìn)而產(chǎn)生軸向力，驅(qū)使軋輥產(chǎn)生軸向竄動(dòng)。

(2)主傳動(dòng)作用于工作輥的附加水平力導(dǎo)致軋輥水平交叉。

受客觀環(huán)境限制，四輥軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)軸存在傾角，決定了主傳動(dòng)電機(jī)的扭矩不可能完全施加到工作輥上，多余的扭矩產(chǎn)生對(duì)工作輥的附加彎矩；同時(shí)因傳動(dòng)軸傾角的存在，造成工作輥扁頭與傳動(dòng)軸滑塊之間在軋制生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，兩者之間產(chǎn)生摩擦力，工作輥不可避免地承受摩擦彎矩。

傳動(dòng)軸傾角導(dǎo)致的工作輥附加彎矩和摩擦彎矩經(jīng)空間合成，其在水平方向的投影作用在工作輥上，驅(qū)動(dòng)工作輥擺動(dòng)，最終在工作輥上產(chǎn)生附加水平力(此附加水平力的大小與接軸傾角大小有關(guān))，導(dǎo)致輥系穩(wěn)定性降低。當(dāng)軋機(jī)滑板間隙較大且磨損不均勻分布時(shí)，導(dǎo)致了軋輥間水平交叉。

(3)軋制板坯的不對(duì)稱咬入導(dǎo)致工作輥水平交叉。

軋制板坯在進(jìn)入輥縫，建立咬入條件時(shí)，勢(shì)必對(duì)工作輥產(chǎn)生巨大的軋制沖擊。尤其當(dāng)軋制板坯頭部橫向形狀不均勻，板坯頭部進(jìn)入輥縫時(shí)出現(xiàn)一側(cè)先于另一側(cè)，喂料的沖擊力全部作用于先入一側(cè)的工作輥，工作輥受力嚴(yán)重不對(duì)稱，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，受到強(qiáng)烈的軸向力作用。

2.3 軋輥的垂直交叉

軋輥之間出現(xiàn)垂直交叉時(shí)，工作輥換輥側(cè)和傳動(dòng)側(cè)開口度不一致，兩側(cè)軋制力出現(xiàn)較大波動(dòng)，造成板坯對(duì)工作輥兩側(cè)的垂直分力出現(xiàn)差異，產(chǎn)生軸向力，造成軋輥軸向竄動(dòng)。

2.4 軋輥的垂直交叉原因

(1)軋件不對(duì)中導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

軋鋼生產(chǎn)時(shí)，板坯必須嚴(yán)格對(duì)中軋制，也就是說(shuō)軋機(jī)中心線、板坯中心線和推床的中心線完全重合。軋件沒(méi)有對(duì)中軋制中心線，即偏心軋制，導(dǎo)致軋機(jī)兩側(cè)的機(jī)架彈跳、輥系彈跳、軋制力等均不相等，產(chǎn)生垂直交叉，產(chǎn)生軸向力，造成軋輥軸向竄動(dòng)。

(2)板坯橫向厚差導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

軋制板坯在寬度方向存在厚度偏差，導(dǎo)致軋制過(guò)程軋機(jī)兩側(cè)軋制力不等，壓下量不同，軋機(jī)彈跳出現(xiàn)差異，形成軋輥垂直交叉，產(chǎn)生軸向力。

(3)板坯橫向溫度差導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

軋制板坯加熱不均，尤其是頭尾在寬度方向溫度差異較大，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)座兩側(cè)軋制力不同，兩側(cè)彈跳出現(xiàn)差異，形成軋輥垂直交叉，產(chǎn)生軸向力。

(4)軋機(jī)兩側(cè)剛度不同導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

軋機(jī)兩側(cè)牌坊、壓下系統(tǒng)(包含球面墊、壓下螺絲、螺母、調(diào)整墊片等)、軋輥裝配(工作輥、支承輥等)設(shè)備，由于所選用材質(zhì)不同、兩側(cè)設(shè)備加工制造精度誤差以及長(zhǎng)期使用的磨損不同，軋機(jī)兩側(cè)剛度差異較大，軋機(jī)兩側(cè)剛性磁滯發(fā)生較大變化，導(dǎo)致兩側(cè)彈跳不一致，軋輥產(chǎn)生垂直交叉，產(chǎn)生軸向力。

(5)兩側(cè)壓下誤差導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

生產(chǎn)過(guò)程中由于安裝有誤(比如軋輥未調(diào)平)、操作失誤(比如換輥后標(biāo)定不當(dāng))和自動(dòng)化故障(如個(gè)別磁尺失效、丟失信號(hào))等原因，軋機(jī)兩側(cè)輥縫不同或壓下不同步，導(dǎo)致軋輥垂直交叉，產(chǎn)生軸向力，這種狀態(tài)下軋制，軋件出現(xiàn)鐮刀彎，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)楔形，造成不可恢復(fù)的軋制缺陷。

(6)軋輥重磨誤差導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

軋輥使用過(guò)程中的不規(guī)則磨損(與軋輥輥面淬硬層深度不均勻、淬硬層硬度不均勻、冷卻不均和非對(duì)中軋制等原因)以及在磨輥間的重磨誤差(軋輥車床、磨床精度誤差或磨輥操作誤差)，沿軋輥輥身方向可能形成錐度，造成“錐形輥”，另外生產(chǎn)過(guò)程中，由于冷熱不均或者工作輥兩側(cè)磨損不同，導(dǎo)致軋輥在垂直面上交叉。

(7)軋輥?zhàn)晕荒p導(dǎo)致軋輥垂直交叉。

支承輥和階梯墊的接觸多采用凸面或平面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)軋輥?zhàn)晕还δ堋＿@種情況下，由于換輥側(cè)和傳動(dòng)側(cè)接觸面的受力條件、潤(rùn)滑條件、磨損情況、材料差異、性能差異、環(huán)境差異的客觀存在，導(dǎo)致自位功能面出現(xiàn)壓痕和磨損，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，兩側(cè)工況出現(xiàn)差異，形成輥系傾斜，軋輥在垂直面上形成交叉。

3 軋輥非工藝性軸向竄動(dòng)的量化分析

軋輥之間非工藝性軸向竄動(dòng)的根本原因在于工作輥之間或者工作輥與支承輥之間產(chǎn)生了軸向力，而軸向力的產(chǎn)生是由于軋制力的存在。實(shí)際軋制過(guò)程中，軋制力是通過(guò)軋制板坯與軋輥之間的摩擦力傳遞給軋輥，故而，軋制力和軋制軸向力是相依相存的關(guān)系。1970年，前蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)板帶軋機(jī)軋制軸向力進(jìn)行了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，得出的結(jié)論為：對(duì)于普通板帶軋機(jī)，工作輥和支承輥交叉產(chǎn)生的軸向力約為軋制力的3%～6%。1978年，美國(guó)在分析軋機(jī)軸承過(guò)早燒損時(shí)指出：軸向力的大小取決于軋制力和交叉角，軋輥交叉狀態(tài)時(shí)，軸向力約為軋制力的5%。1980年，我國(guó)的劉冠軍對(duì)普通四輥軋機(jī)軸向力問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為軸向力約為軋制力的1%～4%[2]。

3.1 工作輥與支承輥水平交叉產(chǎn)生的軸向力

四輥軋機(jī)一般而言，工作輥為主動(dòng)輥，支承輥為被動(dòng)輥。當(dāng)工作輥和支承輥出現(xiàn)水平交叉角時(shí)，工作輥對(duì)支承輥的摩擦力分解為兩個(gè)摩擦力分量Fr和Fa，F(xiàn)r作為工作輥帶動(dòng)支承輥轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)力，F(xiàn)a就是工作輥施加于支承輥的軸向力，兩者的關(guān)系為：Fa=Frtanθg，θg為工作輥與支承輥軸線的水平夾角。根據(jù)支承輥的力矩平衡方程，可知，支承輥軸線方向的軸向力為：

式中，F(xiàn)a為軸向力(kN)；fg為工作輥與支承輥之間的摩擦系數(shù)；Ka為軸向力系數(shù)，Ka=0.38；P為軋制力(kN)；K為系數(shù)；L1為工作輥與支承輥接觸區(qū)長(zhǎng)度(mm)；θg為工作輥與支承輥軸線的水平夾角(rad)；M為工作輥與支承輥接觸區(qū)半寬處的極限預(yù)位移(mm)，M=δB(L/2)；γ為軋輥形貌系數(shù)[5]。

3.2 工作輥與軋件水平交叉產(chǎn)生的軸向力

工作輥和軋件出現(xiàn)水平交叉角時(shí)，軋件與工作輥之間的摩擦力沿軋件寬度方向產(chǎn)生軸向分力，該分力驅(qū)使工作輥與軋件在工作輥軸線方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)或具有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)。此時(shí)，軋件施加給工作輥的軸向力為：

Fbg=KzP

Kz=[1-exp(-3θz0.9/ε1.1)]fz

fz=(1.05-0.0005t)a

式中，F(xiàn)bg為工作輥所受軸向力(kN)；Kz為軸向力系數(shù)；P為軋制力(kN)；θz為工作輥軸線與軋件的水平夾角(rad)；ε為壓下率；fz為工作輥與軋件之間的摩擦系數(shù)。a為系數(shù)，工作輥材料為鑄鐵時(shí)a=0.8，工作輥為鍛鋼時(shí)a=1.0。

支承輥因工作輥軸向受力而附加的軸向力為：

Fbz=λFbg

式中，F(xiàn)bz為支承輥所受的軸向力(kN)；λ為支承輥因工作輥軸向受力而附加的軸向力傳遞系數(shù)，λ=0.95。

3.3 磨輥誤差導(dǎo)致工作輥垂直交叉產(chǎn)生的軸向力

軋輥在加工修磨過(guò)程中的誤差，使軋輥呈錐形，使用時(shí)使兩工作輥在垂直面內(nèi)產(chǎn)生交叉角導(dǎo)致的軸向力為：

F2=Psin[arctan[Δd/2Lg]

式中，Δd為工作輥兩側(cè)的直徑差(mm)；Lg為輥身長(zhǎng)度(mm)；P為軋制力(kN)。

3.4 軋材橫向厚差導(dǎo)致工作輥垂直交叉產(chǎn)生的軸向力

軋件在寬度方向上的厚度差，造成兩工作輥形成垂直交叉，產(chǎn)生軸向力：

F3=Psin[arctan(ΔH/B)]

式中，ΔH為軋材沿寬度方向上的厚度差(mm)；B為軋材寬度(mm)；P為軋制力(kN)。

3.5 操作不當(dāng)導(dǎo)致工作輥垂直交叉產(chǎn)生的軸向力

生產(chǎn)過(guò)程中的誤操作或機(jī)械、電氣故障等原因造成兩側(cè)壓下不同步或兩側(cè)壓下不等導(dǎo)致工作輥形成垂直交叉，產(chǎn)生軸向力，軸向力為：

F4=Psin[arctan(Δh/L)]

式中，Δh為軋機(jī)兩側(cè)的壓偏量(mm)；L為軋機(jī)中心距(mm)；P為軋制力(kN)。

4 防止軋輥非工藝性軸向竄動(dòng)的措施

根據(jù)以上定性和定性分析可知，軋輥之間出現(xiàn)非工藝性軸向竄動(dòng)，主要是因?yàn)檐堉茥l件的變化引起非正常軸向力，基于以上分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，提出以下技術(shù)改進(jìn)措施和解決方案。

4.1 維護(hù)軋輥穩(wěn)定

(1)合理提高軋機(jī)部件(軋機(jī)牌坊、軋輥裝配、壓下部件等)兩側(cè)的均勻性，有效提高軋機(jī)剛性磁滯。

(2)提高牌坊加工精度，保證安裝精度。嚴(yán)格按照檢驗(yàn)規(guī)范精確測(cè)量安裝后兩片牌坊中心線的重合度、水平度等關(guān)鍵尺寸。

(3)在充分保障軋機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并能保證正常換輥的前提下，合理提高滑板有效間隙的設(shè)計(jì)精度[4]。

(4)定期測(cè)量軋機(jī)滑板間隙尺寸，并制定合理的補(bǔ)償方案。

(5)根據(jù)設(shè)備使用情況，在軋機(jī)出口側(cè)設(shè)置下支承輥壓緊缸，保證軋制過(guò)程中軋輥的合理偏移距，保證軋制穩(wěn)定。

(6)建立磨輥間軋輥軸承座與滑板檔案，從使用源頭采取措施。

4.2 確保對(duì)中軋制

(1)采用同步軸機(jī)構(gòu)(機(jī)械同步)或液壓同步模式，保證軋機(jī)推床兩側(cè)推頭同步動(dòng)作；強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢維護(hù)制度，定期標(biāo)定軋機(jī)前后推床的開口度，檢查推頭平行度、垂直度、對(duì)中公差，有效保證對(duì)中精度。

(2)采用機(jī)械同步或者電氣同步模式，將軋機(jī)兩側(cè)輥縫控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；嚴(yán)格控制螺絲、螺母配合間隙，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢，防止出現(xiàn)壓下回松現(xiàn)象；換輥后應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行軋輥調(diào)零標(biāo)、剛性測(cè)試制度，確保軋輥受力均勻。

(3)嚴(yán)格監(jiān)控軋機(jī)兩側(cè)的工作輥壓緊(彎輥)力，杜絕兩側(cè)壓緊力不均現(xiàn)象。

(4)軋件加熱均勻，控制軋件頭尾及橫向兩側(cè)溫差較小。

4.2 嚴(yán)格控制各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范

(1)軋件規(guī)格及斷面尺寸公差應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)范要求，各項(xiàng)指標(biāo)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(2)精心控制軋制過(guò)程中的軋件頭尾板形，避免出現(xiàn)單燕尾或不對(duì)稱燕尾；應(yīng)堅(jiān)持低速咬入、高速軋制、減速拋出的原則，以減小軋制沖擊[4]。

(3)軋輥輥身冷卻水設(shè)置合理，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品和軋輥材質(zhì)區(qū)別化配置水量，保證所需輥形和冷卻要求。

4.3 軋輥鎖緊應(yīng)可靠有效

(1)工作輥裝配應(yīng)嚴(yán)格結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并依據(jù)軸承安裝技術(shù)規(guī)范，杜絕過(guò)松和過(guò)緊安裝。

(2)軋輥軸向鎖緊裝置應(yīng)可靠有效，定期點(diǎn)檢維護(hù)，定期更換變形的鎖緊板，控制耐磨板與工作輥之間的間隙。

4.4 工藝保證

(1)從工藝角度控制軋件咬入、拋鋼速度，降低軋制沖擊。

(2)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行跟蹤主機(jī)在軋制過(guò)程中各力能參數(shù)的變化，從而掌握主電機(jī)在軋制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)速降、動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間，采用相應(yīng)的調(diào)速手段保持軋制穩(wěn)定，有效降低沖擊，從而減小軋制沖擊。