3800mm中厚板軋機(jī)壓下裝置設(shè)計(jì)

劉延軍 任際軍

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176）

1 前言

電動(dòng)壓下裝置是中厚板軋機(jī)重要的部件，主要用于板帶軋制時(shí)每道次的輥縫調(diào)整。目前很多項(xiàng)目電動(dòng)壓下裝置壓下電機(jī)的功率設(shè)計(jì)選型偏大，不夠經(jīng)濟(jì)環(huán)保。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)化選擇，充分分析壓下電機(jī)的工作特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用詳細(xì)介紹了壓下裝置的合理化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

壓下裝置分為操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)壓下裝置，每套裝置分別由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、液壓回松裝置、蝸輪蝸桿減速機(jī)、壓下螺絲、壓下螺母、壓頭裝配組成。壓下裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，在花鍵齒的作用下帶動(dòng)壓下螺絲旋轉(zhuǎn)，在壓下螺母的作用下轉(zhuǎn)化為上下移動(dòng)，通過(guò)壓頭裝配作用在上支承輥軸承座上，實(shí)現(xiàn)輥縫的調(diào)節(jié)。壓頭裝配內(nèi)設(shè)置有穩(wěn)定可靠的球面副，壓下裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。電動(dòng)壓下裝置可以實(shí)現(xiàn)雙速壓下，即軋制過(guò)程中的輥縫調(diào)整用快速打開(kāi)，換輥后的輥縫調(diào)零和壓下螺絲回松用慢速調(diào)整。

某鋼廠3800mm中厚板軋機(jī)電動(dòng)壓下裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）采用兩臺(tái)獨(dú)立的臥式交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓下裝置，電機(jī)體積小、慣性矩，傳動(dòng)軸與壓下螺絲垂直交叉布置；

（2）采用三頭尼曼蝸桿的蝸輪蝸桿減速機(jī)，尼曼蝸桿齒形為凹凸齒闊嚙合，綜合曲率半徑大，接觸線形狀有利于動(dòng)壓油膜的形成；同時(shí)蝸輪齒根齒厚較大，抗彎強(qiáng)度高，抗震效果好；

（3）壓下螺絲端部裝有球面副，工作穩(wěn)定可靠，并能保證上支撐輥軸承座在軋制時(shí)自動(dòng)調(diào)心；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有旋轉(zhuǎn)編碼器，壓下螺絲上部設(shè)置有位移傳感器，能共精確控制壓下螺絲的行程；

圖1 單側(cè)壓下裝置結(jié)構(gòu)圖

3 壓下螺絲及螺母的設(shè)計(jì)

3.1 壓下螺絲的設(shè)計(jì)

壓下螺絲采用鋸齒形螺紋，傳動(dòng)效率高。壓下螺絲的尾部是傳動(dòng)端，承受來(lái)自壓下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，外部采用外花鍵形結(jié)構(gòu)，承載能力大。在軋制過(guò)程中，壓下螺絲要承受作用于軋輥的壓力，故壓下螺絲的直徑由最大軋制力決定，壓下螺絲的螺紋外徑d，可由式（1）（2）確定：

式中：P—單個(gè)壓下螺絲承受的最大軋制力，N；

［σ］—壓下螺絲的許用應(yīng)力，MPa；

σb—壓下螺絲材質(zhì)的強(qiáng)度極限，MPa；

n—安全系數(shù)。

壓下螺絲外徑確定后可根據(jù)自鎖條件來(lái)確定螺距t：

式中：α—螺紋升角，按自鎖條件要求，α≤2°30′；

d—壓下螺絲的螺紋外徑，mm。

3.2 壓下螺母的設(shè)計(jì)

壓下螺母的螺絲大徑與螺距隨壓下螺絲確定，此外還要確定壓下螺母的高度和外徑。由于壓下螺母材質(zhì)通常為青銅，抗擠壓強(qiáng)度較低，壓下螺母高度應(yīng)按螺紋的擠壓強(qiáng)度來(lái)確定。其擠壓強(qiáng)度條件如式（4）［4］：

式中：p—螺紋受力面上的單位擠壓應(yīng)力，N／mm2；

d—壓下螺絲的螺紋外徑，mm；

d1—壓下螺絲的螺紋內(nèi)徑，mm；

δ—壓下螺母與螺紋的內(nèi)徑只差，mm；

［p］—壓下螺母的許用應(yīng)力，MPa，一般青銅材料為15～20MPa。

根據(jù)式（3-4）先求出壓下螺母的螺紋圈數(shù)Z后，其高度H便可由式（5）求得：

式中：Z—螺紋圈數(shù)；

t—螺距，mm；

作用在壓下螺絲上的軋制力通過(guò)壓下螺母?jìng)鹘o了軋機(jī)機(jī)架。壓下螺母按其接觸面的擠壓強(qiáng)度來(lái)確定它的外徑，壓下螺母外徑D可由式（6）求得：

式中：p1—壓下螺母接觸面上的單位壓力，N／mm2；

D—壓下螺母的外徑，mm；

D1—壓下螺絲通過(guò)的軋機(jī)機(jī)架上孔的直徑，mm；

［p1］—壓下螺母的許用擠壓應(yīng)力，MPa，一般青銅材料為60～80MPa。

3800中厚板軋機(jī)已知條件如表1，壓下螺絲螺母計(jì)算結(jié)果如表2：

表1 3800中厚板軋機(jī)參數(shù)

表2 3800中厚板機(jī)壓下螺絲及螺母計(jì)算結(jié)果

4 壓下機(jī)構(gòu)傳動(dòng)計(jì)算

在壓下螺絲端部有來(lái)自于支承輥平衡缸和工作輥彎輥缸施加的過(guò)平衡力，為了轉(zhuǎn)動(dòng)壓下螺絲，必須克服在此過(guò)平衡力作用下的摩擦靜力矩和動(dòng)力矩。

4.1 過(guò)平衡力計(jì)算［5］

作用在壓下螺絲上的過(guò)平衡力主要包括支承輥過(guò)平衡力和上工作輥過(guò)平衡力兩部分。上支承輥過(guò)平衡力計(jì)算如式（6）［1］：

式中：Qbg—上支承輥過(guò)平衡力，kN；

Qb—上支承輥平衡力，kN；

Gb—上支承輥平衡力平衡部件總重量，kN。

其中，上支撐輥平衡力的計(jì)算如式（7）：

上工作輥過(guò)平衡力計(jì)算如式（8）：

式中：Qwg—上工作輥過(guò)平衡力，kN；

Qw—上工作輥平衡力，kN；

Qw—上工作輥平衡力平衡部件總重量，kN。

其中，上工作輥平衡力的計(jì)算如式（9）：

將表2中的已知參數(shù)代入式（1）（2）（3）（4）中求得上支承輥過(guò)平衡力、上工作輥過(guò)平衡力分別為：

4.2 壓下摩擦靜力矩計(jì)算

在壓下裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)壓下螺絲只要克服最大摩擦靜力矩，壓下螺絲便可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算靜力矩及動(dòng)力矩相關(guān)已知參數(shù)見(jiàn)表3。計(jì)算壓下螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大摩擦靜力矩Mj如式（13）［2］：

表3 過(guò)平衡力計(jì)算已知參數(shù)表

式中：M1—壓下螺絲端部與止推軸承間的摩擦力矩，kN·m；

M2—壓下螺絲與螺母螺紋間的摩擦力矩，kN·m；

計(jì)算壓下螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大摩擦靜力矩Mj如式（15）［2］：

式中：M1—壓下螺絲端部與止推軸承間的摩擦力矩，kN·m；

M2—壓下螺絲與螺母螺紋間的摩擦力矩，kN·m；

式中：μ1—止推滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，μ1＝0.01；

式中：ρ—壓下螺絲與螺母之間的摩擦角，度，取ρ＝arctan（0.1）；α—壓下螺絲與螺母螺紋升角，度，α＝arctan；當(dāng)壓下螺絲壓下時(shí)用正號(hào)，當(dāng)壓下螺絲抬升時(shí)用負(fù)號(hào)；

將表4中的數(shù)據(jù)代入式（8）（9）（10）中求得壓下螺絲壓下和抬升時(shí)最大靜摩擦力矩分別為［6］：

表4 計(jì)算靜力矩及動(dòng)力矩相關(guān)已知參數(shù)

靜力矩?fù)Q算到電機(jī)軸上分別為：

4.3 壓下動(dòng)力矩計(jì)算

動(dòng)力矩計(jì)算公式如式（22）［3］：

式中，GD2—折算到電動(dòng)機(jī)軸上的所有運(yùn)動(dòng)零件的飛輪力矩，kN·m2電動(dòng)機(jī)角加速度，，其中，ne—電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r／min；t—電動(dòng)機(jī)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，s。

壓下電動(dòng)機(jī)的最大速度30mm／s壓下時(shí)需要的啟動(dòng)力矩如式（24）：

壓下電動(dòng)機(jī)的最大速度40mm／s抬升時(shí)需要的啟動(dòng)力矩如式（25）：

選用電機(jī)功率P＝315kW，額定轉(zhuǎn)速n＝664r／min，電機(jī)最大過(guò)載倍數(shù)2.5，時(shí)長(zhǎng)1min，額定力矩如式（26）：

現(xiàn)用電動(dòng)機(jī)壓下和抬升時(shí)的過(guò)載系數(shù)分別為：

電動(dòng)機(jī)選擇最大過(guò)載系數(shù)為2.5倍，時(shí)長(zhǎng)1min，滿足壓下裝置力矩需求。圖2所示為某鋼廠3800中厚板軋機(jī)1min內(nèi)壓下電機(jī)的速度和力矩圖，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

5 結(jié)論

目前此3800mm粗軋機(jī)及精軋已經(jīng)正常投入生產(chǎn)，其壓下裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠。通過(guò)優(yōu)化軋輥過(guò)平衡力的大小，選用低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)，并充分使用電機(jī)過(guò)載系數(shù)等措施，使得此3800粗軋機(jī)及精軋機(jī)壓下裝置壓下電機(jī)功率比同類項(xiàng)目降低了約20%，減小了生產(chǎn)使用能耗，降低了投資及使用生產(chǎn)成本。

圖2 3800中厚板軋機(jī)壓下電機(jī)速度和力矩圖