李 峰 張偉亮 安開場(chǎng)

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司設(shè)計(jì)研究院，四川 618000)

機(jī)架輥布置在軋機(jī)入口和出口側(cè)，在軋制過程中與主軋機(jī)聯(lián)系最為緊密，主要用于配合軋機(jī)進(jìn)行可逆軋制并運(yùn)送軋件。由于其特殊的作用以及在軋制過程中承受沖擊負(fù)荷、熱輻射和氧化鐵皮、油水侵蝕，并且由于設(shè)備布置位置的限制，機(jī)架輥傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，在傳動(dòng)過程中甩軸現(xiàn)象嚴(yán)重而導(dǎo)致的機(jī)架輥軸承非正常受力轉(zhuǎn)動(dòng)，所以機(jī)架輥的使用壽命長(zhǎng)短問題已經(jīng)成為制約鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。在此，就某鋼鐵公司3 800 mm 現(xiàn)場(chǎng)使用暴露出來的問題從技術(shù)層面對(duì)機(jī)架輥提出改進(jìn)建議。

1 機(jī)架輥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該3 800 mm 中厚板軋機(jī)是新建的一條完全國(guó)產(chǎn)化的現(xiàn)代化中厚板軋機(jī)生產(chǎn)線，其機(jī)架輥的布置采用傳統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)型式，即機(jī)架輥由輥?zhàn)友b配、傳動(dòng)裝置、離合裝置、潤(rùn)滑冷卻裝置等組成，采用單獨(dú)傳動(dòng)型式。輥?zhàn)友b配包含軸承座、軸承、輥?zhàn)右约皟?nèi)齒套，其中靠近軋機(jī)內(nèi)側(cè)2 根輥?zhàn)硬捎秒p聯(lián)軸承座，最外側(cè)輥?zhàn)硬捎脝为?dú)軸承座;傳動(dòng)裝置主要由傳動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪軸等組成;中間2 根機(jī)架輥的傳動(dòng)軸穿過傳動(dòng)側(cè)機(jī)架立柱上的孔進(jìn)行傳動(dòng)，最外側(cè)傳動(dòng)軸通過把合在傳動(dòng)側(cè)機(jī)架上的支架進(jìn)行支撐;設(shè)置有專門的離合器裝置，在換機(jī)架輥時(shí)引導(dǎo)傳動(dòng)齒輪軸與內(nèi)齒套脫離，以方便更換機(jī)架輥。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

2 機(jī)架輥常見問題

板坯軋制過程中軋件的扣頭對(duì)機(jī)架輥的沖擊、大量水及氧化鐵皮的存在以及潤(rùn)滑不良等現(xiàn)象，引起機(jī)架輥部分的問題如下:

(1)機(jī)架輥軸承設(shè)計(jì)能力不足，無法滿足軋鋼過程中的沖擊而導(dǎo)致的軸承損壞或壽命極短。

(2)機(jī)架輥軸承缺油導(dǎo)致?lián)p壞。

(3)軋制時(shí)，鋼坯扣頭撞擊機(jī)架輥而致軸承損壞、甚至機(jī)架輥斷裂。

(4)封閉環(huán)境差，小塊氧化皮和冷卻水不能進(jìn)行有效的密封、隔離，造成軸承不正常磨損或堵塞軸承座進(jìn)油口，導(dǎo)致軸承缺油。

(5)內(nèi)齒套與傳動(dòng)齒輪軸在更換時(shí)(主要是安裝新輥時(shí))無法有效對(duì)齒，更換時(shí)間長(zhǎng)。

(6)最外側(cè)機(jī)架輥由于支撐位置及受載情況，易發(fā)生傳動(dòng)軸與傳動(dòng)齒輪軸松脫現(xiàn)象。

(7)內(nèi)齒輪與傳動(dòng)齒輪軸形成粘接，無法拉出傳動(dòng)齒輪軸，導(dǎo)致?lián)Q輥時(shí)間加長(zhǎng)甚至在極端情況下必須破環(huán)軸承座等部件來滿足機(jī)架輥的更換。

3 問題分析及改進(jìn)措施

3.1 軋件水平?jīng)_擊對(duì)機(jī)架輥的影響

首先從設(shè)計(jì)方面消除軸承使用存在的隱患，對(duì)軋制過程中鋼板扣頭、甩尾對(duì)機(jī)架輥造成的沖擊進(jìn)行合理、必要的分析。此沖擊力對(duì)機(jī)架輥輥?zhàn)印⑤S承的影響是主要的，而其它不利因素則是次要的。此處可根據(jù)塑性變形與軋制原理及強(qiáng)迫制動(dòng)法(即在軋件后端作用一制動(dòng)力Q，強(qiáng)迫軋件在軋輥間停下來，在開始打滑的瞬間測(cè)定制動(dòng)力Q、軋制力P，見圖1)計(jì)算軋件水平方向沖擊力:

式中，Q 為軋件水平?jīng)_擊力(kN);P 為軋制道次軋制力(kN);ψ 為軋制力作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中心角(度)。

軋制力作用所對(duì)應(yīng)的中心角大小受很多因素的影響，比如變形區(qū)特征參數(shù)l/hm、摩擦系數(shù)μ、變形程度ε、潤(rùn)滑條件等。詳細(xì)推導(dǎo)可根據(jù)柯洛遼夫或者西姆斯關(guān)于力臂系數(shù)來確定。一般認(rèn)為軋制力作用點(diǎn)位于接觸弧的中點(diǎn)，即:

式中，△h為道次壓下量(mm);D 為軋輥直徑(mm);a 為咬入角(度)。

綜合式(1)、式(2)，軋件水平?jīng)_擊力演化為:

Q=［μ－tg(a/2)］/［1+μtg(a/2)］2P(4)

圖1 強(qiáng)迫制動(dòng)示意圖Figure 1 Schematic drawing of braking forcedly

根據(jù)該公司現(xiàn)場(chǎng)使用情況并結(jié)合工藝方案，該軋機(jī)工作輥直徑D=1 210 mm～1 110 mm，計(jì)算取值D=1 210 mm，道次壓下量一般在25 mm以下，沉重道次軋制力約為30 000 kN。根據(jù)斯米爾諾夫關(guān)于軋制過程摩擦系數(shù)的確定公式，并結(jié)合實(shí)際軋制工況，摩擦系數(shù)μ=0.27～0.34，計(jì)算時(shí)取μ=0.3。

將以上參數(shù)帶入式(4)中，可得出該軋制道次軋件水平?jīng)_擊力Q=11 516.9 kN。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，軋件對(duì)機(jī)架輥的沖擊出現(xiàn)在軋件扣頭下彎后頭部低于機(jī)架輥上輥面10 mm位置處，以此位置進(jìn)行機(jī)架輥受力分析，見圖2。

圖2 軋件頭部下彎撞擊機(jī)架輥受力圖Figure 2 Force diagram of breast roll struck by rolled piece head when down bending

由受力分析可得出:

式中，T 為機(jī)架輥輥面的切向分力(kN);F 為指向機(jī)架輥中心線的法向分力(kN);θ 為受力角度(度)。h=10 mm，R=540/2=270 mm。根據(jù)式(5)、式(6)、式(7)可得出:切向力T=11 090 kN，法向力F=3 105 kN。

根據(jù)上述分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)機(jī)架輥?zhàn)矒魰r(shí)的切向分力T 轉(zhuǎn)化為使機(jī)架輥轉(zhuǎn)動(dòng)的力，而法向分力F 則對(duì)機(jī)架輥以及軸承產(chǎn)生沖擊，故機(jī)架輥軸承按動(dòng)載荷應(yīng)不小于F/2(即1 552.5 kN)來選取設(shè)計(jì)，機(jī)架輥的強(qiáng)度亦應(yīng)按此法向分力來校核。

3.2 潤(rùn)滑條件對(duì)軸承壽命的影響

針對(duì)機(jī)架輥軸承缺油導(dǎo)致的設(shè)備故障，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合機(jī)架輥實(shí)際使用工作條件，建議采用進(jìn)口球面滾子軸承，軸承采用集中干油潤(rùn)滑，專門為機(jī)架輥軸承設(shè)立獨(dú)立的干油潤(rùn)滑站，充分保證干油的供給。使用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)制定詳盡的點(diǎn)檢制度，定期檢查干油管路，防止管路由于烘烤而發(fā)生的阻塞現(xiàn)象。從安裝使用角度，應(yīng)采用軸承加熱器等先進(jìn)裝備，合理控制軸承承載裝配溫度，確保軸承安裝精度。個(gè)別鋼廠采用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行軸承潤(rùn)滑，反映效果良好。同時(shí)隨著智能干油集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的開發(fā)及廣泛應(yīng)用，機(jī)架輥軸承采用智能干油潤(rùn)滑可實(shí)時(shí)顯示潤(rùn)滑點(diǎn)供油狀況、解決軸承油脂的不足或過量問題，保證少量而高效率、高頻率的系統(tǒng)供油，從而有效解決軸承潤(rùn)滑問題，提高軸承使用壽命。

3.3 控制方式對(duì)機(jī)架輥的影響

對(duì)于軋件扣頭對(duì)機(jī)架輥的沖擊，應(yīng)從工藝控制角度進(jìn)行考慮。比如，在個(gè)別軋制道次改常見的三檔咬鋼為二檔恒速軋制，從而減輕軋件產(chǎn)生的沖擊，延長(zhǎng)機(jī)架輥壽命;采用“雪橇式”軋制工藝，利用上下輥轉(zhuǎn)速不同，減少軋件的扣頭現(xiàn)象;采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行跟蹤主機(jī)在軋制過程中各力能參數(shù)的變化，從而掌握主電機(jī)在軋制過程中的動(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)定來有效降低機(jī)架輥受到的沖擊。

3.4 密封條件對(duì)機(jī)架輥的影響

由于大量水及氧化鐵皮的存在，對(duì)軸承壽命是一個(gè)嚴(yán)重的考驗(yàn)，要提高機(jī)架輥的壽命，解決軸承的防水及防止雜物進(jìn)入是關(guān)鍵;如圖3，以往軸承密封多采用內(nèi)側(cè)迷宮、外側(cè)橡膠密封防水、防塵，無法保護(hù)軸承，造成軸承的使用壽命極短。為此，對(duì)軸承密封型式進(jìn)行改變。改進(jìn)后的防水、防塵形式為軸承內(nèi)側(cè)設(shè)置進(jìn)口防塵圈，作為第1 道障礙，有效防止雜物進(jìn)入;改變透蓋結(jié)構(gòu)，在透蓋內(nèi)側(cè)使用唇口朝外的雙旋轉(zhuǎn)軸封，作為第1 道防水措施并能阻止剩余雜質(zhì)進(jìn)入，透蓋外側(cè)設(shè)置橡膠圈，作為第2 道防水措施;軸承外側(cè)端蓋另設(shè)置有骨架油封可有效防止外側(cè)水滲入軸承部位。

3.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)架輥的影響

機(jī)架輥內(nèi)齒套與機(jī)架輥采用十字鍵結(jié)構(gòu)，內(nèi)齒套裝卡在機(jī)架輥端面并通過螺釘連接(見圖4);機(jī)架輥電機(jī)通過安裝在內(nèi)齒套中的傳動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)機(jī)架輥轉(zhuǎn)動(dòng)見圖5。

圖5 內(nèi)齒套與傳動(dòng)齒輪軸連接圖Figure 5 Connection diagram of internal gear sleeve and driving gear shaft

由于機(jī)架輥可逆運(yùn)轉(zhuǎn)并承受沖擊載荷，現(xiàn)場(chǎng)反饋內(nèi)齒套在使用過程中因螺釘切斷或松脫使內(nèi)齒套掉出軸承座端面，卡在機(jī)架與軸承座之間，形成卡阻，造成軋鋼事故。針對(duì)此情況，將內(nèi)齒套與機(jī)架輥十字鍵改為緊連接并將螺釘級(jí)別提高，增加螺釘強(qiáng)度，安裝完成后將內(nèi)齒套焊接緊固到機(jī)架輥斷面上，防止內(nèi)齒套在安裝槽內(nèi)的相對(duì)位移引起的無法對(duì)齒及螺釘松脫事故;另外，為了消除軋鋼過程中內(nèi)齒套與傳動(dòng)軸齒輪的粘連現(xiàn)象，建議內(nèi)齒套及傳動(dòng)齒輪軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼，調(diào)質(zhì)處理，提高其強(qiáng)度，并將內(nèi)齒套兩側(cè)與齒輪軸連接端面各加工一段卸載區(qū)，防止齒輪端部壓嵌。通過以上措施可有效減少換輥時(shí)間，提高軋機(jī)產(chǎn)量。

3.6 軸承座結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)對(duì)機(jī)架輥的影響

分體式軸承座的特點(diǎn)是最外側(cè)機(jī)架輥采用單個(gè)軸承座、內(nèi)側(cè)兩機(jī)架輥使用雙聯(lián)軸承座，見圖6，相對(duì)而言最外側(cè)單個(gè)機(jī)架輥軸承座的支撐環(huán)節(jié)非常薄弱，加之在咬鋼、拋鋼瞬間其受沖擊力很大，造成軸承座的松動(dòng)，影響傳動(dòng)齒輪軸與傳動(dòng)軸之間的過盈連接強(qiáng)度，導(dǎo)致連接失效，無法傳遞力矩。對(duì)此，目前較為常見的結(jié)構(gòu)是將分體式軸承座改為整體軸承座(見圖7)，將最外端機(jī)架輥的沖擊有效的通過內(nèi)側(cè)軸承座分解、分擔(dān)。

圖6 分體式軸承座示意圖Figure 6 Schematic drawing of sperating bearing chock

圖7 整體式軸承座示意圖Figure 7 Schematic drawing of solid bearing chock

另外，應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整內(nèi)齒套與機(jī)架輥軸端的過盈連接強(qiáng)度，具體通過改變過盈量來實(shí)現(xiàn)。包容件傳動(dòng)軸材料和被包容件傳動(dòng)齒輪軸的材料是42CrMo。傳動(dòng)齒輪軸的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 傳動(dòng)齒輪軸的相關(guān)參數(shù)Table 2 Relative parameters of driving gear shaft

(1)過盈聯(lián)結(jié)傳遞負(fù)荷所需的最小過盈量δmin。傳遞負(fù)荷所需的最小有效過盈量δemin=0.172 mm，考慮壓平量的最小過盈量δmin=0.182 mm。

(2)過盈聯(lián)結(jié)不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過盈量δemax。包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量eamax=0.09 mm，被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大直徑變化量eimax=0.024 mm，過盈聯(lián)結(jié)不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大有效過盈量δemax=0.114 mm。

按照上述計(jì)算，δmin＞δemax，過盈量選擇無法成立，故需提高包容件材料的力學(xué)性能來保證實(shí)際扭矩的傳遞。

將包容件材料改為42CrMo 并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，可得δmin=0.182 mm，δemax=0.316 mm。所以過盈量選擇0.182 mm≤δ≤0.316 mm 即可。

根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝能力并從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，實(shí)際有效最大過盈量設(shè)定為δ=0.24 mm，此時(shí)包容件只需加熱到280℃即可，在此工況下聯(lián)結(jié)能力可滿足傳遞力矩要求并能承受一定的軸向負(fù)荷，同時(shí)不會(huì)引起包容件、被包容件的塑性變形，滿足強(qiáng)度條件。

3.7 傳動(dòng)軸甩尾的控制

傳動(dòng)軸甩動(dòng)現(xiàn)象的控制:由于結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)備布置的限制，機(jī)架輥傳動(dòng)軸設(shè)置較長(zhǎng)，在軋鋼過程中傳動(dòng)軸出現(xiàn)大的不規(guī)則的徑向甩動(dòng)，造成機(jī)架輥軸承的非正常損耗乃至損壞，鑒于此種情況，在電機(jī)聯(lián)軸器靠近軋機(jī)端設(shè)置傳動(dòng)軸支撐座有現(xiàn)實(shí)意義;設(shè)置支撐座見圖8。支撐座上、下半環(huán)可采用普碳鋼Q235-A 制作，支撐環(huán)采用常規(guī)聚四氟乙烯板加工;整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用戶現(xiàn)場(chǎng)制作方便，使用材料易采購(gòu)，并可對(duì)傳動(dòng)軸的甩動(dòng)起到抑制作用。

圖8 傳動(dòng)軸支撐座示意圖Figure 8 Schematic drawing of driving shaft support

4 結(jié)論

從受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝控制、設(shè)備強(qiáng)度、連接條件等幾個(gè)方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用過程中機(jī)架輥暴露出來的問題進(jìn)行了分析，并針對(duì)各種問題提出了改進(jìn)方案及應(yīng)對(duì)措施。

該3 800 mm 中厚板軋機(jī)機(jī)架輥結(jié)構(gòu)、軸承密封、傳動(dòng)能力、傳動(dòng)軸甩動(dòng)控制經(jīng)改進(jìn)后，基本沒有出現(xiàn)使用不良的情況，換輥周期大大加長(zhǎng)，換輥時(shí)間比以前大大減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。