斜楔式軋制線調(diào)整裝置新結(jié)構(gòu)的計(jì)算實(shí)例

李文武1，莫軍曉1，趙曉飛1，袁輝2，王江1

(1.中冶陜壓設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710119;2.首鋼股份公司遷安鋼鐵公司熱軋作業(yè)部，河北 遷安 064404)

摘要：以某四輥熱軋平整機(jī)斜楔式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的新結(jié)構(gòu)為實(shí)例。敘述了該新型斜楔式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能參數(shù)，分析了調(diào)整量的最大限制范圍和斜楔角度的取值范圍，討論計(jì)算了因潤(rùn)滑油大量堆積引起絲杠螺母自鎖破壞時(shí)的載荷情況以及絲杠螺母主動(dòng)時(shí)的軸向力和驅(qū)動(dòng)力矩等工程實(shí)際數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱軋平整機(jī)； 軋制線調(diào)整裝置； 斜楔角度； 潤(rùn)滑面間摩擦

中圖分類號(hào)：TG333文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-03-15；修訂日期：2015-04-14

作者簡(jiǎn)介：李文武(1974-)，男，陜西華縣人，中冶陜壓設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師。

The calculation instance of a new wedge type pass-line adjusting device

LI Wen-wu1, MO Jun-xiao1, ZHAO Xiao-fei1, YUAN Hui2, WANG Jiang1

(1.MCC-SFRE Design Institute, Xi’an 710119，China;

2. Hot Strip Mill , Shougang Qian’an Steel Corp, Qian’an 064404, China)

Abstract：This paper describes structural characteristics and performance parameters of a new wedge-type structure of pass-line adjusting device of a hot skin-pass mill with four rollers. It analyzes the limit scope of the adjustment value and the range of the wedge angle, discussed and calculated the load when the self-locking function of the screw nut structure is broken because of mass grease and oil accumulation, while it discussed and calculated the axial force, driving torque and other practical engineering data when the screw nut structure is in driving station.

Keywords：hot skin-pass mill; pass-line adjusting device; wedge angle; friction between lubricating surfaces

0前言

現(xiàn)代軋機(jī)大多都配有斜楔式軋線標(biāo)高調(diào)整裝置。其目的是對(duì)輥系輥?zhàn)又睆侥p變小后進(jìn)行補(bǔ)償[1][2]，將軋線標(biāo)高無級(jí)調(diào)整到允許范圍之內(nèi)[3]，以及為換輥時(shí)提供輥?zhàn)娱g距[4][5]。通常，軋線標(biāo)高調(diào)整裝置安裝在下支承輥軸承座和機(jī)架下橫梁之間，在軋機(jī)換輥操作時(shí)，將下支承輥落至換輥位置，下輥沿著機(jī)內(nèi)輥道可輕松抽出。換輥完成后，再恢復(fù)到工作位置。

隨著高強(qiáng)鋼生產(chǎn)占比的不斷增加，軋輥磨損量增大，軋線調(diào)整裝置所要求的調(diào)整范圍也相應(yīng)增大。在結(jié)構(gòu)尺寸有限制的條件下，只有合理選取軋線調(diào)整裝置自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，斜楔可靠自鎖，機(jī)構(gòu)內(nèi)力最小，絲杠螺母磨損盡量少。

斜楔有整體式和階梯板，布置形式也有前后順排式和背靠背反向設(shè)置等，而各有其特點(diǎn)[6]。

1結(jié)構(gòu)特征

某四輥熱軋平整機(jī)軋線標(biāo)高調(diào)整裝置的新型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其創(chuàng)新之處是操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)的兩個(gè)下斜楔呈面對(duì)面布置。

一根帶左右旋向的滾動(dòng)螺旋，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)螺母連同下斜楔相向水平移動(dòng)，再帶動(dòng)上斜楔和下支承輥軸承座，兩側(cè)同步升降，滾動(dòng)螺旋軸的非傳動(dòng)端安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測(cè)升降高度。這個(gè)結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)軋機(jī)工作時(shí)，在軋制力作用下，兩側(cè)的下斜楔受向外的水平分力，滾動(dòng)螺旋軸受拉，不存在受壓后引起的壓桿穩(wěn)定性問題。

(2)采用滾動(dòng)螺旋，內(nèi)摩擦大為減少，機(jī)械效率顯著提高，需要的動(dòng)力自然會(huì)大幅降低。

(3)滾動(dòng)螺旋軸三點(diǎn)支撐，可有效減少細(xì)長(zhǎng)軸自重引起的彎曲下垂變形，因而螺旋傳動(dòng)的螺紋旋合精度有保證。

(4)旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)時(shí)精確測(cè)量調(diào)整量，并傳輸至自動(dòng)化系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測(cè)值與程序計(jì)算出的調(diào)整值做比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

(5)在上楔塊的兩端設(shè)置強(qiáng)力橡塑復(fù)合刮板，可有效防止灰塵和污油的進(jìn)入滑動(dòng)面之間。

圖1　新型斜楔式軋線標(biāo)高調(diào)整裝置 Fig.1　new wedge-type rolling line adjustment device

2性能參數(shù)

結(jié)合實(shí)例，與軋線標(biāo)高調(diào)整裝置相關(guān)的設(shè)備參數(shù)如下：

最大軋制壓力P=15 000 kN

單側(cè)最大軋制力N1=7 500 kN

兩機(jī)架中心距W=2 476 mm

總調(diào)整量ΔH=132.9 mm

輥徑補(bǔ)償調(diào)整量Δh=82.9 mm

斜楔角度α=8°

調(diào)整速度V=4.68 mm/s

滾動(dòng)螺旋螺紋直徑M=100 mm

滾動(dòng)螺旋螺紋節(jié)距t=20 mm

滾動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)速度n=100 r/mim

絲杠軸向額定負(fù)荷Fa=230 kN

液壓馬達(dá)額定扭矩Mt=2 630 N·m

為了保證即使震動(dòng)等意外情況發(fā)生時(shí)都能夠自鎖，斜楔角度取5.5°是比較安全的[7]。但是現(xiàn)代的四輥熱軋平整機(jī)通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)完善，早已突破這個(gè)限制。表1列出近年國(guó)內(nèi)典型熱平整機(jī)軋線標(biāo)高調(diào)整裝置的主要技術(shù)參數(shù)量。

表1　最新熱平整軋線標(biāo)高調(diào)整裝置性能參數(shù)

3調(diào)整量確定

從平整機(jī)操作工藝來看，要求軋線調(diào)整裝置的最大調(diào)整量為：下工作輥直徑和下支承輥直徑的最大重磨量以及新輥時(shí)各輥輥縫間隙之和。

而軋線調(diào)整裝置能夠提供的總調(diào)整量ΔH，由下斜楔的水平移動(dòng)總行程S和斜楔角度α決定。其函數(shù)關(guān)系為[8]：

ΔH=Stanα

(1)

事實(shí)上，下斜楔的水平移動(dòng)總行程S又受到空間位置的限制。其大小由軋機(jī)機(jī)架中心距、上斜楔工作長(zhǎng)度、中間支撐軸承寬度和內(nèi)外極限點(diǎn)安全距離諸多尺寸共同確定。

圖2　下斜楔移動(dòng)行程計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig.2　 Calculating diagram of the lower wedge stroke

如圖2所示，下斜楔的水平移動(dòng)總行程S為：

S=(W-A-B)/2-C-D

(2)

式中，軋機(jī)機(jī)架中心距W=2 476 mm;上斜楔工作長(zhǎng)度A=210 mm;中間支撐軸承寬度B=265 mm;內(nèi)極限點(diǎn)安全距離C=40 mm;外極限點(diǎn)安全距離D=15 mm。

帶入數(shù)據(jù)后得出下斜楔的水平移動(dòng)總行程S為945.5 mm。也就是下斜楔能夠移動(dòng)的最大范圍。希望軋線調(diào)整裝置的總調(diào)整量ΔH能夠達(dá)到150 mm，這樣勢(shì)必增大斜楔角度α?？紤]到自鎖的安全性必須保障并且不使用階梯墊的前提條件下，只能犧牲少量的調(diào)整量，折中選定斜楔角度α=8°比較合理。所以總調(diào)整量ΔH：

ΔH=945.5×tan8°=132.9 mm

下斜楔工作長(zhǎng)度L要滿足功能使用要求。其數(shù)值應(yīng)該為：

L=S+A+D+E

(3)

式中，內(nèi)極限點(diǎn)時(shí)外露長(zhǎng)度E=30 mm。因此，下斜楔工作長(zhǎng)度L為1 200.5 mm，取整數(shù)為1 200mm。

4載荷驗(yàn)算

4.1斜楔角度的取值范圍

如圖3所示，摩擦力試圖阻止下斜楔滑脫。

對(duì)下斜楔進(jìn)行受力分析。

由ΣX=0得平衡方程：

N2sinα-μN(yùn)2cosα-μN(yùn)1-F=0

(4)

圖3　下斜楔承壓狀態(tài)受力分析圖 Fig.3　Force analysis diagram of lower wedge under load

由ΣY=0得平衡方程：

N1-N2cosα-μN(yùn)2sinα=0

(5)

簡(jiǎn)化后得到：

(6)

工作時(shí)必須保證上下斜楔處于自鎖狀態(tài)。不能產(chǎn)生水平方向的作用力，即F=0；因此，

展開后為，

μ2sinα+2μcosα-sinα=0

(7)

可見，在斜楔角度為8°時(shí)，保證自鎖的摩擦系數(shù)的最小取值為0.07。

4.2有油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)選擇

斜楔材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件，與之相配的滑動(dòng)副襯板，選用銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。在潤(rùn)滑良好的情況下，與固體潤(rùn)滑涂層在有油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦狀況很類似[9]，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以借鑒。摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.03。而自潤(rùn)滑復(fù)合材料在無油條件下，摩擦系數(shù)的最小值為0.11[10]。

實(shí)際上，因斜楔安裝在軋機(jī)的下部，表面滴油和積油不可避免，而且通常在上表面容易堆積，下表面比較難存住油。摩擦系數(shù)數(shù)值為0.03只有可能單面出現(xiàn)。所以，有油潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)合理的取值，大致為無油和有油二者的平均數(shù)，且不能同時(shí)取下限值，最終取0.08。當(dāng)然，在斜楔角度為8°時(shí)，機(jī)構(gòu)是自鎖的。

4.3自鎖破壞時(shí)絲杠螺母的軸向力

考慮大量堆積潤(rùn)滑油的極端情況出現(xiàn)，摩擦系數(shù)達(dá)到了0.06。自鎖條件遭到破壞，絲杠將受到一定的拉力。將μ=0.06、α=8°、N1=7 500 kN，代入公式(6)，得F=159 kN。小于絲杠軸向額定負(fù)荷Fa=230 kN，說明在此情況下，絲杠螺母是安全的，能夠經(jīng)受這個(gè)拉伸力。

4.4絲杠螺母的驅(qū)動(dòng)扭矩

通常軋線標(biāo)高調(diào)整裝置不能帶載工作。它的負(fù)載可以理解為輥系和萬向接軸的重量。經(jīng)過計(jì)算，垂直方向的最大載荷W1為455.8 kN。由平衡條件算出的上斜面正壓力W2為466.83 kN。

圖4　絲杠主動(dòng)時(shí)下斜楔受力分析圖 Fig.4　Force analysis diagram of lower wedge driven by screw

如圖4所示，絲杠螺母主動(dòng)時(shí)，摩擦力將阻止下斜楔的楔入。克服負(fù)載需要的水平推力Fx為：

Fx=μW1+W2sinα+μW2cosα

(8)

取摩擦系數(shù)μ=0.1，代入其它已知數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為：Fx=156.8 kN。

絲杠螺母螺旋副需要的驅(qū)動(dòng)力矩T為：

(9)

式中,絲杠螺母螺紋中徑d2=0.09 mm;

螺旋升角λ=4.046°;

當(dāng)量摩擦角ρ=5.91°。

驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算結(jié)果為：T=1 238.4 Nm。對(duì)于選用了額定扭矩2 630 Nm的液壓馬達(dá)來說，能力足夠大。

5結(jié)論

通過改變絲杠螺母的受力狀態(tài)，避免絲杠出現(xiàn)受壓失穩(wěn)。因而斜楔角度可以突破5.5°的限制，可以選用7°～8°，甚至達(dá)9°。

在既定的條件下，希望增大斜楔的調(diào)整量還是有范圍限制的。軋機(jī)機(jī)架間距離已經(jīng)決定了調(diào)整量的上限。在滿足自鎖要求的限制條件下，改變斜楔角度也只能小幅影響調(diào)整量范圍。

即使斜楔的調(diào)整量確實(shí)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，可以通過配輥，或在兩側(cè)的下支承輥軸承座和上楔塊之間加墊板解決。

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