何彥杰，張貴敏，孫熙釗，馬曉龍

（1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺(tái)054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái)054025）

卷取機(jī)夾送輥機(jī)構(gòu)是熱帶連軋機(jī)生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，與卷取機(jī)配套布置，位于軋線最末端卷取機(jī)入口的斜前上方[1]，主要由上夾送輥、下夾送輥、搖臂、機(jī)架等組成。其作用是將從精軋機(jī)出來的帶鋼的壓彎并送入卷取機(jī)，并且在鋼板卷取過程中保持鋼帶的張緊力，從而使鋼帶卷得緊密、規(guī)整。

1 夾送輥的結(jié)構(gòu)

目前熱帶軋機(jī)常規(guī)上夾送輥普遍采用中空結(jié)構(gòu)，由鋼板卷制的輥身套筒、兩端隔環(huán)、輥軸、鎖緊機(jī)構(gòu)四大部分構(gòu)成，通過錐面配合、焊接、鍵聯(lián)接等方式組裝成一整體。這種輥身套筒外表面堆焊一層10 mm的耐磨合金，當(dāng)這層合金磨損完后，再進(jìn)行第二次堆焊使用，如此反復(fù)。由于堆焊合金需多次將夾送輥運(yùn)到生產(chǎn)廠家進(jìn)行堆焊修復(fù)，周期長，成本高，且存在夾碴、氣孔等焊接缺陷，使用過程中需經(jīng)常檢查輥面表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)缺陷必須及時(shí)處理或更換修磨，否則損傷鋼板表面，造成次品鋼板，因此綜合成本較高。

圖1是某種上夾送輥結(jié)構(gòu)，由輥身套筒和輥軸（含兩端隔環(huán)）、鎖緊機(jī)構(gòu)共三部分組成。兩端隔環(huán)是焊接在輥軸上，其中傳動(dòng)側(cè)隔環(huán)外圓為與輥身套筒間為斜度為8°的錐面配合，另外操作側(cè)隔環(huán)外圓為圓柱面，與輥身套筒間為鎖緊錐套，外圓與輥身套筒內(nèi)錐面配合，內(nèi)孔與隔環(huán)圓柱面配合。在操作側(cè)隔環(huán)外為鎖緊機(jī)構(gòu)，由鎖緊板、鎖緊螺栓和定位螺栓組成。鎖緊過程為外圈鎖緊螺栓擰緊，壓緊鎖緊板，鎖緊板壓迫鎖緊錐套，使輥身套筒與隔環(huán)間產(chǎn)生軸向和徑向壓力，從而固定輥身套筒。內(nèi)圈螺栓反向頂緊鎖緊板，從而在軸向固定鎖緊板。

圖1 某種上夾送輥裝配結(jié)構(gòu)

這種固定輥身套筒的方法要求配合錐面加工精度高，特別是內(nèi)孔加工難度更大（見圖2），均需進(jìn)行研磨，使用專用量具精確檢測錐面錐度，否則會(huì)造成配合不緊，造成輥身套筒的異常轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需用較復(fù)雜的鎖緊機(jī)構(gòu)來保證，這樣產(chǎn)生的配合應(yīng)力較大，適合原設(shè)計(jì)鋼板卷制的輥身套筒。可見錐面配合方式的加工、裝配要求高，難度大，生產(chǎn)成本高，修復(fù)成本高。

圖2 某種上夾送輥輥身套筒（mm）

某公司開發(fā)了一種新型長效高耐磨上夾送輥，輥身套筒采用離心復(fù)合工藝生產(chǎn)，工作層為高硬度耐磨合金鋼，由于厚度可達(dá)30～40 mm，可連續(xù)使用到報(bào)廢，不用反復(fù)堆焊，還較好解決常規(guī)夾送輥使用過程中的輥型保持能力差和焊接缺陷問題，單次在機(jī)周期是常規(guī)夾送輥的2倍，而磨損量只有常規(guī)夾送輥1/2，毫米過鋼量是常規(guī)夾送輥的4倍，這樣綜合效益是常規(guī)夾送輥的數(shù)倍，深受用戶的歡迎。

但是這種新型輥身套筒由于是離心鑄造，內(nèi)孔殘余拉應(yīng)力較大，整體強(qiáng)度比常規(guī)鋼板輥身套筒低，如果采用錐面配合，產(chǎn)生的裝配拉應(yīng)力較大，控制不好就會(huì)將輥身套筒脹裂。如果采用焊接方法除焊接應(yīng)力外，還必須保證不能有焊接裂紋，否則同樣會(huì)使輥身套筒開裂，造成重大損失和嚴(yán)重事故。因此需研究一種安全可靠的固定輥身套筒的裝配結(jié)構(gòu)方案，降低裝配復(fù)雜程度，降低制造成本。

2 解決方案

2.1 夾送輥使用工況條件分析

卷鋼過程中夾送輥的控制主要分為等待、帶頭卷取、帶尾卷取三個(gè)階段。帶頭卷取階段夾送輥?zhàn)儔毫刂?，壓力調(diào)節(jié)到一個(gè)設(shè)定的目標(biāo)值，但此時(shí)夾送輥壓力并不大，夾送輥僅起到一個(gè)引導(dǎo)作用。控制系統(tǒng)會(huì)一直進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證夾送輥兩側(cè)的壓力平衡，可以保持夾送輥兩側(cè)的壓力偏差小于1 kN[2]。帶尾卷取階段夾送輥的壓力逐步調(diào)升到另一個(gè)壓力值，并保持這個(gè)壓力，直到卷取完成。

經(jīng)過調(diào)研，卷取機(jī)正常卷鋼過程中上、下夾送輥與帶鋼間的壓力大約10～30 kN，最大60 kN，扭矩為13～15 kNm。帶鋼溫度雖然高達(dá)250～800℃，但卷取時(shí)有冷卻水，從上下噴到鋼板上，輥面溫度可保持在30～40℃。

由此可見，夾送輥所受的工作壓力和傳遞的扭矩并不是很大，對結(jié)構(gòu)及聯(lián)接強(qiáng)度要求較低。工作溫度不高，變化也不大，對裝配強(qiáng)度影響可忽略不計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的確定

常用錐面配合、焊接兩種方法均難以精確控制較低的裝配強(qiáng)度。而圓柱過盈配合則可精確控制配合過盈量保證安全系數(shù)下的低強(qiáng)度聯(lián)接，而且加工、操作難度比錐面配合和焊接都小，加工精度更容易保證，所產(chǎn)生的裝配應(yīng)力可以精確控制在較低的水平，從而減小了輥身套筒開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此確定的優(yōu)化方案如下：

1）將輥身套筒、隔環(huán)、輥軸間的裝配改為雙過盈圓柱配合，去掉操作側(cè)的鎖緊機(jī)構(gòu)，其中輥軸與隔環(huán)的配合帶中間定位臺(tái)；對隔環(huán)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，將實(shí)心結(jié)構(gòu)改為“工”字形截面結(jié)構(gòu)；根據(jù)使用條件和輥身套筒的強(qiáng)度核算合適的配合過盈量；采用熱裝工藝進(jìn)行裝配。

2）輥套與隔環(huán)間采用過盈配合代替錐面配合，去掉復(fù)雜的鎖緊機(jī)構(gòu)，降低了加工、檢測、裝配難度，減少了制造成本，提高生產(chǎn)效率。輥軸與隔環(huán)采用帶中間定位臺(tái)過盈配合替代焊接固定方式，可以達(dá)到防竄功能，還方便了裝配時(shí)的精確定位，省去高昂的焊接及加工費(fèi)用。隔環(huán)采用“工”字形截面比圓孔減重效果更好，加工方便，還能降低輥身套筒套端部的裝配應(yīng)力。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合強(qiáng)度校核進(jìn)行了隔環(huán)結(jié)構(gòu)和與輥軸的配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隔環(huán)厚度為140～180 mm，兩端減重槽側(cè)面設(shè)計(jì)成斜面可降低應(yīng)力集中，均衡裝配應(yīng)力，降低端面應(yīng)力峰值。配合面的兩端中間定位臺(tái)方向相反，可以起到軸向的雙向定位。優(yōu)化后的新型上夾送輥整體示意見圖3。

圖3 新型上夾送輥優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3 裝配過盈量設(shè)計(jì)，校核，模擬

根據(jù)檢測新型輥身套筒屈服強(qiáng)度約500 MPa，內(nèi)孔殘余應(yīng)力100～150 MPa，因此輥身套筒與隔環(huán)的裝配應(yīng)力在保證聯(lián)接強(qiáng)度的前提下應(yīng)控制在150 MPa以下才較為安全，由于隔環(huán)是鍛鋼材質(zhì)，其與輥軸的配合應(yīng)力允許大一些。但兩處配合必須保證傳遞所需的扭矩要求。經(jīng)過核算確定的輥身套筒與隔環(huán)間過盈量為0.5～0.3 mm、隔環(huán)與輥軸間過盈量0.35～0.20 mm，配合產(chǎn)生的扭矩、裝配應(yīng)力見表1。

為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，對優(yōu)化后的上夾輥進(jìn)行了裝配應(yīng)力模擬。結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近，輥身套筒和隔環(huán)內(nèi)孔最大應(yīng)力數(shù)值見表1。核算和模擬結(jié)果表明過盈配合提供扭矩是足夠，并且輥身套筒裝配應(yīng)力較小，是安全的。

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的裝配過盈量、裝配應(yīng)力

4 裝配工藝

由于是采用了雙過盈配合，首先將預(yù)熱的隔環(huán)采用豎裝法裝配到輥軸上，待完全固定后才能按過盈量配磨隔環(huán)外圓；輥身套筒與隔環(huán)（已裝配到輥軸上）也采用豎裝法進(jìn)行裝配。裝配順序?yàn)樨Q直擺放加熱的輥身套筒—穿裝輥軸（含隔環(huán)）—整體保溫到室溫，見圖4、5。圖6為加工好的上夾送輥。

圖4 擺放輥身套筒

圖5 裝配好的上夾送輥

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)上夾送輥

5 使用效果

圖7 等待輥面檢查的上夾送輥。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的上夾送輥經(jīng)上機(jī)使用，表現(xiàn)正常，完全滿足使用要求，證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是可靠的。圖8為使用中等待輥面檢查的上夾送輥。

6 結(jié)語

1）根據(jù)上夾送輥傳動(dòng)扭矩小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙過盈配合的聯(lián)接方式，特別是輥軸和隔環(huán)采用了兩端相反的中間定位臺(tái)配合，較好解決了軸向定位問題。

2）采用理論計(jì)算與軟件模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案是可靠的、安全的，上機(jī)滿足使用要求更證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化是成功的。

3）通過結(jié)構(gòu)和裝配方式優(yōu)化，降低了制造難度，節(jié)省了制造成本，提高了生產(chǎn)效率。