四輥軋機工作輥軸向力分析與保險銷斷裂原因

高 克

(中鋁上海銅業有限公司,上海 200940)

0 前 言

ANDRITZ四輥可逆冷軋機用來生產銅及銅合金板帶材，通常將厚度為12.5 mm的板帶材軋至2.5 mm,整個軋程由10個道次組成.在軋機運行過程中，發現工作輥傳動軸保險銷時常斷裂,總感覺軋輥有軸向竄動,即在軋制過程中有軸向力的存在,進而導致保險銷經常損壞.工作輥傳動系統是否存在較大軸向力？這些軸向力是軋機設備本身設計的問題，還是由于其他各種外在因素造成的？如何避免之？在生產實踐中，這些問題時常困擾著現場管理人員.本文試圖通過以下討論和分析,梳理相關影響因素,確定保險銷時常斷裂的真實原因.

1 設備本身分析

通過機組組成的各個部件,判斷有無可能產生軸向力.圖1(見下頁)是ANDRITZ四輥可逆軋機的組成情況.

ANDRITZ軋機分為三個組成部分:

(1) 主電機及傳動裝置:二級減速齒輪箱.齒輪選用人字型輪齒,軸承選用四列滾柱徑向軸承,無止推軸承,故該部分機構不可能產生軸向力.

(2) 連接軸與聯軸器(含保險銷):連接軸兩端做成萬向聯軸器的叉頭,這樣可以傳遞較大的扭矩.因為連接軸主要就是傳遞扭矩的,因此，這部分的機件也不可能產生軸向力[1].

(3) 機架及軋輥:軋輥制成近似直輥，雖略有弧度,但運轉過程中只有連接軸送來的扭矩、壓下設備的壓下力和軋制工件的軋制力，都通過軋輥中心線(軸線)并與之垂直,故也不可能產生軸向力.

圖1 ANDRITZ軋機組成Fig.1 Composition of ANDRITZ rolling mill

從設備的組成與結構本身分析,理論上是沒有軸向力的.這也是一般軋制設備課程中很少談起軸向力的原因.然而,事實上設備在運轉中工作輥有軸向位移,其來源只能是外在其他原因或人為因素形成的.

2 幾種可能的軸向力

2.1 各點應力狀態不同和操作不當引起之軸向力

ANDRITZ軋機設備軋制成材要經過10道次,前幾道次用了導向槽,軸向位移較小,而后幾個道次不用導向槽,則位移明顯.因為不用導向槽,邊緣上的點與軋制面中央的點應力狀態不同.如圖2所示.

圖2 軋制過程Fig.2 The rolling process

(1) 左邊緣上的A點(見圖3(a)),受力狀態為:z向有軋制力,是正壓力.x向有前后張力,是正拉力;y向無阻攔,工件經軋、拉在y向可自由延伸,故σy=0.

(2) 中央B點(見圖3(b)):z向、x向同(1).但中央不能自由延伸,有阻攔.故y方向的線應變εy=0.因而在y方向必有應力σy(壓應力)的存在,而軋制件的接觸物只有軋輥,此力必然是軋輥的作用.其反作用力則作用在軋輥上,且是沿軋輥的軸線.

根據虎克定律:

(1)

式中:σz是z向壓力(負),σx是張力(正),μ是材料的泊桑比,E是拉壓彈性模量.σy=μ(σz+σx),因為|σz|>|σx|，所以σy是負值,在軋輥上的軸向力為左指向.

(3) 右邊緣上的C點:與左邊緣上的A點相同.但在BC段上產生的軸向力與AC段指向相反.故,理想情況是整個板沿軸向之力互相平衡.所以,軸向力P軸=P軸左=P軸右=0,即不會產生軸向力.

圖3 軋制過程各點受力狀況Fig.3 Loading conditions of the rolling process

但如果操作不當,兩邊不用導向槽,使得板的中心線與軋輥縱向中心線不重合,即兩中心線有差值,在兩端由應力狀態產生的軸向力的長度不同,則P軸左≠P軸右,就產生了P軸.這是人為因素.但顯而易見P軸一般不會很大.這是第一種由人為因素形成的軸向力(P軸1).

2.2 軋制件的厚度不均(即δ1有較大公差)或軋輥調整不當所引起的軸向力

(1) 由于軋輥調整本身有傾斜,如圖4(見下頁).當工件被咬入后,壓力總是垂直于法面,即力的方向總是沿接觸面的法面方向,分析后認為,有軸向力產生(P軸2).

圖4 軋輥調整本身傾斜Fig.4 The roll adjust itself tilt

(2) 即使調整軋輥正確,符合軋制時輥型曲線,但由于軋件咬入時,軋件原始δ1不均,也會造成軋輥的傾斜,如圖5.與圖4情況相同也會產生軸向力,當然軸向力P軸2不會太大.

圖5 軋件厚度不均Fig.5 The uneven stock height

根據經驗得知,還有其他一些因素導致軸向力的產生.如:上下輥的材質不同,其上下輥的彈性變形不同,而產生軸向力;生產過程中,通過采用彎輥軋制的辦法來達到金屬流動的一致而控制橫向公差,但往往由于軋件與軋輥不在一條中心線上,或者對中出現故障,而使得軋件跑偏,從而出現與圖5相類似的情況,也同樣會產生軸向力.

研究這些產生軸向力的因素，是為了判斷其對設備的機件強度是否構成威脅,能否保證生產的順利進行.

3 軸向力對生產構成的安全問題

軋輥的軸向移動,最直接損壞的構件往往是連接軸的安全銷.以下著重從安全銷的強度來進行研究軸向力的影響因素及預計改進措施.

因為是受到軋制工藝設計或人為控制因素形成的,無一定的規律可循,且情況變化多、影響因素多,因而要定量地計算這些軸向力非常困難,甚至是不可能的,故只能作定性分析,針對各種情況提出改進措施,使其控制在一定范圍內,以免造成損失.

假設在軋輥上有軸向力P軸,則連接軸上也有P軸,在安全銷上產生的受力狀況，如圖6.

圖6 安全銷的受力狀態Fig.6 The stress state of the shear pin

安全銷上的應力為剪切應力[2]:

(雙剪)

(2)

式中,A剪為受剪面積,A剪=1/4πd2,d為安全銷的直徑.強度條件τ′≤[τ],[τ]為剪切許用應力.

由于P軸較小,剪切構不成安全威脅,故軸向力不是主要原因.

安全銷直徑的選擇通常按軸的直徑進行選取,一般不計算.本連接軸是用來傳遞較大扭矩的,故另一個扭轉剪應力則可能對安全銷強度校核構成隱患.該扭矩在安全銷上的剪切,剪力的大小為:

(3)

因為雙剪,應力方向與τ′垂直,應力大小為[2]:

(4)

由于Q?P軸,所以τ″?τ′.這時的安全銷強度條件為τ″<[τ],這是安全銷損壞的主要因素.

平時運轉時，因設計計算,強度須作校核,故均能滿足,但當一些意外原因造成事故時,總能看到有軸向移動,其原因是:

附加力矩(扭矩)M扭=Jε,J為軋輥的轉動慣性.

(7)

(2) 當厚度不均時,則軋制時Q必須增加,由此,壓下力P必增大,扭矩也增大,τ″隨之增大,安全銷的危險性也隨之增大.

綜上所述,造成安全銷損壞的主要原因是剪應力,而此剪應力表面上分析是因為軸向力而產生,實際上是多種外在因素造成扭矩增大所致.

4 克服軸向力和剪切力的常用方法

雖然有軸向力,進而產生剪切力而致部件損壞,影響生產的正常運行.但軸向力是可控的.常規使用的方法有以下幾種.

(1) 由于人為造成的因素不可避免,或多或少要產生軸向力,為防止軋輥的軸向移動,在工作輥處增設一些止推措施.如安裝止推軸承及軋機上安裝止推盤,但安裝這些設備會增加成本.

(2) 制訂正確的工藝規程,增加檢驗頻次,嚴把檢驗關,也可減少軸向移動,如輥型曲線的調整,工件與輥子的對中等.要指導操作人員盡量減少短時扭矩增加,如控制開機、停機、轉換向的最少時間.

(3) 嚴格控制軋制進料的平整度與厚度的縱向一致性,防止軋制中單邊傾斜而導致壓下受力不均,引起軸向位移,造成上述不必要的后果,保持生產的連續性和安全性.

(4) 控制軋制總噸位.人為控制壓下量增大，保證軋輥非正常傾斜,以減少軸向力的產生對保險銷的作用.ANDRITZ軋機公稱軋制噸位是850 t,以往由于各種原因導致保險銷經常斷裂，將其限制在小于700 t以后,這種現象大為減少.

(5) 嚴格控制軋機部件的裝配精度,特別是軸承座中所有的零件都必須按規定操作安裝到位,以避免由于安裝的不精細，導致在運行中的不穩定而引起軸向位移.

5 結 論

(1) 通過機械的各部分分析,理論上確定了設備本身設計時無軸向力產生的根據,但實際生產過程中存在軸向力.

(2) 通過材料力學、彈性理論對連接軸、安全銷的應力分析,其由扭矩產生的剪應力比軸向力對安全銷產生的剪切剪應力大得多,安全銷的損壞是由于短時的扭矩增大而造成的.軸向位移只是錯覺,而扭轉破壞才是造成軋機組件損壞的本質.

(3) 雖然存在軸向力和剪切力,但通過事先管理與嚴格現場操作是可以控制的.

參考文獻:

[1] 楊尚卓.軋鋼機械設備[M].北京：冶金工業出版社,1980.

[2] 古溪主.材料力學[M].北京:北京理工大學出版社,2012：42-46.