軋機窗口間隙對軋制精度影響

顧代權

(上海梅山鋼鐵股份有限公司熱軋廠 江蘇南京 210039)

1 前言

軋機設備的精度是保證帶鋼產品軋制質量的基礎。而牌坊兩側窗口的剛度差及軋輥正反轉測試的兩側壓力差是檢驗軋機設備精度的主要參數。影響這些參數的關鍵因素是軋輥在窗口的位置關系。故有必要對軋機的工作輥、支撐輥等進行受力分析，以便規范各窗口的尺寸精度及相互的位置關系，并獲得窗口與軸承箱的最佳間隙。實現牌坊窗口與軋輥軸承箱的規范化管理，達到軋機精度持續保持的目標。

2 軋機存在的問題

前期的1422產線鐮刀彎科研項目，對軋機窗口進行反復調整，使得軋機牌坊的剛度一度得以好轉。但僅一年之后，F1與F3軋機的剛度測試指標14%、軋輥正反轉測試指標達22%，遠高于規范的5%與1%的指標。

查閱原項目結項報告，發現：①原報告沒有理論基礎做指導，歷次檢測的內容與數據均不同，故沒有進行詳細分析與數據整理；② 原設備是通過數據檢測，采用臨時措施處理設備，沒有統一的方案與依據；③ 原方案對不同軋機的處理方法，采用的標準與依據相差很大。

顯然，解決上述問題，需要對軋機窗口進行受力分析，并根據分析的結論重新分析前期的遺留數據，制定統一的規則，并現場驗證，以期獲得一般性的結論。

3 軋機窗口的結構

軋機由牌坊、壓下機構、提升機構、輥系、換輥小車等組成。其中：窗口由牌坊、襯板、彎輥塊等組成；壓下機構由機械的“絲桿絲母副+蝸輪蝸桿副”與液壓的AGC油缸組成；提升機構由提升梁、扁擔梁、提升油缸組成；輥系由上支撐輥、上工作輥、下工作輥、下支撐輥組成。換輥小車則由小車本體、墊板等組成。具體見圖1。其中：上支撐輥與上工作輥組成上輥系，下支撐輥與下工作輥組成下輥系。軋輥軸承箱由牌坊的側面或鎖門板的壓力來約束。

圖1 軋機結構示意圖

精軋機的主要參數如下：

支撐輥半徑R=690mm，工作輥半徑r=365mm，支撐輥與工作輥設計偏心(即輥系偏心)δ=10mm。

軋制力P=2000t。金屬之間的摩擦系數f=(0.1～0.12)。

支撐輥與牌坊窗口的圖紙設計間隙：1.3～1.8mm(極限間隙3.0mm)；工作輥與牌坊窗口的間隙：1.6～2.2mm(極限間隙3.0mm)；軋制力P=2000t；兩側軸承箱中心距 2500mm。

軋鋼前的基本要求是：正反轉的測壓頭壓差指標小于1%，牌坊的兩側剛度差指標小于5%。

4 軋輥受力分析

本文受力分析，忽略設備本身的重力、提升梁的提升力、彎輥缸的壓力等因素，僅就軋制力及其引起的分力進行討論。

4.1 支撐輥理想狀態的受力淺析

支撐輥的理想狀態是軸承箱全部壓靠牌坊的入口面。在實際的軋制過程中，支撐輥位置也較為固定，以上支撐輥為例，其受力分析見圖2。

根據已知的數據及圖2，可以得出上支撐輥垂直方向受力方程：

或K1=0.01P；K3=1.00005P。(同理可以得出圖5下支撐輥：K4≈0.01N)

此時，支撐輥的軸承箱壓靠入口面，工作輥軸承箱壓靠出口面。

圖2 上支撐輥受力分析圖

圖3 支撐輥與工作輥的象限點關系圖

顯然，工作輥與支撐輥處于極端狀態下，即兩側軸承箱處于最大的水平交叉量3毫米的情況下，將轉化為工作輥的水平度偏差僅0.06mm/2.5m。顯然牌坊窗口間隙對軋輥的水平度影響，可以忽略不計。

4.2 支撐輥與工作輥產生交叉的影響

根據上述分析，如以支撐輥為參考，工作輥應在支撐輥的象限點出口側附近的2500×3×0.06的空間內工作。工作輥與支撐輥的交叉將影響工作輥的水平度。其極限影響為0.06mm/2.5m。這對牌坊的剛度影響較小，但影響鎖門板的受力的受力情況，也影響兩輥等效受力點S的位置，具體分析如下。

由圖4可知：在兩輥交叉時，主動的工作輥接觸處S點的線速度Vg分解為支撐輥的線速度Vz與兩者的滑動速度Vh。由于Vh較小，故支撐輥與工作輥將會有軸向的運動趨勢，并產生靜摩擦力。有關資料顯示，當交叉角為0.05°時，產生的摩擦力fP最大[1]，fP最大為0.05P[2]。

圖4 交叉輥速度分解圖

此軸向力由軋機的牌坊側面(或鎖門板)的壓力來平衡[3]，兩側壓力(T1、T2)，大小相等，方向相反，并形成力偶。故fP≈0.05P是鎖門板設計的重要參數。

4.3 下支撐輥受力研究

下支撐輥進入牌坊窗口之后，由于下支弧形搖擺板的滾動功能，在下工作輥的作用力K7及軋輥自重的推動下，整個軸承箱向入口面滾動(B3為搖擺板的下象限點)，軸承箱的入口側面的上端B1點與窗口壓靠，產生水平作用力K4，在搖擺板B3處產生水平作用力(靜摩擦力)K6。具體見圖5。

分析圖5，可以得出如下結論：

K4≈0.01P，K6最大值為0.12P，K7作用線永遠在B3的入口側。故下支撐輥的軸承箱不會向出口側移動。

顯然，窗口間隙越大，下支撐輥裝輥位置隨機性也越大，兩側軸承箱的對稱度相差也大，牌坊的剛度指標與正反轉試驗指標也更差。

4.4 上支撐輥受力研究

上支軸承箱懸掛在提升梁上(見圖6)，并由AGC油缸下壓。其受力分析與下支撐輥類似，結論也類似，即：在軋鋼過程中，上支軸承箱位置不動，一直處于初裝的位置。上支窗口間隙的縮小，有利于減少軸承箱初裝的隨機性，有利于軋機剛度的穩定。

圖5 下支撐輥受力圖

圖6 上支撐輥受力圖

4.5 工作輥的基本受力分析

圖7 工作輥受力圖

4.6 工作輥交叉的后果研究

當工作輥存在交叉現象時，參考圖8。在工作輥正傳的時候，工作輥壓靠出口彎輥塊。在工作輥反傳的時候，由于受到各自支撐輥的約束較小，工作輥軸承箱在輥間的摩擦力fP的作用，上下工作輥的等效交叉點S1的位置會向O點回移，壓力差將會減小。

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在這種情況下，做剛度測試。隨著壓力的增大，等效交叉點會發生變化，并向中點靠近；在測試的中途，兩側的剛度曲線，有可能會變相(交叉)，或突變。

4.7 軋輥交叉產生測壓頭的壓差研究。

軋制力P由最上部的AGC油缸提供，但數據N由窗口底部的測壓頭檢測，圖8為軋機的整個輥系的等效受力分析圖 。

如果沒有交叉輥的存在，或在靜止的情況下，AGC油缸下壓力都為P/2，那么上下工作輥的等效切點S1為軋輥的中心點O，兩輥應該是母線接觸。此時N1=N2=P/2，T1=T2=0.

圖8 軋輥輥系等效受力分析圖

實際情況是上下輥的接觸面呈微小交叉，呈微螺旋線接觸，在旋轉狀態下，軋輥軸線方向的受力不均，其等效受力點，應該是兩根相鄰軋輥法線的交點S1。S1偏離中心點O，并偏向于間隙較大的一側(見圖8的交叉輥系壓力平衡圖)。同時輥間也產生軸向力，并由T1、T2來平衡例如，若傳動輥傳動側間隙大于工作側，則S1偏心傳動側，此時N1>N2，軋機傳動輥剛度大于工作側剛度。由于軋輥軸向力偶“T1-T2”的作用，有P1

研究圖8，還可以發現，在工作輥反轉的時候，由于工作輥與上支撐輥的軸向約束較少，致使等效受力點S1向O點靠近，兩根工作輥也趨于平行，此時的測壓頭的壓力差值比正轉狀態的壓力差值小。如果兩側的測壓頭的壓力值沒有反向超差，可以近似認為兩根工作輥不存在交叉現象。 如果S1越過O點到達另外一側，兩側的測壓頭的壓力值會反向超差。如反轉超差值較大，可以推定上下工作輥有嚴重交叉現象或工作輥的窗口間隙超標。

4.8 對策措施與效果驗證

總結上述分析，可以發現：上支軸承箱與窗口不接觸，上支窗口不存在磨損問題。下支窗口面的受力面與下支窗口間隙，關系到下輥系的偏心量，是影響支撐輥的裝輥位置的綜合因素，它影響了剛度測試的偏差。例如，工作側窗口的間隙大，則工作側剛度也趨于變大，反之亦然。

下輥系兩側偏心量的不同，將影響工作輥的水平度、增加支撐輥的軸向力，它是造成鎖門板磨損、軋輥軸承箱燒箱的主因。同時，上下支撐輥的交叉，反應在工作輥上是輥面的水平度的變化、輥縫的偏差及工作輥的等效作用點的漂移。其中，等效作用點S1的漂移是影響兩側壓力差(剛度差)的主要因素。

工作輥窗口偏差，即工作輥交叉，對工作輥的水平度、輥縫影響較小，但會增大軋輥的軸向力，影響鎖門板的使用，引起剛度曲線的變相(交叉)與惡化，也會使帶鋼表面產生橫紋；尤其是反轉的時候，會使兩側測壓頭壓差反向超差。工作輥軸承箱僅與工作輥窗口的出口側接觸，故工作輥窗口的出口側是磨損面，應納入管理范疇。

針對理論分析的結論，可以判定：① 上下工作輥總是相交；② 軸承箱與牌坊窗口的間隙越大，各軸承箱的隨機空間也越大，導致各輥的不平行機會也越多。 顯然，窗口的平面度、豎直度越差，安裝襯板之后的窗口彈性也越大，窗口的參數穩定性越差。

在此基礎上，制定如下的數據整理依據：

統一以上支入口面為基準面。將其余各面的數據，均轉化為與基準面的水平距離，以支撐輥入口面與工作輥出口面之間的距離為重點研究對象，整理前期的所有的檢測數據。研究發現當滿足：①窗口間隙宜在0.95～1.05 mm；② 上(下)輥系的兩側窗口的實際偏心差應小于0.1 mm；③ 上(下)支入口面的平行度小于0.2 mm時，軋機的狀況最佳。

根據擬定的標準，采用不同厚度的襯板，調整牌坊窗口的間隙及相互之間的對稱度，實現了7臺軋機的兩側剛度差小于5%，正反轉壓力差小于1%的指標，也證明了擬定標準的有效性。

5 結論

本次對軋機設備的精度攻關及驗證，得出影響軋機兩側剛度及正反轉壓力偏差的主要因數還是要保證窗口內幾個指標在管控范圍內，即如下三點：1)窗口間隙宜在0.95～1.05 mm；2)上(下)輥系的兩側窗口的實際偏心差應小于0.1 mm；3)上(下)支入口面的平行度小于0.2 mm。在此情況下，軋機的狀態最好，有效地提高軋制精度，軋制穩定性也好，生產質量更具有持續性。因板卷軋機具有普遍的類似性，故此次的攻關結果更具代表性，對其他產線機組更具借鑒意義。