3800mm中厚板軋機(jī)壓下裝置設(shè)計(jì)

劉延軍 任際軍

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176）

1 前言

電動(dòng)壓下裝置是中厚板軋機(jī)重要的部件，主要用于板帶軋制時(shí)每道次的輥縫調(diào)整。目前很多項(xiàng)目電動(dòng)壓下裝置壓下電機(jī)的功率設(shè)計(jì)選型偏大，不夠經(jīng)濟(jì)環(huán)保。通過優(yōu)化參數(shù)化選擇，充分分析壓下電機(jī)的工作特點(diǎn)，通過實(shí)際工程應(yīng)用詳細(xì)介紹了壓下裝置的合理化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

壓下裝置分為操作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)壓下裝置，每套裝置分別由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、液壓回松裝置、蝸輪蝸桿減速機(jī)、壓下螺絲、壓下螺母、壓頭裝配組成。壓下裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，在花鍵齒的作用下帶動(dòng)壓下螺絲旋轉(zhuǎn)，在壓下螺母的作用下轉(zhuǎn)化為上下移動(dòng)，通過壓頭裝配作用在上支承輥軸承座上，實(shí)現(xiàn)輥縫的調(diào)節(jié)。壓頭裝配內(nèi)設(shè)置有穩(wěn)定可靠的球面副，壓下裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。電動(dòng)壓下裝置可以實(shí)現(xiàn)雙速壓下，即軋制過程中的輥縫調(diào)整用快速打開，換輥后的輥縫調(diào)零和壓下螺絲回松用慢速調(diào)整。

某鋼廠3800mm中厚板軋機(jī)電動(dòng)壓下裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）采用兩臺(tái)獨(dú)立的臥式交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓下裝置，電機(jī)體積小、慣性矩，傳動(dòng)軸與壓下螺絲垂直交叉布置；

（2）采用三頭尼曼蝸桿的蝸輪蝸桿減速機(jī)，尼曼蝸桿齒形為凹凸齒闊嚙合，綜合曲率半徑大，接觸線形狀有利于動(dòng)壓油膜的形成；同時(shí)蝸輪齒根齒厚較大，抗彎強(qiáng)度高，抗震效果好；

（3）壓下螺絲端部裝有球面副，工作穩(wěn)定可靠，并能保證上支撐輥軸承座在軋制時(shí)自動(dòng)調(diào)心；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有旋轉(zhuǎn)編碼器，壓下螺絲上部設(shè)置有位移傳感器，能共精確控制壓下螺絲的行程；

圖1 單側(cè)壓下裝置結(jié)構(gòu)圖

3 壓下螺絲及螺母的設(shè)計(jì)

3.1 壓下螺絲的設(shè)計(jì)

壓下螺絲采用鋸齒形螺紋，傳動(dòng)效率高。壓下螺絲的尾部是傳動(dòng)端，承受來自壓下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，外部采用外花鍵形結(jié)構(gòu)，承載能力大。在軋制過程中，壓下螺絲要承受作用于軋輥的壓力，故壓下螺絲的直徑由最大軋制力決定，壓下螺絲的螺紋外徑d，可由式（1）（2）確定：

式中：P—單個(gè)壓下螺絲承受的最大軋制力，N；

［σ］—壓下螺絲的許用應(yīng)力，MPa；

σb—壓下螺絲材質(zhì)的強(qiáng)度極限，MPa；

n—安全系數(shù)。

壓下螺絲外徑確定后可根據(jù)自鎖條件來確定螺距t：

式中：α—螺紋升角，按自鎖條件要求，α≤2°30′；

d—壓下螺絲的螺紋外徑，mm。

3.2 壓下螺母的設(shè)計(jì)

壓下螺母的螺絲大徑與螺距隨壓下螺絲確定，此外還要確定壓下螺母的高度和外徑。由于壓下螺母材質(zhì)通常為青銅，抗擠壓強(qiáng)度較低，壓下螺母高度應(yīng)按螺紋的擠壓強(qiáng)度來確定。其擠壓強(qiáng)度條件如式（4）［4］：

式中：p—螺紋受力面上的單位擠壓應(yīng)力，N／mm2；

d—壓下螺絲的螺紋外徑，mm；

d1—壓下螺絲的螺紋內(nèi)徑，mm；

δ—壓下螺母與螺紋的內(nèi)徑只差，mm；

［p］—壓下螺母的許用應(yīng)力，MPa，一般青銅材料為15～20MPa。

根據(jù)式（3-4）先求出壓下螺母的螺紋圈數(shù)Z后，其高度H便可由式（5）求得：

式中：Z—螺紋圈數(shù)；

t—螺距，mm；

作用在壓下螺絲上的軋制力通過壓下螺母傳給了軋機(jī)機(jī)架。壓下螺母按其接觸面的擠壓強(qiáng)度來確定它的外徑，壓下螺母外徑D可由式（6）求得：

式中：p1—壓下螺母接觸面上的單位壓力，N／mm2；

D—壓下螺母的外徑，mm；

D1—壓下螺絲通過的軋機(jī)機(jī)架上孔的直徑，mm；

［p1］—壓下螺母的許用擠壓應(yīng)力，MPa，一般青銅材料為60～80MPa。

3800中厚板軋機(jī)已知條件如表1，壓下螺絲螺母計(jì)算結(jié)果如表2：

表1 3800中厚板軋機(jī)參數(shù)

表2 3800中厚板機(jī)壓下螺絲及螺母計(jì)算結(jié)果

4 壓下機(jī)構(gòu)傳動(dòng)計(jì)算

在壓下螺絲端部有來自于支承輥平衡缸和工作輥彎輥缸施加的過平衡力，為了轉(zhuǎn)動(dòng)壓下螺絲，必須克服在此過平衡力作用下的摩擦靜力矩和動(dòng)力矩。

4.1 過平衡力計(jì)算［5］

作用在壓下螺絲上的過平衡力主要包括支承輥過平衡力和上工作輥過平衡力兩部分。上支承輥過平衡力計(jì)算如式（6）［1］：

式中：Qbg—上支承輥過平衡力，kN；

Qb—上支承輥平衡力，kN；

Gb—上支承輥平衡力平衡部件總重量，kN。

其中，上支撐輥平衡力的計(jì)算如式（7）：

上工作輥過平衡力計(jì)算如式（8）：

式中：Qwg—上工作輥過平衡力，kN；

Qw—上工作輥平衡力，kN；

Qw—上工作輥平衡力平衡部件總重量，kN。

其中，上工作輥平衡力的計(jì)算如式（9）：

將表2中的已知參數(shù)代入式（1）（2）（3）（4）中求得上支承輥過平衡力、上工作輥過平衡力分別為：

4.2 壓下摩擦靜力矩計(jì)算

在壓下裝置穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)壓下螺絲只要克服最大摩擦靜力矩，壓下螺絲便可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算靜力矩及動(dòng)力矩相關(guān)已知參數(shù)見表3。計(jì)算壓下螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大摩擦靜力矩Mj如式（13）［2］：

表3 過平衡力計(jì)算已知參數(shù)表

式中：M1—壓下螺絲端部與止推軸承間的摩擦力矩，kN·m；

M2—壓下螺絲與螺母螺紋間的摩擦力矩，kN·m；

計(jì)算壓下螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大摩擦靜力矩Mj如式（15）［2］：

式中：M1—壓下螺絲端部與止推軸承間的摩擦力矩，kN·m；

M2—壓下螺絲與螺母螺紋間的摩擦力矩，kN·m；

式中：μ1—止推滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，μ1＝0.01；

式中：ρ—壓下螺絲與螺母之間的摩擦角，度，取ρ＝arctan（0.1）；α—壓下螺絲與螺母螺紋升角，度，α＝arctan；當(dāng)壓下螺絲壓下時(shí)用正號(hào)，當(dāng)壓下螺絲抬升時(shí)用負(fù)號(hào)；

將表4中的數(shù)據(jù)代入式（8）（9）（10）中求得壓下螺絲壓下和抬升時(shí)最大靜摩擦力矩分別為［6］：

表4 計(jì)算靜力矩及動(dòng)力矩相關(guān)已知參數(shù)

靜力矩?fù)Q算到電機(jī)軸上分別為：

4.3 壓下動(dòng)力矩計(jì)算

動(dòng)力矩計(jì)算公式如式（22）［3］：

式中，GD2—折算到電動(dòng)機(jī)軸上的所有運(yùn)動(dòng)零件的飛輪力矩，kN·m2電動(dòng)機(jī)角加速度，，其中，ne—電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r／min；t—電動(dòng)機(jī)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，s。

壓下電動(dòng)機(jī)的最大速度30mm／s壓下時(shí)需要的啟動(dòng)力矩如式（24）：

壓下電動(dòng)機(jī)的最大速度40mm／s抬升時(shí)需要的啟動(dòng)力矩如式（25）：

選用電機(jī)功率P＝315kW，額定轉(zhuǎn)速n＝664r／min，電機(jī)最大過載倍數(shù)2.5，時(shí)長1min，額定力矩如式（26）：

現(xiàn)用電動(dòng)機(jī)壓下和抬升時(shí)的過載系數(shù)分別為：

電動(dòng)機(jī)選擇最大過載系數(shù)為2.5倍，時(shí)長1min，滿足壓下裝置力矩需求。圖2所示為某鋼廠3800中厚板軋機(jī)1min內(nèi)壓下電機(jī)的速度和力矩圖，現(xiàn)場運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

5 結(jié)論

目前此3800mm粗軋機(jī)及精軋已經(jīng)正常投入生產(chǎn)，其壓下裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠。通過優(yōu)化軋輥過平衡力的大小，選用低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)，并充分使用電機(jī)過載系數(shù)等措施，使得此3800粗軋機(jī)及精軋機(jī)壓下裝置壓下電機(jī)功率比同類項(xiàng)目降低了約20%，減小了生產(chǎn)使用能耗，降低了投資及使用生產(chǎn)成本。

圖2 3800中厚板軋機(jī)壓下電機(jī)速度和力矩圖