高可靠性軋機用對中導尺設備

馬江濤

(大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

導尺(又稱推床)是中厚板、帶鋼、爐卷等軋制生產線上的重要設備，常布置于主軋機前后，其作用是將軋件對準軋制中心線，防止軋件跑偏，為軋件順利通過軋機提供保障。導尺在工作過程中，通過調整兩側推板的開口度，來控制不同規格、不同寬度的軋件與軋制中心線對中，可有效降低軋件兩側的軋制力偏差，有利于提升產品的產量和質量。

當前，國內外的主軋機前、后導尺常采用電動和液壓傳動兩種型式。

(1)導尺設備以電動機為動力，將電動機的旋轉運動轉化為推桿的直線運動。而電動機輸出的轉速經過蝸輪蝸桿減速后，再由齒輪齒條傳動時，推板的直線運動速度提升空間有限。由于傳動方式是機械傳動，在對中過程中軋件對導尺設備沖擊力較大，推板在長期沖擊作用下磨損變形嚴重，推板與推桿間竄動大，致使兩側推板對中性能差，或行程控制不當導致齒條脫落等現象時有發生，最終造成設備故障率高，對工作效率和產線產能帶來不利影響[1-2]。

(2)導尺設備動力采用液壓傳動，在工作輥道單側設置液壓缸，通過液壓缸驅動并輔助使用支撐輪、導尺、導衛梁等部件，并最終由兩側推板完成軋件的對中軋制。由于夾鋼軋制負載較大，考慮到主軋機的巨大拉力和液壓缸推板的夾緊力，導尺設備工作時承受的傾翻載荷較大[3-4]，導尺設備與底座間連接螺母易松動脫落，固定狀態失穩。為安裝檢修方便，用戶要求將導尺底座設計成整體型式，且地腳螺栓用混凝土澆鑄以增強穩定性，后期施工難度大，需將混凝土破壞鑿開，拆卸耗時長。此外，液壓缸活塞桿端靠近熾熱態軋件，其密封系統高溫下易老化失效，影響使用壽命，且密封系統失效后，易發生泄油噴油現象，污染設備和工作環境，存在安全隱患。

通過對比分析導尺設備的兩種結構型式，采用液壓傳動作為動力系統，將是未來一段時間內導尺設備的首選方案。在提高設備抗沖擊性、增強工作穩定性的前提下，綜合考慮現場環境和生產實際，從提升工作效率、降低維護時間、提高設備安全性能等方面著手，設計了一種高可靠性軋機用對中導尺設備，突破產能瓶頸，以滿足熱軋生產線的實際應用需求。

1 高可靠性軋機用對中導尺設備

1.1 導尺設備布置

本導尺設備的動力由液壓傳動提供，如圖1所示為主軋機前、后導尺布置示意圖，軋機前導尺、軋機后導尺相對于軋機中心線對稱布置，且分別位于主軋機前、后工作輥道兩側，兩側可單獨驅動，每側均作為一套獨立的單元。

圖1 主軋機前、后導尺布置示意圖

1.2 結構功能

無論是精軋機前導尺，還是精軋機后導尺，在工作輥道的每一側均設置兩組液壓缸，推板懸掛固定在兩根推桿上，每根推桿各有一組液壓缸提供驅動力，推桿位于箱體內，且通過齒輪齒條機構推拉推板以實現兩側開口度的調整。單側兩個箱體之間由連接梁焊接固定以提升抗沖擊性能，左右兩個箱體內推桿下部設計齒輪軸，用一根同步軸連接，可實現兩根推桿的同步運動。液壓缸內部均設有內置位移傳感器，用于控制推板的行程，最終完成軋件相對于軋制中心線的對中任務。

1.3 主要性能參數

根據導尺設備布置型式和實際需求，主要技術參數見表1。

表1 導尺設備的主要性能參數

2 導尺設備的抗沖擊性能研究

2.1 導尺工作狀態下的受力分析

2.1.1 技術難點概述

軋鋼生產線在可逆軋制過程中，導尺用來保證軋件對中軋制中心線后順利通過主軋機。因此，該設備對軋件的成品質量有直接影響。順軋軋制時，軋件由工作輥道傳送至軋機入口側附近區域后，工作輥道停止轉動，軋機前導尺驅動兩側推桿，由推板夾持軋件沿工作輥道中心線滑動，實現軋制對中，再驅動工作輥道輸送軋件至軋輥完成軋制，待軋件頭部通過軋輥后，精軋后導尺的推板夾持軋件，待軋件尾部完全通過軋輥后，工作輥道停止轉動。逆軋軋制時，軋件由工作輥道傳送至軋機出口側附近區域后，工作輥道停止轉動，軋機后導尺驅動兩側推桿帶動推板，夾持軋件進行對中操作，此后過程與順軋軋制保持一致。

而實際軋制一段時間后，導尺的推板因受力面磨損程度不均，或推板夾持軋件后，輥道誤操作而轉動，致使推板帶載工作。因此，現場作業時，常存在的問題：

(1)推板受力面磨損后，夾持軋件時，會有一個水平方向的分力，造成地腳聯接緊固件旋轉松動，導尺設備固定失穩。

(2)導尺推板夾持軋件后，輥道誤操作而轉動，在水平方向的分力作用下，地腳聯接緊固件旋轉松動，導尺設備固定失穩。

2.1.2 正常軋制條件下的受力分析

軋機前、后導尺是軋件軋制時的重要設備，軋機前導尺沿軋制方向位于入口側區域，軋機后導尺布置在出口側區域，軋機前導尺和軋機后導尺共同協調動作，完成軋件的多道次可逆軋制。因此，需要對導尺工作時的受力進行分析，有助于從根本上解決設備失穩的關鍵技術難題。

正常軋制條件下，無論順軋軋制還是逆軋軋制，推板夾持軋件均沿工作輥道中心線方向滑動，推板對軋件的作用力F垂直于軋件，且指向軋制中心線(如圖2a、圖2c所示)；相對應地，軋件對推板的反作用力F′垂直于軋件，且背離軋制中心線。導尺底座上分布的T形頭地腳螺栓的受力方向F′(與軋件受力方向一致)均為垂直于軋件，且背離軋制中心線(如圖2b、圖2d所示)。

圖2 軋件及導尺底座受力分析圖

2.1.3 極端軋制下的受力分析

根據導尺工作特點，并結合作業工況，實際軋制一段時間后，導尺推板因受力面磨損程度不均，或導尺推板夾持軋件后，輥道誤操作而轉動，其受力狀況又不同于正常軋制狀態：

(1)軋機前導尺(軋機后導尺)的推板因受力面磨損程度不均，如圖3所示，使得開口度尺寸：入口側>出口側。順軋時，軋機前導尺(軋機后導尺)的推板已經夾持住軋件，但因誤操作致使輥道轉動，如圖4所示，使軋件產生向前運動(自左向右)的趨勢，致使推板夾持軋件帶載工作。

圖3 開口度(入口>出口)不等時軋件受力分析圖

圖4 順軋時(輥道誤操作旋轉)軋件受力分析圖

(2)軋機后導尺(軋機前導尺)的推板因受力面磨損程度不均，如圖5所示，使得開口度尺寸：出口側>入口側。逆軋時，軋機后導尺(軋機前導尺)的推板已經夾持住軋件，但因誤操作致使輥道轉動，如圖6所示，使軋件產生向后運動(自右向左)的趨勢，致使推板夾持軋件帶載工作。

圖5 開口度(出口>入口)不等時軋件受力分析圖

圖6 逆軋時(輥道誤操作旋轉)軋件受力分析圖

2.2 改變螺栓布置形式提升設備的抗沖擊性能

根據T形頭地腳螺栓的受力分析，掌握其非正常工作狀態下的旋轉趨勢，打破原有T形頭地腳螺栓的單一旋向布置型式，如圖7、圖8所示，將T形頭地腳螺栓的螺紋設置成左旋、右旋兩種型式，且沿導尺底座呈間隔布置狀態。

圖8 T形頭螺栓螺紋旋向布置圖(軋機后導尺)

T形頭地腳螺栓按此種布置型式，即便出現推板受力面磨損，或者輥道因誤操作而轉動等極端情況，總有50%的T形頭地腳螺栓正常工作來固定導尺設備，可有效解決非常態下的緊固件旋轉松動、設備失穩等技術難題，提升導尺設備的抗沖擊性能。

3 防傾翻導尺設備及安全性液壓裝置

3.1 傳統技術的缺陷

目前國內外以液壓缸作為驅動裝置的軋機前、后導尺設備，如圖9所示，通過齒輪齒條機構驅動推桿，以此來帶動推板完成軋件的夾持和對中。但在實際工作時，常存在的問題：

圖9 軋機導尺的液壓缸驅動工作示意圖(改進前)

(1)軋機導尺在最小開口度b位置時，液壓缸處于最大工作行程，推板夾持軋件時，活塞桿伸出過長，箱體重心分布存在較大的傾翻力矩，受力狀態不穩。

(2)液壓缸活塞桿端靠近熾熱軋件，桿端密封系統高溫下易老化失效，發生泄油噴油現象，污染設備和工作環境。泄油噴油一旦觸及熾熱態軋件，易發生躥火現象，安全隱患較大。

3.2 液壓傳動系統結構優化

針對現場實際狀況和安全隱患進行技術改進，對液壓缸進行重新布置，液壓缸活塞桿端遠離工作輥道，避免了熾熱軋件對液壓缸密封系統的直接烘烤，延長了使用壽命，同時也降低了泄油躥火的安全隱患。改進后軋機導尺的液壓缸驅動工作示意圖如圖10所示。

圖10 軋機導尺的液壓缸驅動工作示意圖(改進后)

通過結構優化后，活塞桿端遠離工作輥道側，與傳統技術大相徑庭，當軋件處于最小開口度b位置時，活塞桿端處于收縮狀態，伸出長度最小，夾持軋件時受力狀態最為穩定。

軋件處于最大開口度a位置時，活塞桿端處于拉伸狀態，伸出長度最大，整個推桿重心在箱體內(與傳統技術的推桿重心在箱體外對比)，沿推桿長度方向的載荷分布更為均勻，不用考慮因重心導致的傾翻力矩，設備受力較傳統技術也更為穩定。

4 可快速更換的導尺底座

用戶現場為了方便安裝，經常將箱體與導尺底座設計成整體型式，其地腳螺栓用混凝土澆鑄以增強穩定性，但后期拆卸難度加大，需將混凝土破壞性鑿開，維檢時間長。

針對地腳螺栓拆卸難度大，維檢耗時長等難題，將箱體與導尺底座設計成分體型式，導尺底座上部設置焊接擋塊，既方便箱體的拆裝吊運，又能增強箱體的抗沖擊性能；箱體與導尺底座之間采用T形頭地腳螺栓聯接，且導尺底座下方焊接混凝土防護槽，可將T形頭地腳螺栓與混凝土地基隔開，避免因混凝土結構的破壞性拆除而增加施工難度，大幅提升維檢效率。改進后的導尺底座結構如圖11所示。

圖11 導尺底座結構示意圖

T形頭地腳螺栓的安裝步驟：

(1)準備工作(T形頭地腳螺栓安裝前的布置狀態)。每個長形孔下面設置兩組小擋塊，沿長形孔的長邊呈對角線布置；混凝土防護槽焊接在導尺底座的下部，且靠近長形孔區域。如圖12所示：長形孔的長邊為A，短邊為B，邊角倒圓為R；T形頭地腳螺栓的頭部長度為a，寬度為b；其中：A>a，B>b。

圖12 安裝前的準備工作

(2)放入T形頭地腳螺栓。將T形頭地腳螺栓對準長形孔，如圖13所示，輕輕晃動使其頭部接觸防護槽底部后，松開T形頭地腳螺栓；逐個放入八組T形頭地腳螺栓，此時從T形頭地腳螺栓頂部向下看，切口標記線Q水平布置，與長形孔的長邊平行，與長形孔的短邊垂直。

圖13 放入T形頭地腳螺栓

(3)旋轉T形頭地腳螺栓。手持T形頭地腳螺栓的螺桿端部，向上提升一定高度，確保T形頭地腳螺栓頭部的上表面，高于小擋塊的下表面；如圖14所示，逐個將T形頭地腳螺栓逆時針旋轉90°(順時針旋轉時，將被小擋塊卡死)，從T形頭地腳螺栓頂部向下看，切口標記線Q豎直布置，與長形孔的長邊垂直，與長形孔的短邊平行。

圖14 旋轉T形頭地腳螺栓

最后，將箱體吊裝至導尺底座的上方，箱體的底板安裝孔與導尺底座的八組T形頭地腳螺栓分別對正，箱體自T形頭地腳螺栓的螺桿頂部穿過后，落在導尺底座的頂部鋼板上表面，調整好位置。逐個檢查T形頭地腳螺栓的切口標記線Q，確保與長形孔的長邊垂直，與長形孔的短邊平行，將所有的T形頭地腳螺栓用連接緊固件旋緊固定。

5 結束語

(1)對導尺在極端條件下(推板受力面磨損或者輥道因誤操作而轉動)的工作狀態進行受力分析，掌握了非正常工作狀態下，T形頭地腳螺栓的旋轉趨勢，將其螺紋設置成左旋、右旋兩種間隔布置型式，有效解決了緊固件旋轉松動、設備失穩等技術難題，提升導尺設備的抗沖擊性能。

(2)對液壓缸進行重新布置，液壓缸活塞桿端遠離工作輥道，延長了密封系統的使用壽命，同時也解決了泄油躥火風險。液壓缸處于最大工作行程時，推桿重心在箱體內，其載荷分布更為均勻，消除了箱體傾翻的安全隱患。

(3)箱體與導尺底座采用分體型式，且導尺底座下方的混凝土防護槽，完全將T形頭地腳螺栓與混凝土地基隔開，降低了施工難度，大幅提升了維檢的工作效率。

新研制的軋機導尺設備已在國內某用戶現場投產兩年多，徹底告別了軋件沖擊力大、設備故障率高等不良工作環境。該設備工作性能穩定，抗沖擊性能強、開口度調整精度高、拆裝檢修效率高，實現了導尺設備的低速啟動、高速運行、動作平穩及開口度精準限位等性能要求，軋件尺寸控制良好，產品質量明顯改觀，是高可靠性的軋機導尺設備。