中厚板廠定尺剪立導輥提高對中精度技術改造

張炳泉

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

定尺剪是中厚板生產線的重要工藝設備，而定尺剪立導輥裝置是鋼板剪切對中的關鍵設備，其作用是保證鋼板剪切前鋼板中心線與剪刃剪切方向垂直，它對定尺剪切精度的控制起到十分重要的作用。天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）中厚板廠定尺剪改造前，其立導輥裝置是由分布在輥道兩端的短行程移動式立導輥和長行程移動式立導輥裝置組成。原立導輥裝置在其短行程立導輥裝置對中過程中，經常出現過鋼時撞擊設備的情況，造成鋼板對中位置錯誤，嚴重時還會導致鋼板報廢。另外，短行程立導輥內液壓缸沒有被推到指定的位置，也會造成對中精度偏差，使得剪切時鋼板頭部出現斜邊，影響鋼板質量。

為解決定尺剪移動式短行程立導輥對中精度低、位置偏差大的問題，天鋼決定對短行程立導輥裝置的定位結構進行改造，通過定尺剪立導輥故障原因的分析和參數校核，最終確定了改造方案。本文對定尺剪移動式短行程立導輥裝置改造方案進行了分析和說明，并對原裝置的軸承、立導輥架體、地腳螺栓等所有受力元件進行強度校核，以確保改造后設備的穩定性。

1 定尺剪立導輥裝置簡介

1.1 定尺剪原立導輥裝置構成

圖1為定尺剪立導輥裝置示意圖。定尺剪立導輥裝置是由9組長、短行程立導輥裝置構成，每組間距6m，導向長度48m。其中，長、短行程立導輥裝置均由對中小車、立導輥裝配和液壓缸構成。長行程液壓缸行程為1975mm，對中小車輥面距輥道中心線為1800mm；短行程液壓缸行程為50mm，對中小車輥面距輥道中心線為1675mm。兩種行程立導輥裝配按照圖1尺寸要求進行，并均在一條直線上調好位置后方可進行定位。

圖1 定尺剪立導輥裝置示意圖

1.2 立導輥裝置工作原理

定尺剪在剪切鋼板前需要先對中，然后再進行剪切。使用步驟是：先伸出短行程立導輥的對中小車，然后移動長行程立導輥將鋼板推到短行程對中小車處進行對中；待鋼板運送到剪切位置時，再由長行程立導輥將鋼板擺到指定位置，確保鋼板中心線與剪刃剪切方向垂直，最后進行剪切。

2 定尺剪原立導輥液壓缸推力計算及分析

2.1 定尺剪原立導輥液壓缸推力計算

圖2為立導輥液壓缸簡化圖。其中：圖2（a）為長行程液壓缸簡化圖,圖2（b）為短行程液壓缸簡化圖。

圖2 立導輥液壓缸簡化圖

已知：定尺剪立導輥裝置長行程液壓缸規格型號為80/56-1975，工作壓力為12MPa；短行程液壓缸規格型號為50/36-50，工作壓力為12MPa。根據已知數據分別計算長行程液壓缸推力F1及短行程液壓缸推力F2。公式（1）為液壓缸推力計算公式。

式中：p1為液壓缸入口壓力，MPa；p2為液壓缸出口壓力，MPa；D為缸徑，mm；d為桿徑，mm。

2.1.1 長行程液壓缸推力計算

已知長行程液壓缸：p1=12MPa，p2≈0MPa。

由公式（1）計算得出：F1=60288N≈60.3kN

2.1.2 短行程液壓缸推力計算

已知短行程液壓缸：p1=12MPa，p2≈0MPa。

由公式（1）計算得出：F2=23550N≈23.6kN

2.2 推力計算分析

由于目前每組立導輥裝置由安裝在軌道上的長、短行程立導輥裝置各一套構成，且由計算結果可知F1＞F2。由此可斷定長行程液壓缸使用過程中，會造成短行程液壓缸處的立導輥推不到位的問題。另外在力的作用下還會造成短行程液壓缸活塞密封受損，使液壓缸推力下降，工作行程不到位。這不但影響了設備的使用壽命，還會嚴重影響鋼板運輸及剪切前的對中精度，造成切板時的板型缺陷，嚴重影響成材率。對此，將短行程液壓缸推動的立導輥裝置更換為固定式立導輥能，可有效解決這一問題。

3 定尺剪立導輥裝置改造方案

3.1 改造分析及方案說明

將原有定尺剪立導輥裝置的結構改為一組長行程立導輥裝置對應多組固定式立導輥裝置，并且輥距由6000mm改為1200mm。這樣可使短行程立導輥處所受的推力平均分配到多個立導輥上，可有效提高對中精度。由于去除原有短行程立導輥裝置液壓缸，故能從根本上解決液壓缸損壞而導致的立導輥對中精度不準問題。取而代之的是設計制作水平放置的內嵌立導輥的擋板以及相應的固定結構。

為了改造方案設計更嚴謹，要對軸承、立導輥架體、地腳螺栓等所有受力元件進行強度校核，以確保改造后設備的穩定性。

3.2 對立導輥在用軸承的負荷情況進行校核

目前1號定尺剪立導輥擋輥裝配所用的軸承型號為No.6218的深溝球軸承（內徑d=90mm，外徑D=160mm），每個立導輥裝配兩件軸承。為安全起見，需對立導輥在用軸承的負荷情況進行校核。

3.2.1 軸承所需的最小負荷校核

因為深溝球軸承在一定負荷下才能處于良好的工作狀態，尤其是負荷方向頻繁改變的工況。軸承內部球體及保持架的慣性力、潤滑劑等都會對軸承正常使用造成影響，所以要對軸承所需的最小負荷進行估算。由機械設計手冊（第六版）可知，深溝球軸承最小徑向負荷可用公式（2）計算。

式中：F rm為最小徑向負荷，kN；k r為最小負荷系數；v為潤滑油的黏度，mm2/s；n為額定轉速，r/min；d m為軸承平均直徑，即(d+D)/2，mm。

查詢軸承手冊可知，k r=0.025，v=68mm2/s（參照2號極壓鋰基脂在工況40℃下的黏度值），

由公式（2）計算得出：F rm=0.178kN

因此每個立導輥需承受的最小負荷：F1rm=2F rm=0.356kN。由于F1rm小于液壓缸推力F1，故滿足要求。

3.2.2 軸承所需的最大當量靜負荷校核

軸承所需的最大當量靜負荷P0是指：軸承靜止時，最大承載滾動體和滾道的接觸區產生的最大應力與實際承載條件下的最大接觸應力相等時，所對應的假想載荷。在實際復雜的負荷條件下，當量負荷P0可以用來判斷軸承是否發生塑性形變。公式（3）為P0計算公式。

式中：P0為當量靜負荷，kN；C0為額定靜負荷，kN；S0為安全系數。

查詢軸承手冊可知該軸承的額定靜負荷C0為73.5kN。根據實際工況，該處軸承有顯著的沖擊負荷，因此確定靜負荷安全系數S0為1.5。

由公式（3）計算得出：P0=49kN

裝配中單個軸承所承受的最大負荷為F1/2，即30.15kN，小于軸承當量靜負荷P0，故滿足使用要求。

由上述計算可知，立導輥在用軸承當量靜負荷滿足承受鋼板沖撞的使用要求，因此改造方案不需要對軸承的設計進行改動。

3.3 對立導輥支架地腳螺栓負荷的校核

3.3.1 對立導輥支架地腳螺栓最大承載力的校核

目前，選取的固定式立導輥支架地腳螺栓規格尺寸為M30×800，8.8級（標準：GB 799-88）。

查詢《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》（標準：GB/T16823.1-1997），可知該螺栓的應力截面積A s為561mm2，另外查得六角螺栓的承載面積與應力截面積比A b/A s為1.2，由此可求得地腳螺栓的承載面積A b為673.2mm2。已知8.8級螺栓公稱抗拉強度δb為800MPa，計算地腳螺栓所能承受的最大承載力Fmax，公式（4）為Fmax計算公式。

由公式（4）計算得出：

Fmax=538560N≈538kN

立導輥支架4條地腳螺栓所能承受的總承載力:F總=4×Fmax=4×538kN=2152kN。

3.3.2 對立導輥支架地腳螺栓承受鋼板推力的校核

圖3為立導輥支架受力示意圖，其中，圖3（c）為該支架的力矩分析圖。根據圖3（c）所示，做力矩分析。由力矩平衡原理得到公式（5）。

圖3 立導輥支架受力示意圖

式中：M1是推力F對支架的力矩，N.m；M2是扭力f1、f2對支架的力矩，N.m；F為長行程立導輥裝置推鋼時作用給固定立導輥的力，N；L是推力F對支架的力臂，m；f1、f2是螺栓承受的扭力，N；l1、l2是扭力對支架的力臂，m。

已知：F為60.3kN，L為805mm，l=l1=l2=275mm，且f=f1=f2。

由公式（5）計算得出：f=88.3kN

且：M1=-M2=F×L=48541.5N.m

綜上計算，由于地腳螺栓承受的總扭力f為88.3kN，大大小于0.7倍地腳螺栓所能承受的最大承載力Fmax，即0.7×538kN=376.6kN（0.7為安全使用系數），所以該設計地腳滿足現場使用載荷需求。

4 設備安裝及調整

安裝時要確保固定式立導輥支架的標高為40mm，支架間的平行度保證在±1mm/m，檢驗時每個固定式立導輥下表面高度要低于運輸輥道表面30mm。

在調整方面，固定式立導輥裝置安裝在偏心量為5mm的偏心軸上，用于調整立導輥輥面的平行度，調整后固定式立導輥之間的平行度應在±0.5 mm/m以內。此外，在支架和固定式立導輥的擋板之間加裝一塊20mm厚的橡膠墊板，用于緩沖鋼板推進時對立導輥支架造成的直接沖擊。

5 結語

經過對固定式立導輥裝置中立導輥裝配軸承及固定支架地腳螺栓的校核，其強度均滿足現場生產使用要求。同樣，該校核標準也可以在對其他相關設備進行負荷校核計算時應用。

改造后的天鋼中厚板定尺剪固定式立導輥裝置包括：固定支架22套、水平擋板7組、內嵌固定式立導輥34個，導向距離為39.6m，對中可精確到±1mm。通過改造，定尺剪固定式立導輥裝置在滿足鋼板運輸與對中精度的前提下，去除了對中小車及短行程液壓缸等設備，不但降低了備件費用、降低了液壓系統故障率、減少了日常維護工作量，同時還提高了鋼板表面質量和成材率。經過一階段的使用，明顯改善了鋼板定位的精度，并且消除了鋼板運輸過程中的跑偏現象。