應(yīng)用碟簧預(yù)緊方式對(duì)寬厚板矯直機(jī)輥間磨損進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

高強(qiáng)度寬厚板矯直機(jī)要求矯直能力強(qiáng)，矯直速度高，承受矯直力大，經(jīng)矯后的鋼板平直度好，殘余應(yīng)力小分布均勻，板材表面質(zhì)量好且無壓痕。因其輥系具有工作輥面寬、受力大，需多排密布的支承輥來有效的承受矯直力的特點(diǎn)，要求在矯直過程中工作輥與支承輥形成穩(wěn)定的精密接觸。故及時(shí)的消除因承受高速重載矯直使輥?zhàn)又睆侥p減小而產(chǎn)生的輥間支承間隙，成為提高板材矯直質(zhì)量和延長(zhǎng)輥系使用壽命的關(guān)鍵因素。

1 寬厚板矯直機(jī)輥系參數(shù)

以下以一臺(tái)4 300 mm 寬厚板熱矯直機(jī)進(jìn)行說明:

1.1 設(shè)備的技術(shù)規(guī)格

矯直機(jī)型式:四重九輥式

工作方式:可逆式

上輥系傾動(dòng)量/mm:±10

上輥系彎輥量/mm:+5，－2

壓下方式:液壓壓下

矯直鋼板規(guī)格(厚×寬)/mm:6～60(100)×1 500～4 150

所矯直鋼板冷態(tài)下屈服強(qiáng)度/MPa:～600(最大)

矯直鋼板溫度/℃:450～900

傳動(dòng)的矯直輥數(shù)/根:9

最大矯直力/kN:31 500

矯直速度/m·s－1:0～1～2

1.2 輥系參數(shù)與力學(xué)性能要求

因設(shè)備矯直速度高、總矯直力大，單輥力可達(dá)5 162 kN;故要求輥系材料綜合力學(xué)性能高，加工制造尺寸精密。

(1)工作輥力學(xué)性能

規(guī)格/mm:?320+0.05×4 300，Ra0.4 μm

數(shù)量:上部4 根，下部5 根

輥距/mm:330(矯直輥與邊輥之間輥距374)

材料:X40CrMoV5－1

調(diào)質(zhì)熱處理后按JB/T5000.15Ⅲ級(jí)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)

力學(xué)性能:Rm:900 MPa～1 100MPa;Re:≥800 MPa;A:≥14%;Ak≥30 J

輥身表面淬火硬度:54～56 HRC，深度12 mm

(2)支承輥力學(xué)性能

規(guī)格/mm:?320+0.05×275，Ra0.4 μm

邊輥支承輥?320+0.05×810，Ra0.4 μm

數(shù)量:上部8 排×4=32 根，下部8 排×3+4排×2=32 根

輥距/mm:330(矯直輥與邊輥之間輥距374)

材料:56NiCrMoV7

調(diào)質(zhì)熱處理后按JB/T5000.15Ⅳ級(jí)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)

力學(xué)性能:Rm:950 MPa～1 100 MPa;Re:≥850 MPa;A:≥14%;Ak≥30 J

輥身表面淬火硬度:46～48HRC，深度10 mm

2 寬厚板矯直機(jī)輥系布置與技術(shù)要求

寬厚板矯直機(jī)的輥系布置見圖1 所示。

圖1 輥系布置圖Figure 1 Layout chart of rolls system

寬厚板矯直機(jī)支承輥承受重載荷，工作速度變化范圍大，要求支承輥數(shù)量多，支承穩(wěn)定可靠，并能適應(yīng)上排工作輥的彎輥要求。除兩根邊輥設(shè)有四排支承輥外，其余7 根矯直輥每根輥下面(上面)均設(shè)有八排支承輥;并通過錯(cuò)位板，使支承輥軸線與工作輥軸線錯(cuò)位22 mm，呈交錯(cuò)布置形式。

盡管輥系材料具有很高的綜合力學(xué)性能與表面硬度，但作用在上、下排工作輥上的矯直力仍將會(huì)造成輥系磨損，直徑減小。

工作輥的直徑磨損減小將會(huì)影響輥縫值的設(shè)定，但其磨損量易于測(cè)量，可以通過液壓壓下機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確地補(bǔ)償。支承輥則不同，由于支承輥數(shù)量多，全部位于上、下輥盒內(nèi)，并且下排支承輥處于矯直公切線以下，加之上排工作輥下?lián)隙鹊挠绊?，其與工作輥間的磨損間隙難以準(zhǔn)確測(cè)量和及時(shí)補(bǔ)償。

輥間支承間隙的存在會(huì)為設(shè)備的運(yùn)行帶來以下負(fù)面的影響:

(1)矯板時(shí)引起上、下排工作輥縫值局部的增加，造成已設(shè)定的壓下參數(shù)減少，降低了板材的塑性變形率，板材矯直質(zhì)量下降。

(2)支承輥受力不均勻，加快磨損，降低輥?zhàn)拥氖褂脡勖?/p>

(3)降低了支承輥軸承的使用壽命。

(4)矯直過程中會(huì)伴有板面氧化鐵皮的脫落，氧化皮鐵屑灰塵進(jìn)入輥間會(huì)影響輥系支承的能力，加劇輥系的磨損。

由此可見對(duì)寬厚板矯直機(jī)在使用中因輥間磨損產(chǎn)生的支承間隙進(jìn)行在線及時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，保持輥系的可靠接觸，使輥系穩(wěn)定支承、均勻受力有益于提高矯平質(zhì)量，降低設(shè)備的維護(hù)使用成本。

3 碟簧預(yù)緊消除輥間磨損的補(bǔ)償方式

碟簧預(yù)緊消除輥間磨損的補(bǔ)償方式見圖2。是以支承輥面為固定基準(zhǔn)，通過在工作輥與其之間設(shè)定的預(yù)緊力，實(shí)時(shí)調(diào)整工作輥面與支承輥面保持接觸。

圖2 碟簧預(yù)緊方式Figure 2 Belleville spring pretension method

3.1 碟簧預(yù)緊消除輥間磨損的補(bǔ)償方式的特點(diǎn)

(1)輥系支承可靠穩(wěn)定，支承輥受力均勻。在輥間保持了設(shè)定的預(yù)緊力，減少了上排工作輥身下?lián)隙鹊挠绊?，更適合于寬板面的矯直要求。

(2)結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用性強(qiáng)。碟簧預(yù)緊軸向空間緊湊，體積小，負(fù)荷大，載荷集中傳遞，優(yōu)化了機(jī)構(gòu);有效的減小了上、下輥盒的外形尺寸，降低了生產(chǎn)制造成本;減輕了離線檢修時(shí)的換輥重量，廣泛適應(yīng)車間配置的起重能力。

(3)碟簧組合方便，通過不同的組合可獲得不同的負(fù)荷與變形量特性曲線。

(4)輥系支承緊密，有效的減少了雜質(zhì)在輥間的存留，適用于較惡劣的工作環(huán)境。熱矯直機(jī)在生產(chǎn)中有時(shí)使用大量的外冷卻液，輥系處于冷卻液包圍之中，此液體中含有矯直時(shí)產(chǎn)生的微小金屬顆粒、酸性物質(zhì)及其它雜質(zhì);同時(shí)矯直過程中會(huì)伴有板面氧化鐵皮的脫落，存留在輥隙中的輕薄雜質(zhì)與氧化皮會(huì)影響輥系支承的能力，加劇輥系的磨損。

A-A′剖面(圖2)顯示，F(xiàn)3斷層在熱水塘村一帶上覆有良好的保溫蓋層，熱儲(chǔ)層中的熱液沿該斷裂上升出流，在地表形成溫泉，其中S18溫泉溫度45 ℃，水量較大。C-C′剖面(圖3)直觀地反應(yīng)出該區(qū)燈影組地層是良好的熱儲(chǔ)層，但因蓋層較薄，鉆孔抽水人為加劇地下水循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致降雨入滲混入熱儲(chǔ)層造成論證區(qū)熱儲(chǔ)層溫度不會(huì)太高。

(5)拆裝維護(hù)方便。矯直機(jī)輥系屬關(guān)鍵件、易損件，要求能及時(shí)調(diào)整接觸精度、快速更換損壞件;碟簧預(yù)緊能在設(shè)定的預(yù)緊力作用下自動(dòng)消除輥間磨損間隙，減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了設(shè)備的維護(hù)使用成本。

3.2 碟簧預(yù)緊方式與楔塊調(diào)整方式的性能比較

楔塊調(diào)整方式見圖3。兩種方式的性能比較見表1。

圖3 楔塊調(diào)整方式Figure 3 Wedge adjustment method

表1 碟簧預(yù)緊方式與楔塊調(diào)整方式的性能比較Table 1 Performances comparison between belleville spring pretension and wedge adjustment

通過以上分析，采用預(yù)緊碟簧消除輥間磨損間隙的補(bǔ)償方式能更好的滿足寬厚板矯直機(jī)的技術(shù)性能要求。

4 預(yù)緊碟簧的組合型式選擇

碟簧的組合型式主要分為疊合組合、對(duì)合組合、復(fù)合組合。其不同的組合型式將會(huì)產(chǎn)生不同的彈簧負(fù)荷與變形量特性曲線，如圖4 所示。

(1)通過疊合組合可以在同樣的行程條件下獲得更大的載荷，由于碟簧表面摩擦阻尼作用，吸收沖擊和消散能量的效果更為顯著。

(2)通過對(duì)合組合可以在同樣載荷條件下獲得更大的行程，滿足特定的要求。

(3)通過復(fù)合組合即可獲得各種滿意的彈性特性。

結(jié)合矯直機(jī)工作輥與支承輥間的磨損補(bǔ)償量和技術(shù)要求，復(fù)合組合碟簧型式適用于消除輥間磨損的補(bǔ)償。

圖4 彈簧負(fù)荷與變形量特性曲線Figure 4 Characteristic curve of spring loading and deformation amount

5 寬厚板矯直機(jī)輥間預(yù)緊碟簧計(jì)算實(shí)例

以本文4 300 mm 寬厚板熱矯直機(jī)為例，單根工作輥重量2 706 kg，采用兩組復(fù)合組合碟簧預(yù)緊，其中每組承受靜載荷為84 000 N 時(shí)的變形量要求為16 mm，導(dǎo)桿最大直徑為63 mm。

表2 兩種碟簧的尺寸Table 2 Two types of belleville springs sizes

由表2 可見，可選用B 系列碟簧復(fù)合組合。每一復(fù)合組用3 個(gè)碟片，不考慮摩擦力時(shí)，單個(gè)碟片的彈簧力為:

P1=PZ/n=84 000/3=28 000 N

式中 E=2.06×105MPa;

μ=0.3;

K4=1(無支承面);

C=D/d=1.95，取2;

t=5 mm;

h0=3.5 mm。

代入公式得PC=36 219.78 N

f=3.5×0.62=2.17

按總變形量為16 mm 的要求，所需復(fù)合組合的組數(shù):

取8 組共24 片。

未受載荷時(shí)的自由高度Hz=i［H0+(n－1)t］=8×［8.5+(3－1)×5］=148 mm

受84 000 N 載荷作用時(shí)的高度H1=Hz－i×f=148－8×2.17=130.64 mm

碟簧壓片時(shí)，OM 點(diǎn)應(yīng)力σom為

其絕對(duì)值小于60Si2MnA 或50CrVA 材料的屈服極限1 400 MPa，故靜強(qiáng)度滿足要求。

彈簧的剛度

代入數(shù)據(jù)得P'=9351.2 N/mm

從上面計(jì)算結(jié)果表明該B 系列復(fù)合組合滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過采用復(fù)合組合碟簧方式對(duì)高強(qiáng)度寬厚板矯直機(jī)輥間磨損進(jìn)行補(bǔ)償，板材矯平質(zhì)量得到提高;降低了設(shè)備的生產(chǎn)制造成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;在滿足在線及時(shí)調(diào)整要求的同時(shí)，減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備的維護(hù)使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。