斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置的設計及應用

計 江，蘇 明，尤 磊，錢廣闊，徐利璞

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．西安交通大學，陜西 西安 710049)

1 前言

在軋制生產過程中，由于軋輥需要不斷重磨，導致輥徑不斷減小，從而使軋機名義軋制線的標高發(fā)生變化，因此需要采取一定的措施進行調整補償，使軋制線標高始終保持在理論設計值或名義軋制線標高的允差范圍內。目前，軋線標高的調整手段很多，主要有電動式、液壓式、液壓—電動聯(lián)合式以及手動式的調整方式。工程實際中應根據(jù)設備類型、機組的總體裝機水平和具體的結構來選擇不同的方式。

泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機架可逆冷軋機組是國內自主設計成套的最大規(guī)格的單機架可逆式冷軋機組，既可生產普碳鋼，又可生產不銹鋼。該機組設備組成多，機組速度高，軋制力大，產品表面質量和板形要求嚴格，因此軋機設計要保證足夠的自然剛性，經綜合考慮，反復類比計算，選用了斜楔與階梯墊復合型式的軋制線標高調整裝置。

在該機組的斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置中，斜楔和階梯墊均采用液壓缸(帶內置式高精度位移傳感器)驅動，是典型的液壓式軋制線標高調整裝置。

2 結構型式及主要技術參數(shù)

由于軋輥經常更換和磨削，直徑變化很大，需要采取措施進行軋線調整和補償。該軋機采用液壓壓上AGC以設定軋制開口度，其上輥直徑變化后采用斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置進行調整和補償，以保持機組軋線標高恒定(+1 200 mm)。

2．1 結構型式

斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置設置在軋機機架窗口上部，主要由調整油缸、油缸支座、階梯墊、上下斜楔、測壓儀及調整墊片等組成，如圖1所示。階梯墊設置在斜楔塊下面，下斜楔塊設置在上斜楔和階梯墊之間，上斜楔塊和測壓儀安裝在框架里面，下斜楔和階梯墊之間均設有導槽，工作時起懸掛和導向作用。階梯墊和斜楔分別由單獨的液壓缸驅動，液壓缸支座用螺栓把合固定在傳動側機架上。

圖1 斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置Fig．1 Tapered-step wedge pass-line adjustment unit

該軋制線標高調整裝置為斜楔與階梯墊復合式調整機構，階梯墊為初調節(jié)或預調整，其調整為階躍式;斜楔調整為微調整或精調，其調整為無級式，而斜楔在整個行程上的調整量為階梯板的一個階躍。兩種調整方式組合使用，即構成了一個大調節(jié)量的無級調整機構，可實現(xiàn)所有輥子直徑變化的連續(xù)調節(jié)(無級調整)。斜楔調整和階梯調整機構均采用液壓缸驅動，液壓缸內帶有位移傳感器以精確檢測調整量，通過液壓比例閥來驅動調整。階梯塊和斜楔均為合金鍛鋼，工作表面滲氮硬化處理。

2．2 主要技術參數(shù)

斜楔驅動油缸規(guī)格/mm φ160/φ610×600

階梯墊驅動油缸規(guī)格/mm φ100/φ70×750

油缸工作壓力/MPa 10

斜楔角度/(°) 2．8624

階梯墊的調整量/級 5(每級30 mm)

斜楔的調整量/mm 0～30

總調整量/mm 5×30+30=180

3 主要結構參數(shù)的確定及驗算

3．1 結構參數(shù)設計及推導

對斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置進行結構參數(shù)設計，主要是根據(jù)軋機中與軋制線標高相關的軋輥的重磨量、自然輥縫間隙、軋機窗口尺寸以及調整裝置的強度和剛度，確定其調整范圍?，F(xiàn)以六輥UCM軋機為例，介紹斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置主要結構參數(shù)的確定方法。

3．1．1 斜楔的自鎖角

由于本裝置的斜楔和階梯墊均在無負荷條件下進行調整，調整好后工作時采用斜面承載，為確保工作可靠、穩(wěn)定，斜面必須具備自鎖能力。上、下斜楔相對受力情況如圖2所示。

圖2 上、下斜楔相對受力圖Fig．2 Relatively forced diagram of up wedge and down wedge

圖中，N為上斜楔對下斜楔的正壓力，kN;N'為下斜楔對上斜楔的正壓力，kN;f1為上斜楔對下斜楔的摩擦力，kN;f'1為下斜楔對上斜楔的摩擦力，kN;α為斜楔角度，(°)。

根據(jù)自鎖條件，必須使上下斜楔間的作用力滿足 f1×cosα＞N ×sinα或 f'1×cosα＞N'×sinα又f1=μ×N，f'1=μ×N'

式中，μ為上、下斜楔間的摩擦系數(shù)，取 μ=0．15。

則 μ×N×cosα＞N×sinα

即 α ＜ arctanμ =arctan0．15=8．53°

因此，斜面要能夠實現(xiàn)自鎖，必須保證斜楔角度 α 小于8．53°。

3．1．2 計算最大調整量

根據(jù)六輥UCM軋機的結構特點，考慮到新輥時各輥間的輥縫值及開口度，可得出軋制線標高調整裝置的最大調整量為相應軋輥的最大重磨量與新輥時各輥間的輥縫間隙之和。

即

式中，ΔHmax為軋制線調整裝置的最大調整量(亦稱調整能力)，mm;ΔDWmax為上工作輥的最大重磨量，mm;ΔDImax為上中間輥的最大重磨量，mm;ΔDBmax為上支承輥的最大重磨量，mm;DLW為軋制線標高與上工作輥下表面的間隙(對應新輥時)，mm;DWI為上工作輥上表面與上中間輥下表面的間隙(對應新輥時)，mm;DIB為上中間輥上表面與上支撐輥下表面的間隙(對應新輥時)，mm。

3．1．3 斜楔與單級階梯墊調整量以及階梯墊級數(shù)的推導

斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置的最大調整量等于斜楔全行程上的調整量與階梯墊在全行程上的調整量之和。即

式中，ΔHmax為軋制線調整裝置的最大調整量，mm;Y1為斜楔全行程上的調整量，mm;K為階梯墊級數(shù)(正整數(shù));Y2為單級階梯墊調整量，mm。

由于在斜楔與階梯墊復合式軋制線標高調整裝置中先通過階梯塊進行初調節(jié)或預調整，再通過斜楔進行微調整或精調，要實現(xiàn)全行程上無級調整，就必須在結構組合設計時保證斜楔全行程上的調整量與單級階梯墊調整量相等(即斜楔在全行程上的調整量為階梯墊的一個階躍)。即Y1=Y2，為推導計算方便，令

此外，每次進行軋制線標高調整時，都應補償新輥時各輥間的輥縫值(此值固定不變)，為使軋機窗口結構緊湊及軋制線調整方便，在進行斜楔與階梯墊復合式軋制線標高調整裝置結構設計時通常取單級階梯墊調整量等于新輥時各輥間的輥縫值之和。即

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(4)，可得

3．2 主要結構參數(shù)的確定

以泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機架可逆冷軋機組中軋輥的重磨量以及對應新輥時各輥間的輥縫值(表1)為例，確定斜楔與階梯墊復合式軋制線標高調整裝置的主要結構參數(shù)。

表1 軋輥的重磨量以及對應新輥時各輥間的輥縫值Table 1 Regrinding quantity and gap between rollers as corresponding to new rollers

將表1中的有關數(shù)值帶入式(3)、(4)、(5)中，可確定出:

斜楔全行程上的調整量Y1=10+10+10=30 mm;

單級階梯墊調整量Y2=Y1=Y=30 mm;

階梯墊級數(shù)K=(50+50+100/2)/30=5;

3．2．1 斜楔驅動油缸行程X1和斜楔角度α的確定

由于斜楔全行程上的調整量Y1、斜楔驅動油缸行程 X1和斜楔角度 α滿足三角函數(shù)關系，即

從式(6)可知，當斜楔全行程上的調整量Y1確定后，隨著斜楔角度α的減小，斜楔驅動油缸行程X1在增加，該裝置的調整精度也在提高。為確定斜楔驅動油缸行程X1和斜楔角度α，本文采取定值列表的方法，其數(shù)據(jù)見表2。

表2 Y1、X1與α關系值Table 2 Y1and X1versus α

4 30 1/4 0．2500 14．0362 120 5 30 1/5 0．2000 11．3099 150 6 30 1/6 0．1667 9．4623 180 7 30 1/7 0．1429 8．1301 210 8 30 1/8 0．1250 7．1250 240 9 30 1/9 0．1111 6．3402 270 10 30 1/10 0．1000 5．7106 300 11 30 1/11 0．0909 5．1944 330 12 30 1/12 0．0833 4．7636 360 13 30 1/13 0．0769 4．3987 390 14 30 1/14 0．0714 4．0856 420 15 30 1/15 0．0667 3．8141 450 16 30 1/16 0．0625 3．5763 480 17 30 1/17 0．0588 3．3665 510 18 30 1/18 0．0556 3．1798 540 19 30 1/19 0．0526 3．0128 570 20 30 1/20 0．0500 2．8624 600 21 30 1/21 0．0476 2．7263 630 22 30 1/22 0．0455 2．6026 660 23 30 1/23 0．0435 2．4896 690 24 30 1/24 0．0417 2．3859 720 25 30 1/25 0．0400 2．2906 750 26 30 1/26 0．0385 2．2026 780 27 30 1/27 0．0370 2．1211 810 28 30 1/28 0．0357 2．0454 840 29 30 1/29 0．0345 1．9749 870 30 30 1/30 0．0333 1．9092 900

下面是對表3中的30種方案的評價選擇。

(1)方案 1～方案 6，斜楔角度 α大于8．53°，斜面不能夠實現(xiàn)自鎖，故這些方案直接舍棄;

(2)在方案7～方案30中，為保證斜楔的機械加工精度及結構設計方便，通常取斜楔的斜度為優(yōu)先數(shù)系，可篩選出方案10、方案20和方案30;

(3)在方案10、方案20和方案30中，方案10的斜楔斜度較方案20和方案30大，致使軋機機架窗口拉大、重量增加，軋機自然剛性減小，這樣的結構設計不夠合理，舍棄方案10;

(4)比較方案20和方案30，方案20的斜楔角度 α=2．8624°，驅動油缸的行程 X1=600 mm，方案30的斜楔角度α=1．9092°，驅動油缸的行程X1=900 mm，可知方案30的斜楔驅動油缸的行程較方案20的長，軋線調整響應慢，且其剛性較方案20的剛性差，故舍棄方案30。

綜上所述，選取方案20，從而確定出斜楔角度 α=2．8624°，斜楔驅動油缸的行程 X1=600 mm。

3．2．2 階梯墊驅動油缸行程X2的確定

為確定階梯墊驅動油缸行程，需要引入單級階梯墊長度，單級階梯墊長度主要由軋機規(guī)格和上支撐輥軸承座尺寸等決定，泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機架可逆冷軋機組的軋制線標高調整裝置的單級階梯墊長度設計為150 mm。

所以，階梯墊驅動油缸的行程X2=K×L=5×150=750 mm。

3．3 主要結構參數(shù)的驗算

將表1和表2中的有關數(shù)值帶入式(1)中，便可確定出軋制線標高需要的最大調整量為ΔHmax=ΔDWmax+ΔDImax+ΔDBmax/2+DLW+DWI+DIB=50+50+100/2+10+10+10=180 mm，斜楔在全行程上的調整量為Y1=X1×tanα=600×0．05=30 mm，階梯墊在全行程的調整量為K×ΔHmax=Y1+K×Y2=180 mm，故該斜楔與階梯墊復合式軋制線調整裝置的調整能力完全滿足該機組軋制線標高調整的要求。

由于Y1=Y2=30 mm，即斜楔在全行程上的調整量為階梯墊的一級階躍，即斜楔與任一級階梯墊配合均可實現(xiàn)全行程內的無級調整。

斜楔角度為 α =2．8624°<<8．53°(自鎖角)，故斜面完全能夠實現(xiàn)可靠自鎖。

4 軋線實時調整應用

本軋線調整裝置的調整模式分為手動和自動兩種。

4．1 手動模式

在手動模式下，通過手動旋鈕，在比例閥控制下，油缸帶動斜楔及階梯墊在全行程內任意方向移動，此模式僅用在調試或設備檢修時用。

4．2 自動模式

自動模式是本裝置的核心調整模式，其通過斜楔和階梯墊驅動油缸的內置式位移傳感器進行檢測與控制。當輥系以公稱直徑(最大直徑)在軋制線標高處壓靠時，軋制線調整位置定作“0”位。換輥時應將軋制線調整裝置中的斜楔及階梯墊提升到+Y處，換輥后為保證軋制線標高不變，應根據(jù)新輥直徑的變化對斜楔和階梯墊的位置進行調整，所需軋制線標高調整裝置的實時調整量記為

式中，H0為新輥壓靠后上支撐輥中心線到軋制線標高處的距離，mm;DW為重磨后的上工作輥直徑，mm;DI為重磨后的上中間輥直徑，mm;DB為重磨后的上支承輥直徑，mm。

在該模式下，當軋機換輥時，只需將重磨后的軋輥直徑輸入到計算機中并確認后，控制程序便可按照式(7)計算出實時調整量H，再按照表3中的調整方案進行斜楔與階梯墊合理組合，分別計算出斜楔驅動油缸的水平位移ΔX1和階梯墊驅動油缸的水平位移ΔX2，即可實現(xiàn)自動調整。軋制線標高自動調整方案見表3。

表3 軋制線標高自動調整方案Table 3 Automatic adjustment scheme of pass-line

5 結語

采用斜楔與階梯墊復合式的軋制線調整裝置對軋制線標高進行標定，其結構合理，技術成熟可靠，調整精確，響應速度快，有效地實現(xiàn)了冷軋機的軋線標高大行程的快速化分級調整與微量無級調整的結合。目前，該裝置在設備中運行平穩(wěn)可靠，完全達到了設計要求，其成功開發(fā)及應用為開發(fā)大調節(jié)量的軋制線標高調整裝置提供了理論依據(jù)，尤其對大型寬帶鋼四、六輥單機架和冷連軋機組中的軋制線標高調整裝置的設計開發(fā)具有應用參考價值。

［1］ 王廷溥．板帶材生產原理與工藝［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［2］ 鄒家祥．軋鋼機械(第3版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2000．

［3］ 成大先．機械設計手冊(第4版)［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2009．