工作輥快速換輥機(jī)構(gòu)研究

徐淑梅，周尚海，王尚作

隨著軋制速度的不斷提高，軋輥更換的間隔時(shí)間越來(lái)越短。目前，熱帶鋼連軋機(jī)粗軋機(jī)工作輥一般每隔3～7天更換一次，支承輥每隔15～30天更換一次；精軋機(jī)工作輥大約3～8 h更換一次，支承輥大約7～15天更換一次。因?yàn)楦鼡Q周期不同，換輥形式的選擇也不同，因此工作輥和支承輥的更換裝置一般分開(kāi)布置。由于工作輥的磨損速度比支承輥快，工作輥的更換更頻繁，為了提高工作輥的更換速度，縮短換輥時(shí)間，提高生產(chǎn)作業(yè)率，工作輥快速換輥裝置已經(jīng)成為現(xiàn)代軋制生產(chǎn)線上不可缺少的輔助設(shè)備。

1 工作輥快速換輥裝置的組成

熱軋帶鋼軋機(jī)工作輥快速換輥裝置的形式雖然多種多樣，但都設(shè)置在軋機(jī)操作側(cè)，主要由新舊工作輥換位機(jī)構(gòu)和工作輥推拉機(jī)構(gòu)兩部分組成。

2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 換位機(jī)構(gòu)

換位機(jī)構(gòu)在更換工作輥時(shí)主要負(fù)責(zé)將從機(jī)架窗口中拉出的舊輥移開(kāi)，同時(shí)快速將新輥與機(jī)架窗口對(duì)中，目前應(yīng)用最普遍的為橫移式，其中最重要的部件為橫移車體。

橫移車體結(jié)構(gòu)分為整體式和分體式兩種。

（1）整體式即橫移車體為整體焊接結(jié)構(gòu)，橫移車體上面設(shè)置兩組平行的換輥軌道，用于存放新輥和接收舊輥；橫移車體一端與液壓缸連接，由液壓缸驅(qū)動(dòng)橫移車體沿軋制線方向移動(dòng)，完成新舊工作輥換位動(dòng)作。橫移過(guò)程中由橫移車體下部的導(dǎo)輥控制橫移方向。為了減小橫移液壓缸的推拉力，橫移車體下面可安裝滑板，支撐輪安裝在基礎(chǔ)上；也可以設(shè)計(jì)成在橫移車體下部安裝輪子，基礎(chǔ)上設(shè)置軌道的形式。由于四輥軋機(jī)工作輥換輥機(jī)下部要為更換支承輥留出足夠的空間，所以橫移車體的下部支撐只能布置在地坑兩側(cè)，地坑越寬橫移車體的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，剛度要求也越高，致使重量增大，吊裝困難。為避免在更換支承輥時(shí)吊走橫移車體，就要加大車體的橫移距離。如此則橫移車體與軋機(jī)內(nèi)工作輥換輥軌道間的固定蓋板也必須加長(zhǎng)，增加固定蓋板起吊難度，盡管將固定蓋板改成可升降的蓋板能大大提高自動(dòng)化程度，但設(shè)備結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而且由于升降機(jī)構(gòu)設(shè)置在地坑中，使地坑寬度加大，橫移車體的長(zhǎng)度也要增加，橫移車體因長(zhǎng)度過(guò)大導(dǎo)致焊接變形大，增加制造難度（見(jiàn)圖1）。

（2）分體式即橫移車體分成左右兩臺(tái)車架，平行于軋制中心線設(shè)置，中間用銷連接，車架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，每一臺(tái)車架上部安裝一組換輥軌道用于存放工作輥，其底部安裝有輪子和導(dǎo)向輪，其中一側(cè)車架下部與橫移液壓缸缸頭連接。由于車架間為非剛性連接，要求橫移車體下部的軌道必須是連續(xù)的。更換工作輥時(shí)，在橫移缸的帶動(dòng)下，車架同時(shí)沿軋制線方向移動(dòng)，完成新舊工作輥的位置更換；當(dāng)更換支承輥時(shí)，橫移液壓缸先將左側(cè)車架推至極限位置，待拔出連接銷后，再由橫移液壓缸將右側(cè)車架拉至極限位置，為支承輥換輥留出空間；地坑內(nèi)所設(shè)擺動(dòng)軌道在更換工作輥時(shí)供橫移小車移動(dòng)使用；在更換支承輥時(shí)，該軌道旋轉(zhuǎn)90°擺開(kāi)，讓出支承輥換輥空間。整個(gè)擺動(dòng)軌道裝置分為兩側(cè)固定軌道和中間擺動(dòng)軌道兩部分，兩側(cè)固定軌道直接把在基礎(chǔ)上，中間擺動(dòng)軌道架系焊接結(jié)構(gòu)，一端有旋轉(zhuǎn)軸，另一端支撐位置安裝滑板，軌道兩端支架和擺動(dòng)液壓缸底座均安裝在基礎(chǔ)上，擺動(dòng)液壓缸與軌道架側(cè)面連接，通過(guò)擺動(dòng)液壓缸伸縮實(shí)現(xiàn)軌道的擺動(dòng)。軌道兩側(cè)均有機(jī)械限位和支撐，安全可靠（見(jiàn)圖2）。該橫移車體體積小，重量輕，吊裝方便，成本低，在保證足夠的橫移空間基礎(chǔ)上，可盡量減小橫移車體的中心線與軋制中心線的距離，這樣就可以取消橫移車體與軋機(jī)內(nèi)工作輥換輥軌道間的固定蓋板，且橫移車體與軋機(jī)內(nèi)工作輥換輥軌道間的換輥軌道可設(shè)計(jì)成固定式，設(shè)備結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。更換支承輥時(shí)只需吊走橫移車體與軋機(jī)內(nèi)工作輥換輥間固定換輥軌道上方的小塊蓋板，取下橫移車體間的連接銷，減少了換輥輔助時(shí)間，自動(dòng)化程度較高。

2.2 推拉機(jī)構(gòu)

推拉機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)拖車式和液壓缸式兩種。

（1）電動(dòng)拖車式推拉機(jī)構(gòu)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)傳動(dòng)動(dòng)力的方式不同可分為兩種。一種由鏈輪與鏈條嚙合傳動(dòng)，鏈條為水平布置，拉力大小受到拖車重量的限制，若車體重量不足，則會(huì)使鏈輪滑出鏈條，因此該種換輥拖車一般僅用在熱連軋?jiān)O(shè)備上工作輥重量相對(duì)較輕的場(chǎng)合（見(jiàn)圖3）。另一種是由齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)，齒輪、齒條為豎直布置，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)減速機(jī)的輸出齒輪直接作用在齒條上，只要滿足強(qiáng)度要求即可，不需要考慮打滑問(wèn)題，設(shè)備重量降低50%以上，有效降低了成本，此傳動(dòng)形式的換輥拖車傳動(dòng)力大，多用于寬厚板軋機(jī)工作輥和支承輥的更換（見(jiàn)圖4）。這兩種電動(dòng)拖車式工作輥推拉機(jī)構(gòu)的換輥鉤都是用電動(dòng)缸控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘掛鉤，工作輥直接拉至磨輥間，減少輔助換輥時(shí)間，操作方便。

圖1 整體式橫移車體

圖2 分體式橫移車體

圖3 鏈輪與鏈條嚙合傳動(dòng)電動(dòng)拖車

圖4 由齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)電動(dòng)拖車

（2）液壓缸式推拉機(jī)構(gòu)是將液壓缸固定在支座上，活塞桿頭部安裝有換輥鉤，換輥時(shí)和下工作輥軸承座上的換輥鉤自動(dòng)掛鉤，將工作輥拉出和推入機(jī)架；由于推拉液壓缸行程較長(zhǎng)，為了避免工作時(shí)活塞桿因重力變形下垂導(dǎo)致的活塞和活塞桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)行動(dòng)阻力增加，活塞和活塞桿間的密封磨損加速，在活塞桿前端安裝支撐滾輪。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換輥力量大，設(shè)備重量輕，投資??；但受液壓缸的壓桿穩(wěn)定性的影響，液壓缸的行程受到限制，一般只能將工作輥拉到橫移車上，如將工作輥拉至磨輥間還需另外配置電動(dòng)拖車，大大增加了換輥的輔助時(shí)間，如用于連軋機(jī)上同時(shí)更換工作輥則換輥的輔助時(shí)間就要增加很多，因此該種形式常用于中板軋機(jī)（見(jiàn)圖5）。

圖5 液壓缸推拉式

3 推拉液壓缸的壓桿穩(wěn)定性分析

本文設(shè)能夠保持壓桿在微彎狀態(tài)下平衡的最小軸向力為臨界力；壓桿臨界力Fcr與壓桿實(shí)際承受的軸向壓力F之比值為壓桿的工作安全系數(shù)n，因其不得小于規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)。故有壓桿穩(wěn)定條件

根據(jù)穩(wěn)定性條件可對(duì)壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，在工程設(shè)計(jì)中主要對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行校核。因?yàn)橐恍╇y以避免的因素（例如，壓桿的長(zhǎng)度、約束條件、材料不均勻、壓力偏心以及制作缺陷等）對(duì)壓桿穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)強(qiáng)度的影響，因此通常比強(qiáng)度安全系數(shù)高。

式中，L—壓桿的長(zhǎng)度（mm）；m—壓桿的穩(wěn)定系數(shù)；I—壓桿的慣性矩（N·mm2）；E—材料彈性模量（Pa）。

壓桿的臨界應(yīng)力

式中，A—壓桿的截面面積（mm2）。

引入截面的慣性半徑i，則有

將上式帶入式（3），得

可以看出，壓桿的臨界應(yīng)力與柔度的平方成反比，壓桿失穩(wěn)一定發(fā)生在最大的截面內(nèi)。

若用λp表示對(duì)應(yīng)于臨界應(yīng)力等于比例極限σp時(shí)的柔度值，則可用判斷能否采用歐拉公式，它只與壓桿的材料E和比例極限σp有關(guān)。

從以上分析可以看出滿足λ≥λp時(shí)的壓桿稱為細(xì)長(zhǎng)桿，用歐拉公式來(lái)計(jì)算壓桿的臨界應(yīng)力和臨界力；若λs≤λ≤λp（其中的λs表示對(duì)應(yīng)于臨界應(yīng)力等于屈服強(qiáng)度σs或抗拉強(qiáng)度σb時(shí)的柔度值），屬于超過(guò)比例極限的壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，有兩種經(jīng)常使用的經(jīng)驗(yàn)公式：直線公式σcr=a-bλ（a、b是與材料有關(guān)的系數(shù)）和拋物線公式 σcr=a1-b1λ2（a1、b1是與材料有關(guān)的系數(shù)）；若λs＜λ時(shí)為小柔度桿，受壓時(shí)主要因?yàn)檫_(dá)到屈服極限（塑性材料）或抗拉強(qiáng)度極限（脆性材料）而破壞，即臨界應(yīng)力σcr=σs（或σb）。

下面以某1250粗軋機(jī)工作輥換輥推拉液壓缸為例，對(duì)液壓缸杠桿的穩(wěn)定性進(jìn)行較核。

活塞直徑D=?250 mm，活塞桿直徑d=?180 mm，總行程為9550 mm，活塞桿長(zhǎng)度L=10000 mm，活塞桿材料為45鋼，σp=280 MPa，E=210G Pa，工作壓力P=16 MPa，規(guī)定穩(wěn)定安全系數(shù)3。

活塞桿的慣性矩

活塞桿的慣性半徑

由式（4）得活塞桿的臨界應(yīng)力

則活塞桿的臨界力

再由液壓缸的最大推力

由于安全系數(shù)最小為3，即Fcr≥3F時(shí)，活塞桿不失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

更換工作輥是一個(gè)復(fù)雜的操作過(guò)程，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足用戶要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，重量輕，自動(dòng)化程度高的結(jié)構(gòu)形式。此外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用三維動(dòng)畫模擬整個(gè)換輥過(guò)程可以檢查換輥過(guò)程中各運(yùn)動(dòng)部件與相關(guān)設(shè)備之間的干涉問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。