鈦及鈦合金棒絲材軋制用的φ250 軋機(jī)軋輥軸承改造

宋敏奇，王占宏，馮 奇，梁海林，楊萬青

(寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)

1 前 言

φ250 軋機(jī)是寶鈦集團(tuán)有限公司φ26 mm 以下的鈦及鈦合金棒絲材生產(chǎn)的重要設(shè)備。該軋機(jī)為五機(jī)架橫列式軋機(jī)，第一、二、三機(jī)架為三輥型材軋機(jī)，采用傳統(tǒng)斜楔側(cè)面固定方式(圖1)固定軋輥，膠木瓦為滑動(dòng)軸承。此類軋機(jī)輥縫調(diào)整是通過固定中輥，調(diào)整上下軋輥位置來實(shí)現(xiàn)的。中輥固定則由控制中輥軸頸與膠木瓦之間間隙的斜楔控制。其間隙越小，中輥固定越好，受下軋制線軋制力的影響產(chǎn)生的跳動(dòng)也就越?。?-2］。但是，這種軸承系統(tǒng)在鈦及鈦合金棒絲材軋制過程中存在如下結(jié)構(gòu)缺陷:

(1)當(dāng)中下輥過料時(shí)，軋制力對(duì)中輥不斷沖擊，使斜楔的防松裝置迅速失效，中輥固定的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞;

(2)調(diào)整好的孔型，隨著中輥固定穩(wěn)定狀態(tài)被破壞而發(fā)生變化，影響棒材尺寸的穩(wěn)定性，最終影響成品質(zhì)量;

(3)在軋制過程中，為了防止膠木瓦結(jié)構(gòu)發(fā)熱磨損，需要澆注冷卻水對(duì)膠木瓦進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，冷水往往會(huì)噴濺到軋輥表面上，使得坯料表面溫降很快，特別是軋制鈦及鈦合金時(shí)，由于鈦及鈦合金導(dǎo)熱性差，坯料內(nèi)外溫度相差會(huì)更大，不利于坯料的均勻變形，軋制精度得不到保證;

(4)斜楔側(cè)面固定方式摩擦阻力大，軋制時(shí)的電能消耗也大，即便是采用630 kW 的電機(jī)也會(huì)經(jīng)常發(fā)生悶車現(xiàn)象，影響生產(chǎn)。

圖1 傳統(tǒng)斜楔側(cè)面固定方式Fig.1 The traditional way that fixed with inclined wedge from the side

2 改造后的結(jié)構(gòu)

為了滿足穩(wěn)定生產(chǎn)鈦及鈦合金棒絲材的條件，對(duì)φ250 軋機(jī)的軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將膠木瓦結(jié)構(gòu)改為滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，以消除原有軋機(jī)存在的缺陷，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 φ250 軋機(jī)軋輥的軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of roll bearing on φ250 rolling mill

由于是對(duì)原機(jī)架進(jìn)行改造，所以受機(jī)架位置、機(jī)架尺寸、軋制時(shí)所需的軋制力等條件的限制，軸承的外徑尺寸選擇范圍有限。既要保證改造后的軸承受力能夠滿足軋制時(shí)所需的軋制力的要求，還要保證改造后軸承座的強(qiáng)度。這是此次改造設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵問題。

3 軸承的選擇與軸承座的強(qiáng)度校核

3.1 受力軸承的選擇

φ250 軋機(jī)的軋制力為300 kN，選擇軸承時(shí)主要考慮軸承的承載能力，從現(xiàn)有的品種中選擇了雙列圓錐滾動(dòng)式軸承，這種軸承的最小承載能力可達(dá)到450 kN，完全可以滿足生產(chǎn)要求。軸承選擇好后，根據(jù)軸承的外形尺寸和φ250 軋機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)軸承座的尺寸。由于軸承的外形尺寸比較大，而軋機(jī)安放軸承座的位置比較小，軸承座設(shè)計(jì)的尺寸中，最薄處的厚度只有15 mm，因此軸承座的強(qiáng)度能否達(dá)到承載能力的要求，還需要進(jìn)一步校核。

3.2 軸承座強(qiáng)度校核

受軋機(jī)機(jī)架尺寸的限制，在軋輥軸承選定之后，軋輥軸承座成為承載校核的關(guān)鍵。其中軋機(jī)中間軋輥軸承座最為薄弱，因此，對(duì)中間軋輥軸承座進(jìn)行了強(qiáng)度校核。軸承座結(jié)構(gòu)示意圖及軸承座受力狀況分析見圖3。

圖3 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖及中間軋輥軸承座受力分析圖Fig.3 Structural sketch of bearing block and stress analysis diagram of the middle roller bearing block

軸承座受軸承的擠壓力分布一般比較復(fù)雜，在實(shí)際的工程計(jì)算過程中通常假設(shè)擠壓面上的應(yīng)力是均勻分布的［3］，擠壓面寬度為軸承孔的直徑，長(zhǎng)度為軸承孔深度的平面，對(duì)于軸承座來講，上下受力面為寬度為L(zhǎng)，長(zhǎng)度為b 的平面。軋機(jī)最大承受力P=0.294 MN，D = 225 mm，L = 256 mm，b = 150 mm，h=15 mm。

以O(shè) 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，選定坐標(biāo)系如圖3b 所示。通過對(duì)各段彎矩進(jìn)行比較分析，可確定軸承座受到的最大彎矩發(fā)生在AB 段，由于矩形截面為對(duì)稱圖形，則可判定軸承座所受的最大彎矩處其正應(yīng)力最大即該處為危險(xiǎn)點(diǎn)，即x =128 mm 處，軸承座AB段的彎矩方程及其最大正應(yīng)力如公式(1)、(2)所示:

將圖3 中的x=L/2 =128 mm、b、h 值分別代入公式(1)、(2)中得:σmax=101.3 MPa 。

軸承座的材質(zhì)為45#鍛鋼，σs=355 MPa ，安全系數(shù)n 取值范圍為1.2 ～2.5［3］。當(dāng)安全系數(shù)選取最大值2.5 時(shí)，則許用應(yīng)力為［σ］=σs/n =142 MPa，比較可知軸承座的最大應(yīng)力σmax＜［σ］。因此可以確定軸承座設(shè)計(jì)符合材料的安全使用要求，也就是能夠滿足φ250 軋機(jī)的承載力。

4 改造效果

經(jīng)過改造后的φ250 棒材軋機(jī)，無論是在棒材質(zhì)量控制方面，還是在棒材生產(chǎn)的節(jié)能降耗方面，都取得了良好效果。

4.1 尺寸控制

改造之前，φ250 棒材軋機(jī)采用的是膠木瓦固定軋輥的方式，穩(wěn)定性很差，棒材的表面易出現(xiàn)折疊、裂紋、斷面形狀不規(guī)則等缺陷。改為滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)之后，軋機(jī)的穩(wěn)定性顯著提高，生產(chǎn)出的棒材質(zhì)量穩(wěn)定性也隨之提高。分別隨機(jī)地抽取了軋機(jī)改造前后生產(chǎn)的φ23.5、φ18.5、φ12.5 mm 3 種規(guī)格的鈦合金棒材各一組外徑尺寸數(shù)據(jù)，繪制了棒材外徑尺寸單值控制圖(圖4)。

圖4 3 種不同規(guī)格的軋件外徑尺寸按改造前后的單值控制圖Fig.4 Single value control chart of the diameter size for the workpiece in three different specifications before and after the reform

由圖4 可以看出φ250 軋機(jī)改造前生產(chǎn)的3 種規(guī)格的鈦合金棒材尺寸波動(dòng)均較大，波動(dòng)幅度分別為:23.2 ～23.9 mm;18.1 ～18.8 mm;12.1 ～12.8 mm。改造后生產(chǎn)的鈦合金棒材尺寸分布集中，波動(dòng)范圍小，分別為:23.6 ～23.8 mm;18.5～18.8 mm;12.5 ～12.8 mm。

此外，改造后的φ250 軋機(jī)的性能得到了大幅度提高，調(diào)整后孔型很穩(wěn)定，產(chǎn)品的表面質(zhì)量得到了明顯改善。

4.2 電能消耗

表1 給出了φ250 棒材軋機(jī)改造前(2009 年5—8 月)及改造后(2010 年5—10 月)每生產(chǎn)1 t 鈦合金棒材所消耗的電能。從表1 可以看出，φ250 軋機(jī)改造前2009 年5—8 月每生產(chǎn)1 t 鈦合金棒材平均消耗電能830.395 kW·h，而改造后2010 年5—10 月每生產(chǎn)1 t 鈦合金棒材平均消耗電能585.603 kW·h，即改造前每生產(chǎn)1 t 鈦合金棒材平均消耗的電能要比改造后高41.8%。僅電能一項(xiàng)每噸棒材就可省出244.397 元。

4.3 備件使用費(fèi)用

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，φ250 軋機(jī)改造前每年平均需更換膠木瓦924 件，梅花套223 件。膠木瓦每件25 元，梅花套每件129 元，每年更換膠木瓦和梅花套的費(fèi)用合計(jì)為51 867 元。另外，每更換一次梅花套都需要拆裝和維護(hù)一次連接軸，每年需拆裝維護(hù)連接軸223 次。按拆裝維護(hù)一次需4 位熟練工共同工作1 h 計(jì)，每位員工的日工資按68 元計(jì)，則每年的拆裝維護(hù)費(fèi)為7 582 元。

表1 φ250 軋機(jī)改造前后每生產(chǎn)1 t 鈦合金棒材所消耗的電能Table 1 The electric energy used for producing 1t titanium and titanium alloy bars on the φ 250 rolling mill before and after the reform

φ250 軋機(jī)改為軸承結(jié)構(gòu)所需改造費(fèi)為8 萬元，連接軸也改為十字萬向連接軸，無需拆裝維護(hù)。但每?jī)赡晷鑼⑹芰ψ畲蟮哪莻€(gè)軸承更換一次，每次的費(fèi)用為2 800 元。

5 結(jié) 論

(1)φ250 軋機(jī)由膠木瓦結(jié)構(gòu)改為軸承結(jié)構(gòu)后軋制的鈦及鈦合金棒材尺寸穩(wěn)定，外表面質(zhì)量提高，成品率提高。

(2)按寶鈦集團(tuán)年產(chǎn)300 t 鈦及鈦合金棒絲材計(jì)，φ250 軋機(jī)改造后僅從節(jié)約的電能和節(jié)省的備件使用費(fèi)用兩項(xiàng)計(jì)算，就可節(jié)約開支13.14 萬元。

［1］鄒家祥. 軋鋼機(jī)械［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，1995.

［2］王邦文. 新型軋機(jī)［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，1994.

［3］劉鴻文. 簡(jiǎn)明材料力學(xué)［M］. 北京:高等教育出版社，1997.