四輥銅帶可逆冷軋機(jī)輥系穩(wěn)定性分析

孫宗浩

(中色科技股份有限公司，河南洛陽471039)

四輥銅帶可逆冷軋機(jī)用來生產(chǎn)高精度銅板帶，對工作輥輥面質(zhì)量要求較高，因此在生產(chǎn)過程中需要頻繁更換工作輥，以保證軋制帶材的表面質(zhì)量。為了提高換輥效率縮短換輥時(shí)間，大多設(shè)計(jì)了快速換輥裝置。而軋機(jī)在長時(shí)間高速軋制的情況下，軋輥軸承座受熱膨脹，熱膨脹過大會(huì)造成軋輥軸承座卡死在機(jī)架牌坊窗口中。這就要求工作輥軸承座、支承輥軸承座與機(jī)架牌坊窗口之間存在適當(dāng)?shù)目p隙，以利于快速更換工作輥。但是這個(gè)縫隙又會(huì)造成軋輥在冷軋機(jī)牌坊窗口中存在一個(gè)輥?zhàn)娱g位置變化的水平空間，在軋機(jī)軋制帶材時(shí)，軋輥在該水平空間中若無固定的水平力約束，將在其水平方向上處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，軋機(jī)軋制過程中，在前、后張力以及萬向接軸附加動(dòng)載荷的作用下，也會(huì)出現(xiàn)輥系失穩(wěn)。這種失穩(wěn)狀態(tài)勢必使軋輥軸承遭受頻繁沖擊，降低了軋輥軸承的使用壽命，加劇軋輥的磨損程度，進(jìn)一步將降低軋機(jī)的軋制精度，造成板帶材厚差不均，板形不良，嚴(yán)重時(shí)甚至造成帶材斷裂，軸承燒毀，損傷軋機(jī)。因此設(shè)計(jì)時(shí)對軋機(jī)軋輥軋制穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采取解決軋制不穩(wěn)定的措施，保證軋機(jī)軋制時(shí)軋輥的穩(wěn)定性是非常重要的。

1 影響軋輥穩(wěn)定性的兩個(gè)因素

為更換工作輥和支承輥軸承座方便，一般在四輥軋機(jī)機(jī)架窗口與軸承座之間留有一定的縫隙，該縫隙的存在，為輥系輥?zhàn)又g的位置變化提供了空間;而輥?zhàn)又g的位置變化，會(huì)造成軋制過程的失穩(wěn)，使軋機(jī)出口帶材厚度差在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)。輥?zhàn)又g位置變化造成軋制過程不穩(wěn)定的情況，通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 張力

目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)的四輥銅帶可逆冷軋機(jī)多采用工作輥驅(qū)動(dòng)帶張力軋制，張力軋制可減小作用在軋輥上的軋制壓力，提高軋制扭矩，改善軋制條件，還可起到矯直展平帶材、提高帶材表面質(zhì)量的作用。以我公司現(xiàn)有的四輥銅帶可逆冷軋機(jī)為例，工作輥中心線一般相對于支承輥中心線有一定的偏心距，以確保工作輥在軋制時(shí)受到一個(gè)方向不變且大小恒定的力，這在一般冷軋機(jī)設(shè)計(jì)中也經(jīng)常使用。偏心距的大小需經(jīng)嚴(yán)密精確計(jì)算，且偏向出口一側(cè)。因此在可逆軋機(jī)中會(huì)出現(xiàn)正向軋制和逆向軋制兩種情況。以軋機(jī)操作側(cè)看軋制方向從左到右為正向軋制，從右到左為逆向軋制為例。

圖1為正向軋制時(shí)的情況，F(xiàn)1為前張力，F(xiàn)0為后張力，工作輥對支承輥偏移量為 e(偏向右側(cè)(出口側(cè)))，F(xiàn)為工作輥軸承座所受的水平反力，在軋制過程中只有F＞0且作用方向不變時(shí)，才可以保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制。

工作輥力的平衡條件如(1)式:

如要保證F＞0，則應(yīng)是φ+θ+γ＞0。

圖1 正向軋制Fig.1 Rolling in forward direction

正向軋制時(shí)，θ＞0，γ＞0，只要F1＞F0，則φ＞0，此時(shí)F＞0，可保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制，因此正向軋制時(shí)，前張力大于后張力有利于工作輥的穩(wěn)定性。但在實(shí)際生產(chǎn)中，板帶生產(chǎn)的工藝中經(jīng)常出現(xiàn)F0＞F1的情況，即φ＜0，這時(shí)只要保證θ+γ＞，也可保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制。

圖2為逆向軋制的情況，此時(shí)工作輥偏向入口。

圖2 逆向軋制Fig.2 Rolling in backward direction

工作輥力的平衡條件如(2)式:

要保證F＞0，則應(yīng)是 －φ+θ－γ＞0。

逆向軋制時(shí)，若F0＞F1，則 －φ＞0，因此后張力大于前張力有利于工作輥的穩(wěn)定性。當(dāng)F1＞F0時(shí)，帶材張力對工作輥的水平分力方向向左，在一定程度上會(huì)減小使輥系穩(wěn)定的力F，即削弱輥系的穩(wěn)定性。

參照我公司設(shè)計(jì)的某四輥銅帶可逆冷軋機(jī)的生產(chǎn)工藝，軋機(jī)工作輥直徑210mm，支承輥直徑600mm，軋輥偏心距3mm。通過3個(gè)道次的軋制，某牌號(hào)帶材由2.5mm 軋至1.0mm，1、3道次為正向軋制，2道次為逆向軋制。調(diào)試階段，在第2道次軋制帶材由1.6mm軋至1.25mm時(shí)，軋制力為2020kN，經(jīng)常出現(xiàn)厚差波動(dòng)及板形缺陷等現(xiàn)象?，F(xiàn)場通過對第2道次前后張力的調(diào)整發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前張力逐漸減小后張力不變時(shí)，厚差及板形會(huì)有逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢。通過逆向軋制時(shí)工作輥的平衡條件公式，計(jì)算前張力不同而后張力相同時(shí)的F，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水平力F計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of horizontal force F

由表1可以看出，逆向軋制時(shí)，當(dāng)F1＞F0時(shí)，F(xiàn)1與F0差值越大，F(xiàn)值越小，工作輥越趨向于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)F1與F0差值大于8kN時(shí)，F(xiàn)值小于0，工作輥處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 萬向接軸

以我公司設(shè)計(jì)的工作輥驅(qū)動(dòng)四輥可逆銅帶冷軋機(jī)為例，電機(jī)力矩由電機(jī)通過減速箱再由萬向接軸傳遞到工作輥上形成軋制力矩。當(dāng)軋機(jī)工作時(shí)減速箱輸出軸以一定的角速度輸出力矩時(shí)，由于萬向接軸傾角α的存在(圖3)，中間軸身與兩端軸頭角速度變化不一致，會(huì)在中間軸身與兩端軸頭接頭處產(chǎn)生一個(gè)附加力矩TA，該力矩呈周期性變化，并產(chǎn)生了作用于工作輥的周期性變化的附加水平力F2，該力引起工作輥在機(jī)架內(nèi)擺動(dòng)，從而影響了輥系的穩(wěn)定性(圖4)。因此在軋機(jī)設(shè)計(jì)中也要考慮擾動(dòng)力矩對工作輥穩(wěn)定性的影響。

圖3 萬向接軸傾角Fig.3 Inclination angle of universal joint shaft

圖4 萬向接軸受力Fig.4 Force analysis of universal joint shaft

以我公司設(shè)計(jì)的某四輥銅帶可逆冷軋機(jī)為例，工作輥直徑210mm、支承輥直徑600mm時(shí)，萬向接軸傾角α為2.437°，當(dāng)軋制速度為160m/min時(shí)，主電機(jī)電流為690A，電壓為660V。

萬向接軸中間軸與兩端軸頭的角速度變化關(guān)系為:

在不考慮摩擦損耗情況下，根據(jù)瞬時(shí)做功相等的原則:

P=T2×ω2=T1×ω1=T0×ω0

當(dāng)ω2以恒定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，ω1轉(zhuǎn)速的值類似正弦曲線(圖5)變化。由圖4可知，當(dāng) ω1值最小時(shí)，TA=T0tanα 。由此，計(jì)算出 ω1、TA、F2，見圖 5、圖6、圖7。

圖5 中間軸的角速度ω1Fig.5 Angular velocity of the intermediate shaft

圖6 附加力矩TAFig.6 Extra torque TA

圖7 水平擾動(dòng)力F2Fig.7 Horizontal disturbing force F2

逆向軋制時(shí)，萬向接軸的附加力矩TA對工作輥產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)力矩M，如圖8所示，并由此產(chǎn)生一個(gè)附加水平力F2，F(xiàn)2方向與F相反，有削弱工作輥穩(wěn)定性的作用，對表1結(jié)果添加擾動(dòng)力F2最大值，考慮F2后輥系所受水平合力F的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 考慮F2時(shí)水平力F計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of F taking F2into account

圖8 逆向軋制時(shí)萬向接軸對工作輥的擾動(dòng)Fig.8 Schematic illustration of disturbance by universal joint shaft to work rolls in backward direction

接軸計(jì)算不考慮摩擦等因素，軋機(jī)逆向軋制時(shí)，當(dāng)前后張力差超過一定數(shù)值時(shí)，F(xiàn)＜0，則工作輥輥系處于不穩(wěn)定軋制狀態(tài)，帶材厚差及板形控制情況較差。因此在生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)中，前張力F1取20kN，后張力F0取22kN，這樣既保證了足夠的水平力F，實(shí)際生產(chǎn)中也能保證工作輥輥系的穩(wěn)定，可以得到質(zhì)量可靠的厚差及板形。

2 解決軋輥穩(wěn)定性的措施

在實(shí)際板帶材生產(chǎn)中，雖然會(huì)極力避免F＜0的情況出現(xiàn)，但是因?yàn)楣に嚿a(chǎn)條件的限制，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)F＜0的情況，而此時(shí)在軋制過程中給工作輥軸承座一個(gè)方向與F一致且足夠大的側(cè)頂力，將工作輥軸承座緊靠在一側(cè)牌坊上，就可以可消除水平可交叉空間，以保證軋制時(shí)工作輥的位置穩(wěn)定。

依據(jù)四輥銅帶可逆冷軋機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在牌坊窗口中設(shè)置側(cè)頂液壓缸(圖9)，通過液壓缸來把工作輥軸承座壓靠在一側(cè)牌坊上，可消除軋機(jī)軋制過程中軋輥軸承座與牌坊窗口之間的縫隙，并始終保證F＞0，已達(dá)到穩(wěn)定軋制。

3 結(jié)論

在實(shí)際的四輥銅帶可逆冷軋機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，通過理論計(jì)算與事件經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合選取最佳偏心距，并且增設(shè)工作輥側(cè)頂液壓缸，提供一個(gè)方向恒定且足夠大的側(cè)頂力。側(cè)頂力的大小與生產(chǎn)產(chǎn)品的軋制工藝性相關(guān)，尤其與帶材前后張力聯(lián)系密切，通常認(rèn)為側(cè)向力應(yīng)大于前后張力。通過這種增加側(cè)頂力的手段，可提高工作輥的穩(wěn)定性，保證銅帶產(chǎn)品的厚差及板形質(zhì)量，降低軋輥及軋輥軸承的故障損耗。

圖9 側(cè)頂液壓缸Fig.9 Lateral hydraulic cylinder

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