雙輥系高強(qiáng)度板冷矯直機(jī)設(shè)計(jì)

聶建輝，趙 崠，荊翠妮，張衛(wèi)榮

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

0 前言

面對(duì)市場(chǎng)對(duì)普通板材需求飽和，高強(qiáng)度鋼板需求旺盛且利潤(rùn)較高的現(xiàn)狀，武鋼二熱軋薄板廠計(jì)劃通過(guò)技術(shù)升級(jí)將普通鋼板生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度鋼板（屈服強(qiáng)度最高1 200 MPa）生產(chǎn)線。該廠現(xiàn)有七輥矯直機(jī)作為該生產(chǎn)線機(jī)組最重要的設(shè)備，但此設(shè)計(jì)矯直能力不足，無(wú)法滿(mǎn)足高強(qiáng)度產(chǎn)品更新?lián)Q代以及板材規(guī)格、板材材料和厚度范圍等參數(shù)的要求，存在“厚板矯不動(dòng)，薄板矯不直”的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)考察得出，隨著板材強(qiáng)度的提高，由于矯直機(jī)輥?zhàn)又睆胶腿f(wàn)向軸強(qiáng)度限制，單臺(tái)矯直機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足其3～25.4 mm厚度范圍的矯直性能要求，只能將厚度劃分為3～10 mm和10～25.4 mm利用九輥和十三棍兩臺(tái)矯直機(jī)實(shí)現(xiàn)矯直。但受車(chē)間空間限制，該生產(chǎn)線無(wú)法布置兩臺(tái)矯直機(jī)，經(jīng)費(fèi)預(yù)算也超出預(yù)期。因此，本文根據(jù)武鋼二熱軋HSM2－HFL工程相關(guān)技術(shù)要求和實(shí)際情況，對(duì)比多個(gè)國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)方案，研發(fā)設(shè)計(jì)了雙輥系高強(qiáng)度板冷矯直機(jī)，替代其原有七輥矯直機(jī)，解決了3～25.4mm厚度范圍高強(qiáng)度板材矯直問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)方案與參數(shù)計(jì)算

矯直鋼板規(guī)格（厚 ×寬 ×長(zhǎng)）：（3～25.4）mm×（900～2 130）mm×（2 000～16 000）mm；矯直鋼板溫度：20～100℃；矯直鋼板最大屈服強(qiáng)度：1200 N／mm2。

根據(jù)矯直鋼板參數(shù)，結(jié)合矯直理論和太原重工股份有限公司矯直機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該公司開(kāi)發(fā)的矯直機(jī)參數(shù)計(jì)算軟件，經(jīng)過(guò)多次的計(jì)算，最終確定了九輥和十三棍兩種輥系相結(jié)合的方案：九輥用于厚度為10～25.4 mm鋼板的矯直，十三棍用于厚度為3～10mm鋼板的矯直。表1為該矯直機(jī)方案確定后的最終計(jì)算結(jié)果，為矯直機(jī)的輥系、主傳動(dòng)系統(tǒng)和換輥機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

表1 矯直機(jī)參數(shù)計(jì)算表

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖1所示，傳動(dòng)部分由主電機(jī)、減速機(jī)、齒輪機(jī)座及萬(wàn)向接軸等組成。

由于采用雙輥系單傳動(dòng)方案，主傳動(dòng)裝置要適應(yīng)兩套輥?zhàn)訑?shù)量和直徑都不同的輥系。根據(jù)表1中總扭矩14 056.8 N·m，單輥?zhàn)畲笈ぞ? 409.74 N·m，設(shè)計(jì)齒輪機(jī)座，以保證齒輪機(jī)座應(yīng)有的強(qiáng)度。同時(shí)，根據(jù)十三輥輥系設(shè)計(jì)齒輪機(jī)座的輸出軸數(shù)量為13個(gè)，其中9個(gè)為共用輸出軸（三角區(qū)域），結(jié)構(gòu)如圖2所示。再根據(jù)總功率439.4 kW、速比36.4932和矯直速度40 m／min確定出電機(jī)和減速機(jī)的參數(shù)和方案：中間五個(gè)輸出軸（多邊形內(nèi)）使用一臺(tái)220 kW電機(jī)，兩邊四個(gè)輸出軸各分配一臺(tái)220 kW電機(jī)，再通過(guò)聯(lián)軸器→減速機(jī)→齒輪機(jī)座→萬(wàn)向接軸→工作輥裝置，使設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。

圖1 傳動(dòng)裝置布置圖

圖2 雙輥系齒輪機(jī)座

兩套輥系輥徑不同，萬(wàn)向接軸需要根據(jù)表1中參數(shù)“與接軸連接處輥徑”分別選取，并根據(jù)各輥系單輥?zhàn)畲笈ぞ匦：?。九輥輥系根?jù)最大轉(zhuǎn)矩2 409.74 N·m選用JB／T5513 SWC200BH十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器，十三棍根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩692.042 N·m選擇JB／T5513 SWC120BH十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器。齒輪機(jī)座輸出軸采用花鍵套和端面鍵形式聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)形式有利于輥系互換時(shí)齒輪機(jī)座輸出軸準(zhǔn)確方便的插入萬(wàn)向接軸，2 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)輥系快速切換，能夠適應(yīng)該生產(chǎn)線板材規(guī)格調(diào)整。

2.2 本體部分

本體部分由機(jī)架裝配、壓下裝置、活動(dòng)橫梁、輥系、機(jī)架輥裝置、機(jī)上配管等組成。

2.2.1 機(jī)架裝配

根據(jù)兩套輥系中的最大總矯直力28.86 MN，設(shè)計(jì)的機(jī)架裝配由左右機(jī)架、上橫梁和下機(jī)架組成。左、右機(jī)架采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)剛度≥10 000 kN／mm，具有高強(qiáng)度板矯直所需的強(qiáng)度和剛度。

2.2.2 壓下裝置

壓下裝置采用四個(gè)帶位移傳感器的HAGC液壓缸實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)整動(dòng)作。HAGC液壓缸安裝在機(jī)架上橫梁上，下部與對(duì)開(kāi)梁連接。壓下速度0.5 mm／s，通過(guò)壓下缸同步調(diào)整或分組調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)上輥系的垂直調(diào)整、擺動(dòng)及傾斜調(diào)整，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)矯直輥的開(kāi)口度大小以及傾動(dòng)量，壓力傳感器用于對(duì)設(shè)備載荷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)設(shè)備過(guò)載時(shí)HAGC液壓缸使上輥系快速抬起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的過(guò)載保護(hù)。兩套輥系互換時(shí)，上輥系與活動(dòng)梁脫開(kāi)后，壓下裝置帶動(dòng)活動(dòng)梁快速抬起，是實(shí)現(xiàn)快速換輥的一個(gè)關(guān)鍵因素。

2.2.3 活動(dòng)梁裝置

活動(dòng)梁裝置由活動(dòng)梁、平衡缸及上輥盒鎖緊螺栓等組成。為了避免高強(qiáng)板矯直時(shí)的沖擊，活動(dòng)梁裝置中裝有液壓平衡機(jī)構(gòu)，用以平衡上輥系及活動(dòng)梁的全部重量，消除壓下螺母與絲杠之間的間隙，壓下過(guò)平衡系數(shù)為1.2～1.4。

2.2.4 輥系

如圖3所示，輥系由上下矯直輥、上下支承輥及上下輥盒等組成，是矯直機(jī)的核心。由于采用了雙輥系結(jié)構(gòu)，輥系設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮與傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、活動(dòng)梁的連接與互換性，因此兩套輥系除了輥?zhàn)优挪疾煌?，上下輥盒的外形尺寸與連接尺寸必須一致。此外，兩套輥系矯直輥和支承輥組合結(jié)構(gòu)一致，其上排矯直輥與下排矯直輥都交錯(cuò)排列。矯直輥材質(zhì)為60CrMoV，輥身表面硬度HRC 57～60，輥面具有硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)。支承輥材質(zhì)為GCr15SiMn，輥身表面硬度HRC 50～54，安裝在輥盒上，共有五排。十三棍采用倍徑支承輥布騎式布置，九輥采用等徑支承輥布騎式布置。支承輥軸承采用高承載能力的雙列球面滾子軸承，采用干油集中潤(rùn)滑。上、下輥盒采用焊接結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)安裝有支承輥及矯直輥。輥盒焊接結(jié)構(gòu)件剛度大且不易變形，可以保證輥系檢修后支承輥及矯直輥的安裝精度。上、下輥盒分別與機(jī)架可靠定位，保證矯直過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖3 輥系示意圖

根據(jù)參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)約束，選定輥系參數(shù)。如圖4所示，九輥輥系矯直輥總數(shù)為9，其中上矯直輥4根，下矯直輥5根。矯直輥規(guī)格為φ230 mm×2250mm，最大矯直力為24 GN，矯直輥輥距140 mm。支承輥規(guī)格為φ240mm，支承輥排數(shù)為5排。如圖5所示，十三輥輥系矯直輥數(shù)為13，其中上矯直輥6根，下矯直輥7根。矯直輥規(guī)格為φ130 mm×2250mm，最大矯直力24 GN，矯直輥輥距140 mm。支承輥規(guī)格為φ240mm，支承輥排數(shù)為5排。

圖4 九輥輥系布置

圖5 十三輥輥系布置

2.3 換輥裝置

由于兩套不同的輥系采用的萬(wàn)向接軸型號(hào)不同，需要隨輥系一起抽出更換。因此，該裝置與傳統(tǒng)換輥裝置存在明顯的不同之處。首先，其換輥架行程為10 m，以滿(mǎn)足輥系和萬(wàn)向接軸一起抽出時(shí)的長(zhǎng)度要求。其次，換輥裝置上還需設(shè)置移動(dòng)式托架裝置。如圖6所示。

圖6 換輥系統(tǒng)

移動(dòng)式接軸托架裝置用于換輥時(shí)將萬(wàn)向接軸夾緊并準(zhǔn)確定位，使齒輪機(jī)座與萬(wàn)向接軸準(zhǔn)確、迅速的連接與脫開(kāi)。下托架通過(guò)手動(dòng)升降，實(shí)現(xiàn)對(duì)萬(wàn)向接軸的準(zhǔn)確定位；上托架對(duì)萬(wàn)向接軸進(jìn)行夾緊，使得萬(wàn)向軸與輥系一并拖出。換輥速度為5 m／min，能夠?qū)崿F(xiàn)輥系快速更換。

2.4 雙輥系高強(qiáng)度板冷矯直機(jī)特點(diǎn)

雙輥系矯直機(jī)與單輥系矯直機(jī)相比較有以下特點(diǎn)：兩套輥系的互換性，可用以滿(mǎn)足不同板厚矯直要求；快速換輥裝置，將上、下輥系連同萬(wàn)向接軸整體拉出，實(shí)現(xiàn)兩套輥系快速互換功能；十三棍采用倍徑支承輥布騎式布置，九輥采用等徑支承輥布騎式布置，提高了對(duì)高強(qiáng)度鋼板的矯直能力；對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了細(xì)分，能夠根據(jù)板材規(guī)格選擇最優(yōu)輥系，能夠?qū)崿F(xiàn)單道次矯直，矯直過(guò)程中板材塑性變形率達(dá)60%～80%。

3 結(jié)論

通過(guò)雙輥系的互換性設(shè)計(jì)，既解決了車(chē)間場(chǎng)地限制又減少了HSM2－HFL工程預(yù)算。通過(guò)對(duì)板材的參數(shù)精細(xì)化分解，為各參數(shù)區(qū)間選擇合理輥系參數(shù)，設(shè)計(jì)出的雙輥系高強(qiáng)度矯直機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度板的精細(xì)化生產(chǎn)，提高了高強(qiáng)度板材質(zhì)量，為鋼鐵生產(chǎn)廠家產(chǎn)品更新?lián)Q代提供技術(shù)支持。該矯直機(jī)能夠應(yīng)用于板材的規(guī)格、材料和厚度范圍較大、矯直后的板型和殘余應(yīng)力等性能要求高的場(chǎng)合。由于普通矯直機(jī)輥系是一用一備，本設(shè)備的雙輥系矯直機(jī)與其相比并不顯著增加成本，價(jià)格僅略高于單臺(tái)矯直機(jī)，但其性能相當(dāng)于九輥和十三棍兩臺(tái)矯直機(jī)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］ 黃慶學(xué).新一代中厚板矯直機(jī)研究［A］.2009年全國(guó)中厚板生產(chǎn)技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.2009.

［2］ 劉飛.寶鋼寬厚板廠冷矯直機(jī)矯直輥位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制［A］.中國(guó)計(jì)量協(xié)會(huì)冶金分會(huì)2010年會(huì)論文集［C］.2010.

［3］ 馬曉明.高強(qiáng)板變輥距矯直機(jī)機(jī)組研發(fā)［A］.中國(guó)金屬協(xié)會(huì)冶金設(shè)備分會(huì)第二屆第一次冶金設(shè)備設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集［C］.2013.

［4］ 袁國(guó).中厚板矯直技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與展望［A］.第六屆中國(guó)軋機(jī)油膜軸承技術(shù)研討會(huì)論文集［C］.2002.

［5］ 王民，劉宇男，孫國(guó)智，等.初始?xì)堄鄳?yīng)力和切削殘余應(yīng)力對(duì)薄壁件加工變形的影響［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，43（08）：1141－1147.

［6］ 王志剛，王輝，李友榮.板帶矯直機(jī)壓下量的計(jì)算方法及其對(duì)矯直質(zhì)量的影響［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（04）：347－350.

［7］ 井永水，竇忠強(qiáng)，李忠富.矯直理論的新探索［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（01）：64－66.

［8］ 李立.基于曲率積分的中厚板帶張力輥式矯直機(jī)理研究［D］.重慶大學(xué)，2012.

［9］ 何艷華.輥式矯直機(jī)承載能力綜合研究［D］.武漢科技大學(xué)，2006.

［10］ 許亮.銅陰極板輥式矯直機(jī)精矯過(guò)程分析及參數(shù)研究［D］.昆明理工大學(xué)，2013.