冷軋機(jī)常見軋線調(diào)整裝置的設(shè)計分析

閆成琨，夏 宇，竇 鋒，蘇 明，蘇旭濤

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

0 前言

軋機(jī)在軋制生產(chǎn)中，需要不斷對軋輥進(jìn)行修磨，保證軋輥的表面粗糙度被控制在允許的范圍內(nèi)。冷軋板帶四輥軋機(jī)以及HC軋機(jī)、UCM軋機(jī)、CVC軋機(jī)等六輥軋機(jī)以及平整機(jī)組，會設(shè)置軋線調(diào)整裝置，以補(bǔ)償因修磨導(dǎo)致軋輥直徑減小所引起的軋線偏移。該裝置使板帶軋制線始終保持在預(yù)設(shè)位置，維持軋制生產(chǎn)的穩(wěn)定性和控制的方便性。

但是由于裝置結(jié)構(gòu)的多樣性，不同裝置的工作特性和受力情況都有所不同，設(shè)計人員在工程設(shè)計中很容易混淆。故非常有必要對常見的軋線調(diào)整裝置進(jìn)行分類，并針對各自工作特性加以分析，為設(shè)計過程提供了參考依據(jù)。

1 軋線調(diào)整裝置的分類

軋線調(diào)整裝置有很多類型，如手動更換補(bǔ)償墊塊、電動螺絲調(diào)整、斜楔塊式、階梯墊板式等，其在軋機(jī)機(jī)架的位置也有上置和下置兩種方式。除去較為老舊的手動方式或電動螺絲等以外，絕大部分現(xiàn)代冷軋機(jī)都是通過驅(qū)動斜楔墊塊在水平方向上移動，實現(xiàn)豎直方向上的升降以無級補(bǔ)償軋輥的修磨量。斜楔塊的受力特點是其受豎直方向的軋制力，會產(chǎn)生水平方向的支反分力。由于軋制力很大，其水平分力對設(shè)備的影響不容忽視。因此，研究軋制力與支反力的水平方向分力的關(guān)系是設(shè)計裝置的核心問題。

根據(jù)驅(qū)動斜楔塊水平方向移動的裝置不同，常見的軋線調(diào)整裝置有馬達(dá)驅(qū)動和液壓缸推動兩種類型，也有斜楔塊的組合形式。

2 馬達(dá)驅(qū)動型斜楔式軋線調(diào)整裝置

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1是一種下置式馬達(dá)驅(qū)動型軋線調(diào)整裝置。斜楔塊2和10的上平面可貼合平面滑板1滑動，下斜面可貼合斜面滑板3滑動。斜楔塊2和10的內(nèi)部分別安裝有旋向相反的梯形螺紋螺母5和9，螺母與一根兩端旋向相反的梯形螺紋絲杠6和8相配合。這樣，馬達(dá)13驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，會使螺母5和9沿著絲杠向著相反的方向移動，進(jìn)而推動斜楔塊2和10移動，從而補(bǔ)償了軋輥的磨削量。調(diào)整好軋制線位置后，馬達(dá)13停止轉(zhuǎn)動，螺母5和9就將斜楔塊2和10鎖定在當(dāng)前位置。

圖1 馬達(dá)驅(qū)動型斜楔式軋線調(diào)整裝置

2.2 斜楔塊受力分析

斜楔塊2的受力狀況如圖2所示，另一側(cè)的斜楔塊10受力情況與之對稱。圖中，F(xiàn)為螺母對斜楔塊的作用力，N；FP為單側(cè)斜楔塊承受的軋制力，N；FR為固定斜塊對斜楔塊斜面的反力，N；θ為B面與水平面的夾角，（°）。

圖2 斜楔塊受力分析圖

斜楔塊的上平面A和斜面B受平面壓力作用。在設(shè)計時會使A、B面的平面壓力的中心線交匯，并且使螺母作用力中心線也通過該點，形成匯交力系，從而避免出現(xiàn)附加彎矩作用在絲杠螺母上，使絲杠撓曲變形。因此斜楔塊的力矩是平衡的，只需考慮力的平衡關(guān)系。另外，由于斜楔塊的自重相比軋制力要小得多，一般為軋制力的1‰～2‰，故一般不考慮其影響。

斜楔塊的受力平衡方程如下

由式（1）、（2）可得，軋制力與螺母對斜楔塊的水平作用力的關(guān)系為

通過軋制力得到螺母承受的水平分力之后，再根據(jù)軋機(jī)的工況選擇適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，一般精軋機(jī)為1.5～2倍，粗軋機(jī)為2～3倍。以此為依據(jù)，查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》［1］中梯形螺紋的承載能力，即可選定合適的絲杠螺母的規(guī)格。

3 馬達(dá)驅(qū)動型錐體式軋線調(diào)整裝置

3.1 結(jié)構(gòu)

圖3是一種上置式馬達(dá)驅(qū)動型錐體式軋線調(diào)整裝置。固定斜塊1和12安裝在機(jī)架上方。錐體塊2和11的上斜面和下斜面均可以沿與其貼合的滑板平面滑動。該裝置驅(qū)動原理同第2節(jié)的裝置類似，通過馬達(dá)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，使錐體塊沿著絲杠水平移動，帶動升降斜塊4和13升降，從而補(bǔ)償了軋輥的磨削量。

圖3 馬達(dá)驅(qū)動型錐體式軋線調(diào)整裝置

3.2 錐體塊受力分析

錐體塊2的受力如圖4所示，另一側(cè)錐體塊與之對稱。圖中，F(xiàn)為螺母對錐體塊的反力，N；FR1為固定斜塊對錐體塊的反力，N；FR2為升降斜塊對錐體塊的反力，N。

圖4 錐體塊受力分析圖

錐體塊的受力平衡方程如下

由式（4）、（5）可得

馬達(dá)驅(qū)動型錐體式軋線調(diào)整裝置中升降斜塊4的受力如圖5所示，圖中，F(xiàn)R3為機(jī)架導(dǎo)向鍵對升降斜塊的水平方向約束力，N；F′R2為錐體塊對升降斜塊的反力，N；FP為單側(cè)升降斜塊承受的軋制力，N。

升降斜塊的水平方向受力平衡方程如下

由式（8）得

圖5 升降斜塊受力分析圖

又有

將式（9）、（10）代入式（7）可知，軋制力與螺母對錐體塊的水平作用力的關(guān)系為

根據(jù)式（11）可選定合適的絲杠螺母的規(guī)格。對比式（3）和式（11）可知，在軋制力和斜面斜率相同的情況下，錐形塊結(jié)構(gòu)的螺母所承受的力是斜楔塊螺母的2倍，螺母、絲杠以及分動箱的規(guī)格都需要相應(yīng)地增大。但是，當(dāng)螺母水平移動相同的距離時，錐體式軋線調(diào)整裝置可以獲得比單斜面軋線調(diào)整裝置更大的豎直調(diào)整量。因而可以在相同的橫向空間內(nèi)滿足更大的軋輥磨削量的需求，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

3.3 摩擦力

分析證明，在軋制狀態(tài)時，斜楔塊被絲杠螺母鎖定在預(yù)設(shè)位置，斜楔塊或錐體塊的A面和B面與各自貼合平面之間實際上沒有產(chǎn)生相對滑動的趨勢，故而也沒有產(chǎn)生摩擦力。只有當(dāng)絲杠螺母無法承受F的反作用力而發(fā)生塑性變形時，A、B面才會出現(xiàn)摩擦力，而此時裝置已經(jīng)受到破壞，這顯然不是設(shè)計所允許的。因而在計算這種類型裝置的軋制力與水平分力關(guān)系時，不能考慮摩擦力。這種結(jié)構(gòu)的計算雖然簡單，卻是該類型裝置在設(shè)計中常見的誤區(qū)。許多設(shè)計師誤以為A、B面存在靜摩擦力，在分析計算中將其考慮在內(nèi)［2～4］，從而得到了錯誤的計算結(jié)果。

馬達(dá)絲杠型的軋線調(diào)整裝置在軋制狀態(tài)下不存在的摩擦力，因此該裝置實際上并不存在自鎖特性。在實際工程中，有許多這種類型的裝置的傾斜角超過了“自鎖角”卻能夠正常使用的情況［4］。

4 液壓缸推動型軋線調(diào)整裝置

4.1 結(jié)構(gòu)

圖6是一種下置式液壓缸推動型軋線調(diào)整裝置。斜楔塊1與斜面滑板3和平面滑板4相貼合并可沿平面滑動。升降塊5兩側(cè)有導(dǎo)向鍵，使升降塊只能夠上下移動。該裝置兩側(cè)的結(jié)構(gòu)形式一致，并通過連接鍵6及螺栓將兩側(cè)的斜楔塊連接在一起。需要調(diào)整時，由液壓缸8推動斜楔塊1水平移動，進(jìn)而推動升降塊5抬升，從而補(bǔ)償了軋輥的磨削量。

軋制時，由于液壓缸8及液壓鎖止機(jī)構(gòu)在較大的外力作用下會存在一定量的壓力油內(nèi)泄而使活塞退讓，這就具備使斜面產(chǎn)生摩擦力的條件；另一方面，出于對液壓缸的保護(hù)，也不應(yīng)使其承受過大的外力。因此，液壓缸推動型軋線調(diào)整裝置在設(shè)計時必須選擇合適的斜面傾角以利用自鎖原理。

圖6 液壓缸推動型斜楔式軋線調(diào)整裝置

4.2 斜楔塊受力分析

由于液壓缸活塞位置不固定，可知在滑板的滑動面會產(chǎn)生摩擦力。設(shè)計目的是在軋制時盡可能地減小液壓缸的作用，因而平衡狀態(tài)時滑動面的摩擦力方向應(yīng)當(dāng)與液壓缸推力方向相同。斜楔塊1的受力分析圖如圖7所示，圖中，fP為斜楔塊A面與滑板間的靜摩擦力，N；fR為斜楔塊B面與滑板間的靜摩擦力，N。

圖7 斜楔塊受力分析圖

設(shè)定A、B面的摩擦系數(shù)μ相同，則斜楔塊的力平衡方程如下

正壓力與表面摩擦力關(guān)系可知

由式（12）～（15）可得

考慮另一側(cè)的斜楔塊將兩端的水平外力抵消后的受力情況與之相同。故液壓缸對兩側(cè)斜楔塊的總的作用力FH為

若要使軋制時液壓缸不承受軋制力的影響，使裝置自鎖，則可令式（17）中FH＝0，則有

式中，θE為斜面自鎖的最大傾斜角度。

由式（18）可得

即

式（20）即是軋線調(diào)整裝置在滑動面間的靜摩擦系數(shù)為μ時，斜面傾斜角的自鎖極值條件。當(dāng)該類型裝置斜楔的傾斜角θ≤θE時，裝置可自鎖。

由該裝置自鎖極值條件可知，貼合面的靜摩擦系數(shù)μ至關(guān)重要。該系數(shù)越大，則斜面傾角可以越大，裝置的橫向尺寸可以更為緊湊。但是由于要在調(diào)整時便于液壓缸推動，斜面往往會涂有潤滑脂。即使不使用潤滑脂，濺落在滑動面上的軋制油也會使摩擦系數(shù)減小。因而在選擇斜面傾角時，務(wù)必考慮最大潤滑條件下的靜摩擦系數(shù)作為計算依據(jù)，否則裝置有可能在某種軋制極限條件下不能自鎖。有文章認(rèn)為該傾斜角度應(yīng)為5.5°較為安全［5］，但是也有很多國際一流設(shè)備商的同類裝置的傾斜角度設(shè)計為6°～8°。因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體工況和潤滑條件，選擇合適的摩擦系數(shù)和斜面斜率。

5 斜楔與階梯塊組合式軋制線調(diào)整裝置

5.1 結(jié)構(gòu)

圖8是一種上置式斜楔與階梯塊組合式軋制線調(diào)整裝置。兩側(cè)的階梯塊5由階梯塊連桿1連接，其傳動側(cè)鉸接階梯塊液壓缸8兩側(cè)的斜楔塊4與固定在機(jī)架上方的固定斜塊3和階梯塊5的表面貼合，均可沿著平面滑動。斜楔塊4的傳動側(cè)鉸接斜楔塊液壓缸9需要調(diào)整時，斜楔塊液壓缸9推動斜楔塊4水平移動，從而使階梯塊5上下移動，補(bǔ)償軋輥磨削量。當(dāng)軋輥磨削量較大，超出斜楔塊4的補(bǔ)償能力時，由階梯塊液壓缸8推動階梯塊5平移一級，從而可以補(bǔ)償一級階梯的高度。之后，再移動斜楔塊4，補(bǔ)償軋輥磨削量。這種組合式結(jié)構(gòu)可以補(bǔ)償更大范圍的軋輥磨削量。

軋制時，階梯塊5沒有水平方向的分力，根據(jù)斜楔塊4的受力情況，同樣需要選擇合適的斜面傾角以利用自鎖原理。

圖8 斜楔與階梯墊組合式軋制線調(diào)整裝置

5.2 斜楔塊受力分析

階梯塊5的受力無水平分力。斜楔塊4的受力情況同液壓缸推動型軋線調(diào)整裝置的斜楔塊相同，其斜面傾斜角θ滿足

則裝置可以自鎖。但是由于有大補(bǔ)償量的階梯塊的存在，斜楔塊只需要在行程范圍內(nèi)滿足一個階梯高度的調(diào)整量即可，斜面傾角不必過大。研究這種類型裝置的論文有不少，大部分是關(guān)于其控制方式的，但是在斜面自鎖角的計算方面卻也常常出現(xiàn)錯誤［6］。

6 軋線調(diào)整裝置的傳動設(shè)計分析

當(dāng)裝置需要調(diào)整時，各種裝置都會在滑動面出現(xiàn)摩擦力，因此研究驅(qū)動力與阻力的關(guān)系是傳動設(shè)計的關(guān)鍵。斜楔式軋線調(diào)整裝置的阻力主要是主動力的水平分力和摩擦力。下置式調(diào)整裝置的主動力主要是支承輥裝配的重量。上置式則主要是來自支承輥平衡裝置的壓靠力，這通常是支承輥裝配重量的20%～30%.摩擦力隨著主動力的減小，也大大減小。因而在調(diào)整狀態(tài)下的受力情況對該裝置的強(qiáng)度影響很小。

6.1 單斜面裝置

單斜面斜楔塊在調(diào)整狀態(tài)的受力分析圖如圖9所示，圖中，F(xiàn)為螺母或液壓缸對單側(cè)斜楔塊的驅(qū)動力，N；FB為單側(cè)斜楔塊承受的軋輥裝配重力或平衡壓靠力，N；fBM為斜楔塊A面與滑板間的最大靜摩擦力，N；FR為固定斜塊對斜楔塊斜面的反力，N；fRM為斜楔塊B面與滑板間的最大靜摩擦力，N。摩擦力的方向為阻礙斜楔塊運動的方向。設(shè)定A、B面的最大靜摩擦系數(shù)μ相同，則斜楔塊的力平衡方程如下

圖9 斜楔塊調(diào)整狀態(tài)受力分析圖

根據(jù)正壓力與最大靜摩擦力關(guān)系

由（21）～（24）式解得單側(cè)最大驅(qū)動力

6.2 雙斜面裝置

雙斜面軋線調(diào)整裝置在調(diào)整狀態(tài)的受力分析圖如圖10、圖11所示。圖中，F(xiàn)R1為固定斜塊對錐體塊的反力，N；fRM1為斜楔塊A面與滑板間的最大靜摩擦力，N；FR2和F′R2為升降斜塊和錐體塊的相互反作用力，N；fRM2和f′RM2為斜楔塊B面與滑板間的最大靜摩擦力且互為反作用力，N；FR3為機(jī)架導(dǎo)向鍵對升降斜塊的水平方向約束力，N；fRM3為機(jī)架導(dǎo)向鍵對升降斜塊的最大靜摩擦力，N；μ3為機(jī)架導(dǎo)向鍵與升降斜塊的配合面的最大靜摩擦系數(shù)。

圖10 錐體塊調(diào)整狀態(tài)受力分析圖

圖11 升降斜塊調(diào)整狀態(tài)受力分析圖

由圖10得知，錐體塊的受力平衡方程如下

由（26）式 ～（29）式可得

由圖11得知，升降斜塊的豎直方向受力平衡方程如下

又有

由式（30）～（35）可知單側(cè)最大驅(qū)動力為

式（25）或者式（36）即為裝置承載壓靠力與推動斜楔塊移動的最小驅(qū)動力的關(guān)系式，也是馬達(dá)或者液壓缸的規(guī)格選型依據(jù)。設(shè)計裝置時，應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分每種結(jié)構(gòu)在軋制狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)下的不同關(guān)系式及主動力的不同意義。依照《機(jī)械設(shè)計手冊》選型即可。

7 裝置的類型和特性

當(dāng)前在產(chǎn)的板帶冷軋機(jī)組或平整機(jī)組中最為常見的幾種軋線調(diào)整裝置的應(yīng)用情況見表1。

表1 冷軋機(jī)常見軋線調(diào)整裝置的實際應(yīng)用

8 結(jié)束語

（1）對常見軋線調(diào)整裝置區(qū)分了馬達(dá)絲杠型和液壓缸推動型的特點，分析證明馬達(dá)絲杠型實際上不存在自鎖角，裝置的有效性是由其絲杠和螺母的強(qiáng)度決定的。而液壓缸推動型必須將斜面傾角設(shè)計小于自鎖角才能有效工作。

（2）區(qū)分了各種類型裝置在軋制狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)下的不同受力情況，并給出這兩種狀態(tài)下的各主動力的關(guān)系式。

（3）結(jié)合大量工程實例，總結(jié)了常見的幾種軋線調(diào)整裝置的特性和布置情況，可以供冷軋機(jī)或平整機(jī)設(shè)計人員參考。

（4）在工程設(shè)計時，需要根據(jù)用戶需求，綜合考慮設(shè)備的適用性、配置空間、經(jīng)濟(jì)性等方面，做出最優(yōu)的選擇。

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