ZR22B52"型20輥軋機輥系空間位置模型研究

賈志偉，張海利，龐樹芳，李莉

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著冷軋技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品精度要求不斷提高，20輥軋機以其機架整體輥系剛度大、道次壓下量大以及軋制精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高性能硅鋼、不銹鋼、極薄帶生產(chǎn)。但是，由于20輥軋機塔形輥系分布、開口度小等結(jié)構(gòu)特征，要求其生產(chǎn)過程中避免軋輥發(fā)生相互干涉的同時，保證輥系的穩(wěn)定性。國內(nèi)20輥軋機輥系配置主要依靠生產(chǎn)經(jīng)驗，往往需要長時間摸索軋輥配置方法，不僅降低輥系分析和配置效率，還會因配置不合理而降低軋輥使用壽命,甚至破壞輥系的穩(wěn)定性［1-3］。本文以鞍鋼ZR22B52"型森吉米爾軋機為研究對象，對其輥系結(jié)構(gòu)進行解析，在建立輥系空間位置模型的基礎(chǔ)上，研究了軋制線調(diào)整參數(shù)對軋輥空間位置關(guān)系的影響規(guī)律，進而為該型軋機輥系位置關(guān)系及配置優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 ZR22B52"型軋機輥系空間位置模型

1.1 20輥軋機輥系結(jié)構(gòu)

圖1為20輥軋機輥系結(jié)構(gòu)。如圖1所示，20輥軋機輥系呈塔形分布，分別由工作輥、一中間輥、二中間輥和支承輥組成，主要包括壓下調(diào)整機構(gòu)、輥形調(diào)整機構(gòu)以及輥徑補償機構(gòu)［4］。其中，8根支承輥由安裝在同一芯軸上的數(shù)個背襯軸承組成，通過壓下、側(cè)偏心等參數(shù)調(diào)整芯軸與機架鏜心之間的偏心距，完成對軋輥在機架中相對位置及其彈性變形的控制（As-U-Roll）；二中間輥由傳動輥和惰輥組成，外側(cè)4根傳動輥由主電機傳動，惰輥可通過預先磨削的凸度改善帶鋼板形；4根一中間輥為具有軸向竄動功能的錐度輥，通過控制帶鋼與軋輥之間有害接觸區(qū)長度調(diào)整帶鋼操作側(cè)及工作側(cè)板形；2根工作輥通過軋輥凸度、粗糙度等參數(shù)改善帶鋼板形、表面質(zhì)量等方面問題。綜上所述，森吉米爾軋機輥系結(jié)構(gòu)特點使其具有調(diào)整快速、控制準確等優(yōu)點，同時因軋輥布置緊湊，所以對輥系配置要求非常嚴格。

1.2 輥系空間位置模型

由于20輥軋機具有復雜的輥系結(jié)構(gòu)特點，因此依據(jù)其鏜孔結(jié)構(gòu)，建立了坐標系及軋輥在鏜孔內(nèi)相對位置的解析模型，圖2為20輥軋機輥系空間位置關(guān)系。以軋線為x軸，輥系縱向中心線為y軸，根據(jù)支承輥鏜心坐標（xC,yC,xD,yD）、軋輥偏心距（e1～e3）及各相鄰軋輥夾角（S1～S6），逐一求解各層輥心坐標，進而獲得軋輥在軋機鏜孔中的相對位置。

圖3為支承輥單偏心及雙偏心結(jié)構(gòu)輥心位置關(guān)系。圖3（a）為具有雙偏心結(jié)構(gòu)特點的的壓下調(diào)整機構(gòu)，壓下調(diào)整時軋輥內(nèi)偏心環(huán)從初始安裝相位α0B開始繞機架鏜心旋轉(zhuǎn)（半徑為偏心距d2），實現(xiàn)工作輥抬起或壓下。As-U-Roll調(diào)整時，則由外偏心環(huán)繞鞍座中心旋轉(zhuǎn)（半徑為偏心距d1），通過改變各背襯軸承相對位置，使支承輥產(chǎn)生徑向彈性彎曲。圖3（b）為具有單偏心結(jié)構(gòu)特點的輥徑補償機構(gòu)，通過軋機傳動側(cè)圓柱齒輪帶動軋輥軸心從初始安裝相位α0A繞機架鏜心旋轉(zhuǎn)（半徑為偏心距d3），當側(cè)偏心調(diào)整量達到180°時，背襯軸承的位移量達到最大值。

圖2 20輥軋機輥系空間位置關(guān)系

圖3 支承輥單偏心及雙偏心結(jié)構(gòu)輥心位置關(guān)系

通過對20輥軋機支承輥偏心結(jié)構(gòu)的解析，可以得出支承輥輥系坐標與軋輥安裝初始位置、偏心距以及調(diào)整參量之間的關(guān)系為：

式中，XBUR、YBUR分別為支承輥輥心坐標，mm；xi、yi為支承輥偏心環(huán)坐標，mm；di為軋輥與鏜心的環(huán)偏心距，mm；αi為支承輥調(diào)整時，軋輥軸心繞鏜心環(huán)旋轉(zhuǎn)角度，rad；α0i為軋輥偏心環(huán)安裝初始相位，rad。

對于具有雙偏心結(jié)構(gòu)的B-C輥，其外偏心環(huán)坐標（xb1、yb1）與鏜孔中心坐標（xb、yb）、偏心距 d1及外偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)角度α01之間的關(guān)系為：

將式（3）、（4）代入式（1）、（2）即可得出 B 輥輥心坐標。在建立式（1）、（2）所示支承輥輥心位置模型基礎(chǔ)上，根據(jù)各層軋輥之間的接觸關(guān)系，對各層軋輥輥心坐標進行求解。圖4為 I輥輥心位置與A、B輥輥心位置之間的關(guān)系。

圖4 I輥輥心位置與A、B輥輥心位置之間的關(guān)系

以圖4所示的I輥為例，I輥輥心坐標與A、B輥之間位置關(guān)系如下式所示：

式中，XI、YI分別為 I輥輥心橫、 縱坐標，mm;XA、YA分別為 A 輥輥心橫、 縱坐標，mm;RA、RB、RI分別為A輥、B輥和I輥軋輥直徑，mm；S11為A、I輥心連線與X軸之間的夾角，rad。

1.3 模型精度檢驗

為了檢驗?zāi)Ｐ途?，對比了輥系位置計算結(jié)果與實際結(jié)果。表1為計算工況條件，表2為輥系位置計算結(jié)果與實際結(jié)果對比。由表2看出，各層軋輥間距計算結(jié)果與現(xiàn)場實際相吻合，計算誤差為0～15 μm，具有較高的計算精度，可以用于該型軋機輥系位置關(guān)系的離線分析和提升軋輥使用效率。計算結(jié)果表明，各層軋輥間距以一中間輥最小，若軋輥配置或相關(guān)參數(shù)調(diào)整不當最易發(fā)生干涉。因此，應(yīng)以一中間輥間距作為軋輥是否發(fā)生干涉的判定指標。本文將圍繞輥系調(diào)整量對一中間輥間距的影響規(guī)律展開計算分析。

表1 計算工況條件

表2 輥系位置計算結(jié)果與實際結(jié)果對比

2 軋輥間距影響因素及變化規(guī)律

2.1 輥系調(diào)整量

圖5為輥系調(diào)整量對一中間輥間距的影響。由圖5看出，一中間輥間距隨著軋機壓下調(diào)整量的增加呈先減小后降低的趨勢，當壓下達1.1時輥間距達最小值；隨著側(cè)偏心調(diào)整量的增加，軋輥間距逐漸減小，當側(cè)偏心調(diào)整量達到某一臨界值后，一中間輥發(fā)生干涉；隨著As-U-Roll調(diào)整量的增加，軋輥間距略有增加。相比之下，壓下調(diào)整及側(cè)偏心調(diào)整對軋輥間距影響顯著，因此，實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)考慮壓下調(diào)整量減小或側(cè)偏心調(diào)整量增加過程中軋輥間距的變化，避免軋輥相互干涉。

2.2 軋輥直徑

圖6為軋輥直徑對一中間輥間距的影響。分析圖6發(fā)現(xiàn)，A-H側(cè)偏心輥、二中間傳動輥及一中間輥直徑對一中間輥間距存在 “向內(nèi)擠壓效應(yīng)”，亦即：隨著上述軋輥直徑的增加，相應(yīng)軋輥間距逐漸減??；而B-C輥、二中間惰輥對輥間距存在“向外擠壓楔形效應(yīng)”，即隨著二者直徑的增加，軋輥間距逐漸增加。

圖5 輥系調(diào)整量對一中間輥間距的影響

圖6 軋輥直徑對一中間輥間距的影響

3 軋輥位置模型在輥系分析中的實際應(yīng)用

由于不同輥系調(diào)整量、軋輥直徑對輥間距影響規(guī)律的差異性，在實際生產(chǎn)中應(yīng)在滿足軋制厚度和安全軋輥間距的前提下，綜合考慮二者對軋輥間距及軋線的耦合作用。據(jù)此，鞍鋼ZR22B52"型20輥軋機采用2種軋線設(shè)定模式：一種是在輥系直徑較大情況下的 “Open to Close”模式，即：首先利用壓下調(diào)整對輥間距的增大效應(yīng)提高軋輥間距，而后通過側(cè)偏心調(diào)整保證安全軋輥間距及軋線目標；另一種則是輥系直徑較小情況下的“Close to Open”模式，這種情況下軋輥間距較大，需要側(cè)偏心調(diào)整和軋線調(diào)整相互配合才能保證軋線目標。該模式是在保證軋輥安全間距及軋線的前提下，首先對側(cè)偏心量進行計算，而后依據(jù)軋線目標計算軋線參數(shù)。上述2種調(diào)整模式的主要原理在于，不同輥系直徑條件下，根據(jù)軋線、側(cè)偏心調(diào)整對軋輥間距的不同影響，在保證軋輥安全間距的前提下，按照不同壓下、側(cè)偏心調(diào)整次序進行設(shè)定計算。

表3為不同調(diào)整模式下的軋線設(shè)定參數(shù)及輥間距計算結(jié)果。由表3看出，不同調(diào)整模式下，輥間距滿足相鄰同層軋輥不發(fā)生干涉的設(shè)定要求；二者軋線調(diào)整參數(shù)（側(cè)偏心、壓下）差異較小，其主要原因為計算工況與該型軋機公稱直徑相近，小幅調(diào)整側(cè)偏心量即可達到軋線目標；此外，受到壓下機構(gòu)最小調(diào)整量限制，其設(shè)定目標與計算結(jié)果之間存在差異，實際生產(chǎn)中通過壓下調(diào)整即可滿足軋制要求。

表3 軋線設(shè)定參數(shù)及輥間距計算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）通過對鞍鋼ZR22B52"型20輥軋機輥系結(jié)構(gòu)的解析，建立了各層軋輥空間位置模型。相應(yīng)工況條件下，軋輥間距、軋線位置計算精度與實際結(jié)果基本吻合，計算誤差為0～15 μm，可以為該型軋機輥系相對位置關(guān)系、軋線調(diào)整參數(shù)的離線分析提供依據(jù)。

（2）通過對各層軋輥間距的計算，一中間輥最易發(fā)生干涉。對于軋輥安全間距的設(shè)定應(yīng)以一中間輥間距作為判定指標。

（3）依據(jù)不同輥系直徑條件選擇軋線調(diào)整模式，兩種模式的基本原理是利用軋線、側(cè)偏心調(diào)整對軋輥間距影響規(guī)律的差異性，按照不同軋線、側(cè)偏心調(diào)整順序進行計算，并保證軋輥安全間距以及軋線設(shè)定目標。