粗軋機(jī)壓下螺母磨損影響的分析

王修全，楊永興

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

1 問(wèn)題描述

2800 mm熱粗軋機(jī)是某鋁企鋁板軋制的關(guān)鍵設(shè)備之一，1970年由中國(guó)一重設(shè)計(jì)并制造，1989年由日本IHI公司改造，既可單獨(dú)生產(chǎn)厚板，也能與精軋聯(lián)合生產(chǎn)卷材[1]，至今已有50年。

該軋機(jī)通過(guò)兩側(cè)的電動(dòng)壓下裝置調(diào)節(jié)輥縫，調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.02 mm。電動(dòng)壓下裝置主要由電動(dòng)機(jī)、離合器、壓下減速機(jī)、壓下絲桿、壓下螺母等組成[1]。壓下裝置螺紋規(guī)格為S520 mm×48 mm，壓下絲桿材料為40Cr，壓下螺母材料為ZQAL9-4。該軋機(jī)因保養(yǎng)良好，從未更換，使用年限已達(dá)50年，并且近幾年由于軋制工藝需求，采用靜壓力軋制方式較多。靜壓壓下時(shí)，最大靜壓力達(dá)到700 t，是空載壓下時(shí)載荷的10倍以上。這導(dǎo)致壓下螺母磨損加劇，螺旋副摩擦因數(shù)降低，當(dāng)量摩擦角減小，不滿足螺旋副自鎖條件。而粗軋機(jī)主要采用大壓下量軋制，瞬時(shí)沖擊載荷較大，出現(xiàn)明顯的輥縫回彈，輥縫精度無(wú)法保證，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率均受到影響?？紤]到除了壓下螺母磨損導(dǎo)致螺紋強(qiáng)度下降以外，設(shè)備還存在安全風(fēng)險(xiǎn)等因素，決定對(duì)其進(jìn)行更換。

2 現(xiàn)象及數(shù)據(jù)

壓下螺母更換過(guò)程非常順利，成功消除了輥縫回彈。為進(jìn)一步分析并總結(jié)壓下螺母磨損的影響，對(duì)更換前后的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和整理。

結(jié)果表明：更換前，有輥縫回彈，且更換過(guò)程中螺母受重力作用在絲桿上出現(xiàn)打轉(zhuǎn)現(xiàn)象；更換后，無(wú)輥縫回彈，恢復(fù)了輥縫精度。

更換前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 螺母更換前后數(shù)據(jù)對(duì)比

3 影響分析

根據(jù)上述現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，本文從螺紋強(qiáng)度、自鎖性能、電流及靜壓力3個(gè)方面對(duì)壓下螺母磨損的影響進(jìn)了分析。

3.1 螺紋強(qiáng)度

與壓下絲桿相比，壓下螺母材料質(zhì)地較軟，可忽略壓下絲桿磨損，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可近似認(rèn)為舊壓下螺母磨損量Δ=7 mm-1.4 mm=5.6 mm。

新壓下螺母螺紋牙的剪切應(yīng)力τ和彎曲應(yīng)力σ的計(jì)算公式[2]為：

式中：F為螺紋受到的軸向載荷；D為螺母螺紋大徑；b為螺紋牙根部寬度，鋸齒形螺紋b=0.74 P；n為螺紋旋合圈數(shù)；h為螺紋牙型高度。

由于舊壓下螺母磨損，其螺紋牙根部寬度減少?？紤]到未發(fā)生嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題及產(chǎn)生大量銅膜，采用圖1所示的均勻磨損模型來(lái)進(jìn)行分析。

圖1 均勻磨損模型

根據(jù)磨損量，可近似計(jì)算出磨損后的螺紋牙根部寬度b′：

帶入強(qiáng)度計(jì)算公式，可得舊壓下螺母螺紋牙的剪切應(yīng)力τ′=1.19τ和彎曲應(yīng)力σ′=1.41σ。

由此可知，在其他參數(shù)均不變的情況下，只考慮壓下螺母均勻磨損的情況，其螺紋牙的剪切應(yīng)力是新壓下螺母的1.19倍，彎曲應(yīng)力是新壓下螺母的1.41倍。若考慮磨損不均勻及壓下螺母受附加力作用等因素，則剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力還將更大。舊螺母的螺紋強(qiáng)度已明顯下降，而軋機(jī)大壓下量咬入時(shí)，瞬時(shí)沖擊載荷較大，在極端情況下可能崩牙。

3.2 自鎖性能

梯形螺紋具有自鎖性能，其螺旋副自鎖條件[2]為：

式中：α為螺紋升角；φ為螺紋當(dāng)量摩擦角。

螺紋磨損與接觸面應(yīng)力有關(guān)，與空載壓下只克服過(guò)平衡力相比，靜壓壓下時(shí)，壓下螺母螺紋所受的負(fù)載是過(guò)平衡力的數(shù)倍，這導(dǎo)致壓下絲桿與螺母之間接觸應(yīng)力增大，摩擦力增大[3]。這些情況加劇了壓下螺母磨損，使螺旋副摩擦因數(shù)減小，當(dāng)量摩擦角φ減小，不能滿足上述自鎖條件。而熱粗軋機(jī)主要采用大壓下量軋制，軋件咬入時(shí)，瞬時(shí)沖擊載荷較大，螺旋副無(wú)法自鎖，出現(xiàn)明顯的輥縫回彈。

拆下的舊螺母由于自身重力作用，會(huì)在壓下絲桿上打轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象又進(jìn)一步證實(shí)了螺旋副無(wú)法自鎖的觀點(diǎn)。

3.3 電流及靜壓力

壓下絲桿下降所需的力矩M計(jì)算公式如下[2]：

式中：F為螺紋受到的軸向載荷；d1為球面墊直徑=435 mm；μ為壓下絲桿與球面墊間的摩擦系數(shù)=0.1；d2為壓下絲桿平均直徑=520-0.68×48 mm=487.4 mm；α為螺紋升角；φ為螺紋當(dāng)量摩擦角。

對(duì)于新壓下絲桿，其螺紋當(dāng)量摩擦角取設(shè)計(jì)尺寸φ=5°43′（摩擦因數(shù)0.1）。

對(duì)于舊壓下絲桿，考慮壓下螺母磨損，螺紋當(dāng)量摩擦角減少。根據(jù)自鎖性能的分析，可認(rèn)為該螺旋副不滿足自鎖條件，取φ′=α=1°45′來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。

空載壓下時(shí)，絲桿克服過(guò)平衡力的能力下降，過(guò)平衡力由主平衡缸提供，由于重錘蓄能器的重力勢(shì)能可以保壓，故螺紋受到的軸向載荷一定。將以上參數(shù)帶入力矩計(jì)算公式，可得新、舊壓下絲桿下降所需的力矩M=4.64F和M′=2.94F。

壓下絲桿的力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的力矩T：

式中：i為總傳動(dòng)比；η為總傳動(dòng)效率。

對(duì)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)則采用下列公式計(jì)算[4]：

式中：CT為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ為主磁極的磁通；Id為電動(dòng)機(jī)的電樞電流。

由上述公式可知，在其他參數(shù)不變的情況下，Id和M成正比關(guān)系。

則新、舊壓下絲桿、螺母的壓下電流比值x為：

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的平均電流比值為x′=1.61。

對(duì)輥壓靠時(shí)，壓下電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，最大電流一定，產(chǎn)生的扭矩一定。新、舊壓下絲桿、螺母螺紋受到的軸向載荷的比值y為：

對(duì)輥壓靠時(shí)，螺紋受到的軸向載荷由過(guò)平衡力和靜壓力兩部分組成，過(guò)平衡力為59.5 t。根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知，實(shí)際測(cè)量的平均軸向載荷比值為y′=0.61。

電流及靜壓力的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相比有一定差距。但若考慮新壓下絲桿、螺母配合面存在凹凸不平導(dǎo)致附加力矩、摩擦因數(shù)較大等情況，則計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值將更加接近，因此該計(jì)算分析與實(shí)際情況比較符合。

針對(duì)2800 mm熱粗軋機(jī)出現(xiàn)的輥縫回彈問(wèn)題，經(jīng)查閱相關(guān)資料，對(duì)回彈現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定了根本原因?yàn)閴合侣菽改p嚴(yán)重。通過(guò)脫開(kāi)平衡缸，釋放絲桿與螺母的間隙，測(cè)量絲桿下降位移并與圖紙比對(duì)，確定了實(shí)際的磨損量[5]，進(jìn)一步證實(shí)了壓下螺母磨損嚴(yán)重的觀點(diǎn)，并通過(guò)磨損量對(duì)螺紋強(qiáng)度進(jìn)行了分析?？紤]輥縫回彈問(wèn)題以及螺紋強(qiáng)度下降帶來(lái)的隱患，制定了更換壓下絲桿和螺母的方案。備件尺寸復(fù)核后，對(duì)其進(jìn)行了更換，成功消除了輥縫回彈現(xiàn)象，恢復(fù)了輥縫精度，同時(shí)也降低了設(shè)備的安全隱患。在此基礎(chǔ)上收集整理了更換前后的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，并對(duì)壓下螺母磨損的影響進(jìn)行了分析，為解決同類(lèi)問(wèn)題總結(jié)了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合某廠2800 mm軋機(jī)出現(xiàn)的壓下螺母磨損情況，得出以下3點(diǎn)壓下螺母磨損影響的結(jié)論：

（1）螺紋剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度降低，彎曲強(qiáng)度降低較為明顯，極端情況下可能崩牙。

（2）當(dāng)量摩擦角減小，超過(guò)臨界范圍時(shí)，螺旋副無(wú)法自鎖。

（3）負(fù)載一定時(shí)，電機(jī)電流降低；電機(jī)電流一定時(shí)，壓靠靜壓力增大?？筛鶕?jù)電流及靜壓力變化趨勢(shì)評(píng)估螺紋磨損情況。

當(dāng)壓下螺母磨損造成輥縫回彈時(shí)，通過(guò)更換兩側(cè)壓下裝置的絲桿和螺母即可消除該問(wèn)題，有效恢復(fù)輥縫精度。以上結(jié)論均與實(shí)際現(xiàn)象及數(shù)據(jù)相符，對(duì)同類(lèi)型設(shè)備的使用和維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。