開坯機壓下螺絲彈跳原因分析與改進(jìn)措施

馬文才

(鞍鋼集團本鋼板材特殊鋼事業(yè)部，遼寧 本溪 117000)

0 前言

開坯機壓下螺絲“彈跳”，是開坯機常見故障。導(dǎo)致該故障的因素較多，很難在短期內(nèi)辨識出來并消除故障，對生產(chǎn)經(jīng)營活動的影響比較嚴(yán)重。某棒材軋線，設(shè)備改造竣工投產(chǎn)1年多，壓下螺絲“彈跳”一度嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)經(jīng)營。本文通過對“彈跳”產(chǎn)生原因進(jìn)行探討、對影響因素進(jìn)行辨識、找出消除故障的主要因素并提出可行的解決措施。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)概況

開坯機是棒材或型鋼軋線重要設(shè)備，其作用是對加熱后的坯料進(jìn)行往復(fù)軋制，給后續(xù)連軋機組提供中間坯。開坯機壓下傳動裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示：主要有上軋輥平衡裝置、壓下傳動單元、螺母和螺絲構(gòu)成的螺旋副、防卡缸、球面軸承等組成。

圖1 壓下傳動裝置

上軋輥平衡裝置采取液壓平衡方式，由平衡梁7固定上軋輥，平衡梁兩端與安裝在機架上的平衡缸3連接。平衡裝置的主要作用：當(dāng)軋輥間沒有軋件時，由于上軋輥及其軸承座的重力作用，在軸承座與壓下螺絲之間、壓下螺絲與螺母的螺紋之間均會產(chǎn)生間隙。這樣，當(dāng)軋件咬入軋輥時，會產(chǎn)生沖擊。為防止沖擊，在軋機上設(shè)置上軋輥平衡裝置，使上軸承座緊貼壓下螺絲端部并消除螺紋之間的間隙。大多數(shù)軋機的平衡裝置還兼有抬升上輥的作用。

壓下傳動單元中的電機通過傳動軸帶動蝸輪減速器，驅(qū)動壓下螺絲旋轉(zhuǎn)，壓下螺母固定在機架上、無相對位移，壓下螺絲在旋轉(zhuǎn)的同時，實現(xiàn)上下往復(fù)運動。而壓下螺絲的底端通過球面軸承，指揮上軋輥做升降運動，運動的幅度換算成上下軋輥的相對位移，就是輥縫。編碼器、傳感器控制壓下速度及輥縫大??；輥縫是軋制工藝主要參數(shù)。壓下螺絲“彈跳”，即輥縫失控，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量事故。軋輥平衡缸是單作用缸，平衡力由液壓系統(tǒng)中的蓄能器直接供能。

2 壓下螺絲彈跳原因分析

2.1 壓下螺絲彈跳

1150開坯機壓下螺絲發(fā)生“彈跳”現(xiàn)象。當(dāng)鋼坯咬入瞬間、產(chǎn)生的沖擊，使輥縫值在1 s內(nèi)瞬間增大，一般在2～3 mm，嚴(yán)重時20 mm以上，而且能直觀觀察到壓下傳動單元電機聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動，IBA曲線顯示有反向電流產(chǎn)生。表明，螺絲因沖擊發(fā)生了被動位移，“彈跳”使輥縫無法達(dá)到工藝設(shè)定值，使軋件尺寸不合格。

2.2 通過螺旋副建模分析

壓下裝置可以通過螺旋副建模分析。螺旋副中螺母和絲桿的相對運動相當(dāng)于滑塊沿斜面運動，因此，對于螺旋副中的摩擦分析，可以簡化為滑塊沿斜平面運動分析，如圖2所示，螺旋副為矩形螺旋副。

圖2 矩形螺旋副示意圖

擰緊螺母時(正行程)時，相當(dāng)于滑塊(螺母)沿斜面(螺絲)上移，如圖3所示。

圖3 滑塊上移趨勢受力分析

水平驅(qū)動力

F=Fwtan(λ+φ)

(1)

(2)

螺母松退時(反行程)時，相當(dāng)于滑塊在力Fw的驅(qū)動下沿斜面下滑，如圖4所示。

圖4 滑塊下移趨勢受力分析

阻抗力

F′=Fwtan(λ-φ)

(3)

(4)

對于非矩形螺紋，由于牙形斜角β的存在：

摩擦力

F12=fFN12=fFW/cosβ

(5)

(6)

所以,非矩形螺旋副，正行程時驅(qū)動力矩為

(7)

反行程的自鎖條件為λ≤φv。

將表1中1150軋機壓下裝置主要參數(shù)值帶入反行程公式，驗證自鎖條件。

表1 壓下螺旋副主要參數(shù)

當(dāng)量摩擦角計算：將參數(shù)帶入公式(6)得出φv= 4.621°

顯然，導(dǎo)程角λ<當(dāng)量摩擦角φv，螺紋具備自鎖條件。也就是說以螺母為參照物，螺絲不會向下運動；

以螺母固定在軋機機架上不動，將其作為參照物，上軋輥受向上的沖擊力Fw，通過平衡梁、防卡缸傳遞給壓下螺絲，螺絲相對螺母上行，旋入螺母。所以軋輥咬鋼時的運動狀態(tài)實際上是螺旋副的正行程運動狀態(tài)；這種壓下螺絲瞬間向上旋入螺母的現(xiàn)象，是由于軋輥咬入鋼坯瞬間，受沖擊力產(chǎn)生的，其直接導(dǎo)致輥縫瞬間變大，對正常軋制有害，我們一般稱之為“彈跳”。

根據(jù)正行程驅(qū)驅(qū)動力矩公式(2)，沖擊力Fw越大，驅(qū)動力矩越大，彈跳會越嚴(yán)重。

2.3 通過運行數(shù)據(jù)分析彈跳原因

1150開坯機，設(shè)備運行狀態(tài)由IBA在線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)記錄，如圖5所示。

圖5 1150軋機壓下裝置 IBA在線數(shù)據(jù)

由圖5第一行曲線可以分析出開坯機工作7個道次時傳感器測量的壓下螺絲位移的實時記錄。每個道次Y軸的位移量，代表該道次的壓下量。矩形曲線為預(yù)設(shè)值，弧形曲線為實測值。經(jīng)過兩條曲線對比，可以發(fā)現(xiàn)，圖中X1、X2所指示的位置，顯示出兩支鋼坯軋制過程中，均在第二道次發(fā)生了“彈跳”故障。第二道次壓下位移預(yù)設(shè)值為Y=981 mm，第一支鋼坯二道次咬入瞬間壓下位移瞬時值Y1=987.63 mm，彈跳量6.63 mm;第二支鋼坯二道次咬入瞬間壓下位移瞬時值Y2=989.42 mm，彈跳量8.42 mm。兩只鋼坯彈跳值差ΔY=Y2-Y1=1.79 mm；

圖5第二行曲線顯示了防卡缸的壓力檢測值，防卡缸壓力檢測值是軋制力矩通過防卡缸、球面軸承最終傳遞給壓下螺絲副的具體體現(xiàn)。由圖中可以看出鋼坯由操作側(cè)開始軋制，7個道次逐步向傳動側(cè)移動，操作側(cè)防卡缸壓力逐漸降低，傳動側(cè)防卡缸壓力檢測值逐漸提升。第二道次壓力檢測值最大，第一支鋼坯第二道次壓力值超過13 MPa，第二支鋼坯第二道次壓力值達(dá)接近14 MPa，且前后兩支鋼坯第二道次壓力值相差接近1 MPa；

第三行曲線顯示的是鋼坯溫度，前后兩只鋼相隔2 min，溫度相差20℃；

第四行曲線顯示的是上軋輥平衡缸壓力檢測值，1-7道次，隨壓下螺絲下行、逐漸，輥縫值逐漸減小，平衡缸內(nèi)活塞壓縮液壓油做功，蓄能器壓力逐步增大，在1-2道次，壓力最低11 MPa，到6-7道次時，最高達(dá)到12 MPa以上。

綜上分析：

(1)“彈跳”與壓下量正相關(guān)，壓下量越大，軋制力矩大，產(chǎn)生彈跳的可能性大；

(2)“彈跳”與溫度負(fù)相關(guān)，溫度越低，彈跳值越大；

(3)“彈跳”與上軋輥平衡缸的壓力檢測值及防卡缸壓力檢測值密切相關(guān)。操作側(cè)：在第二道次，平衡缸的壓力檢測值11.6 MPa，瞬間軋制力體現(xiàn)在防卡缸的壓力檢測值是13 MPa，平衡缸的壓力遠(yuǎn)小于防卡缸的壓力，“彈跳”明顯；而后續(xù)軋制道次平衡缸的壓力呈逐步增大趨勢、而防卡缸壓力呈逐步降低趨勢，當(dāng)平衡缸的壓力明顯大于防卡缸的壓力時，“彈跳”消失；傳動側(cè)：按1～7道次方向，平衡缸壓力呈逐步增大趨勢，同時防卡缸壓力也呈逐步增大趨勢，且平衡缸壓力始終大于防卡缸壓力，整個軋制過程中，傳動側(cè)未產(chǎn)生“彈跳”。

3 解決措施

(1)在軋制工藝的允許范圍內(nèi)，適當(dāng)減少第二道次的壓下量，從而減少軋制力矩，降低對壓下螺絲的瞬間沖擊力，可以適當(dāng)減少“彈跳”。但大壓下量、大軋制力矩軋制是該類型軋機開發(fā)重點品種提高企業(yè)效益的重點配置，所以不能將通過減少大壓下量，減少“彈跳”的途徑作為重點措施；

(2)提高軋制溫度，按照軋制工藝要求，進(jìn)入軋機的鋼坯的軋制溫度一般控制在1 150 ℃以上，但近年隨著成本競爭力的需求，在工藝許可的情況下，適當(dāng)降低開軋溫度是降成本的主要措施手段。由此，通過提高軋制溫度，減少“彈跳”的作用也很有限；

(4)通過在電機傳動軸端增加抱閘的方式進(jìn)行制動，防止“彈跳”。此措施短期內(nèi)可以作為一種應(yīng)急手段，不建議長期采用。因為初軋機的往復(fù)軋制頻率較高每只鋼坯7個道次，每次咬鋼的瞬間，都要求抱閘準(zhǔn)時抱緊傳動軸，對抱閘裝置本身的可靠性和控制精度的要求均比較高，投入后抱閘裝置的故障率會提高，同時會很難控，“彈跳”故障會反復(fù)產(chǎn)生。

(5)標(biāo)準(zhǔn)的螺旋副齒配合間隙一般為1 mm，隨著設(shè)備運行時間增加，銅螺母會產(chǎn)生磨損，尤其是一旦產(chǎn)生斷油或進(jìn)水等問題，磨損會加劇。一般磨損量達(dá)到預(yù)設(shè)值的1.5倍，就要考慮更換螺母，超出磨損標(biāo)準(zhǔn)后產(chǎn)生的“彈跳”，要引起足夠的重視，防止產(chǎn)生重大設(shè)備事故；

4 結(jié)論

影響“彈跳”故障的因素不是單一的，可采取的措施也不唯一，要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，辨析出主要因素并對癥實施。對于因溫度問題導(dǎo)致的，要對癥解決；壓下量超綱的，要校正軋制工藝；對于長期使用、磨損超差的設(shè)備要做好維護(hù)和備件更換。通過調(diào)整上軋輥平衡缸壓力也就是調(diào)整壓下螺絲預(yù)緊力的方法來解決壓下螺絲“彈跳”是最科學(xué)、最有效的措施，該棒材廠通過該措施的實施收到了極好的效果，設(shè)備運行保持了穩(wěn)定。