鍍鋅平整機高壓智能噴淋裝置的設計

蔣國華

（常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213019）

引 言

在熱鍍鋅機組中，需要對鍍鋅之后的帶鋼進行平整，來改善板型、消除材料的屈服平臺，同時可以根據(jù)客戶的要求，對軋輥進行毛化處理，生產(chǎn)不同粗糙度的帶鋼［1］。平整機根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，分為干平整和濕平整，干平整通常適用于熱軋平整機，平整軋制時不采用乳化液進行工藝冷卻和潤滑，也無需進行廢水處理，可降低生產(chǎn)成本，帶鋼表面沒有殘留的油污。濕平整通常適用于鍍鋅平整機，帶鋼在有平整液的條件下進行平整，平整液具有潤滑作用，可以減少軋制力，從而提高了軋輥的壽命［2-3］。帶鋼經(jīng)過鍍鋅之后，表面通常會附著一些鋅粉，通過平整機后鋅粉會以點狀或凸斑附著在毛化過的軋輥表面，會給后續(xù)的帶鋼造成周期性的壓痕，影響帶鋼表面質量，因此必須及時清除軋輥表面的污物［4］。早期的濕平整機采用刷輥對軋輥表面進行洗刷，能起到一定的效果，但是由于刷輥會磨損，同時對于軋輥表面一些頑固性斑痕很難清理，效果不佳。近幾年隨著客戶對帶鋼的表面要求越來越高，特別是高質量汽車板和家電板，因此亟需改善軋輥的清洗功能?；谝陨弦?，在平整機設計時采用了高壓噴淋裝置來清洗軋輥，通過智能控制，根據(jù)機組速度自動匹配清洗速度、高壓水壓力，同時設置了定點清洗功能，起到了很好的清洗效果［5］。本文主要介紹此新型高壓噴淋裝置的設計。

1 高壓噴淋裝置的結構及工作原理

1.1 本體結構

高壓噴淋裝置設置在平整機的出口側，分上高壓噴淋和下高壓噴淋，上高壓噴淋布置在帶鋼上方，對上工作輥和上支撐輥進行清洗；下高壓噴淋布置在帶鋼下方，對下工作輥和下支撐輥進行清洗。機械設備布置如圖1所示。

圖1 機械設備布置簡圖

平整機高壓噴淋裝置如圖2所示。固定框架1安裝在操作側和驅動側牌坊之間，橫移小車2通過導輪安裝在固定框架上，固定框架兩端通過鏈輪、鏈條形成一個封閉驅動環(huán)，驅動馬達6輸出軸端安裝有鏈輪，馬達驅動時帶動鏈條移動，從而帶動小車在固定框架上行走。伸縮小車3安裝在直線導軌上，在氣缸8的作用下可以伸縮。

圖2 平整機高壓噴淋裝置

固定框架以H型鋼為主體，在4個角的位置焊接并加工了導向面，H型鋼上方中部也焊接并加工了一個支撐面，移動小車在多個方向設置了導向輪，與H型鋼上方中部支撐面接觸的導向輪主要承受移動小車的自重，與H型鋼4個角落的導向面接觸的導向輪起導向作用，其中有一側的導向輪帶偏心軸，可以調節(jié)導輪與導向面之間的間隙，確保小車在移動過程中運動平穩(wěn)。在高壓水噴出時會產(chǎn)生一定的后沖力，如果間隙過大，會影響移動小車運動的穩(wěn)定性。

工作輥、支撐輥噴頭為加工有管路的集成塊，采用SUS316材質，每個集成塊上裝有多個噴嘴，根據(jù)清洗需求，工作輥的流量要大于支撐輥，選擇的噴嘴類型為噴霧型噴嘴，可以產(chǎn)生高打擊力，噴嘴噴出的純水呈扇形，噴射角度最大為15°，為了增大清洗面積，多個噴嘴交錯布置，如圖3所示。使噴射區(qū)有一定的重疊區(qū)域，以便清洗區(qū)的流量分布均勻，打擊力一致，清洗效果最佳［6-7］。流量選擇方面，工作輥噴嘴在工作壓力為20 bar時，流量為2 L/min；在工作壓力為200 bar時，流量為6.4 L/min；支撐輥噴嘴在工作壓力為20 bar時，流量為1 l/min，在工作壓力為200 bar時，流量為3.2 L/min［8］。

圖3 噴嘴分布圖（單位：mm）

1.2 工作原理

齒輪馬達正轉，橫移小車從驅動側向操作側移動，工作輥噴頭和支撐輥噴頭將沿著輥面移動，當橫移小車移動到操作側設定位置后，齒輪馬達停止并反向運轉，橫移小車從操作側向驅動側移動，工作輥噴頭和支撐輥噴頭也跟著反向運轉，當橫移小車移動到驅動側設定位置后，再返回，如此往復運轉。

齒輪馬達帶內置編碼器，可以智能控制橫移小車的移動區(qū)間。小車可以沿輥面全行程往復移動，也可以根據(jù)輥面污物的位置，智能控制清污區(qū)域、在特定區(qū)域進行往復移動［9］，齒輪馬達采用變頻電機，可以根據(jù)機組的運行速度，智能調速控制橫移小車的移動速度，從而實現(xiàn)快速、有效的清理輥面，保證帶鋼的表面質量。

在橫移小車往復運轉到極限位前，設置一定的減速區(qū)，開始減速，保證橫移小車不過位。橫移小車兩端設置了極限接近開關10，當橫移小車移動到該位置接近開關發(fā)出信號時，小車停止方向運轉。另外在接近開關外側，還設置了機械安全限位擋塊11，確保在接近開關出現(xiàn)故障時，橫移小車也能依靠機械限位停止移動，避免損壞橫移小車上的高壓噴頭。

平整機需要換輥時，氣缸8收縮，帶動伸縮小車后退，此時工作輥和支撐輥抽出時不與高壓噴頭干涉。換輥完成后，氣缸伸出，伸縮小車帶著高壓噴頭伸出靠近輥面，保證高壓水對輥面的打擊力，提高清理效果。

本高壓噴淋系統(tǒng)，采用的變頻泵實現(xiàn)噴淋壓力可調，系統(tǒng)最高壓力為21 MPa，噴淋介質為純水。根據(jù)輥面的工況和生產(chǎn)的鋼種，智能選控不同的噴淋壓力；另外，由于輥系修磨后，輥徑變小了，噴頭與輥面的間距在變大，為了提高清洗效果，噴淋壓力也會設置高一些。圖4為平整機高壓噴淋系統(tǒng)圖，圖5為平整機高壓噴淋系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)設置了2臺變頻泵，1開1備，每臺泵采用變頻電機45 kW×750 r/min，泵的最高輸出壓力21 MPa，流量范圍為52～70 L/min。工作時調整變頻電機的頻率，可以控制電機轉速，從而調節(jié)泵出口的壓力［6，10］。

圖4 平整機高壓噴淋系統(tǒng)圖

高壓系統(tǒng)采用的電動往復泵為三柱塞臥式容積泵，該泵主要由傳動箱部件、泵體部件、填料箱部件、底座部件、緩沖器和安全閥等組成。變頻電機通過V型皮帶驅動傳動箱內部的曲軸回轉，曲軸上帶3個曲拐，呈120°均勻分布，曲軸通過連桿帶動十字頭和柱塞作往復運動，當柱塞向后死點移動時，泵容積腔逐漸增大形成吸入真空，在大氣壓的作用下，將吸入閥打開，排出閥關閉，純水被吸入；當柱塞向前死點移動時，泵容積腔逐漸減小，壓力增大，將吸入閥關閉排出閥打開，純水被擠出泵體外，使泵體達到吸排的目的，對高壓系統(tǒng)不斷地輸送高壓水。高壓泵回路中設置了安全閥，壓力設置為21.6 MPa，作為安全閥，必須經(jīng)過權威質檢部門進行標定后才能使用［11］。

工作輥和支撐輥噴淋水的通斷通過活塞閥來控制。上、下工作輥共同采用一路活塞閥來控制開閉；上、下支撐輥共同采用另一路活塞閥來控制開閉；另外還設置了一個旁通閥，當平整機噴淋不工作時，控制工作輥、支撐輥噴淋的活塞閥關閉，旁通閥打開，這樣可以避免泵頻繁啟動，延長泵的使用壽命［12-13］。系統(tǒng)中采用氣動系統(tǒng)來控制活塞閥的開閉，氣動系統(tǒng)包含了氣動電磁閥、節(jié)流閥、消音器等元氣件，活塞閥打開和閉合位置分別設置有接近開關，可以實時檢測到噴淋管路的開閉狀態(tài)。純水槽體采用不銹鋼材質，設置了液位計，根據(jù)液位狀態(tài)能自動進行補水，當液位低于設定液面時，補水回路中的閥會自動打開補充純水，當補充的液面達到設定的高液位時，關閉補水回路中的閥，整個過程實現(xiàn)自動控制［14］。清洗過輥面的廢水，通過平整機的地坑集中回收、集中處理。

平整機高壓噴淋系統(tǒng)控制圖如圖5所示［15］。

圖5 平整機高壓噴淋系統(tǒng)控制圖

2 齒輪馬達的選型

根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗，橫移小車的移動速度在25～40 mm/s，根據(jù)機組運行速度和生產(chǎn)的鋼種不同，可以設置不同的運行速度。因此初步選定齒輪馬達的額定輸出轉速n=7 r/min，電機功率P=0.55 kW，齒輪箱速比i=1/195，鏈輪采用RS60×19齒，分度圓直徑D=115.75 mm，小車移動部分的總重量W=350 kg。

我們參觀了蔣介石座東朝西、面朝大陸的紀念堂——慈湖靈堂，銅棺至今沒有入土為安，可見期盼落葉歸根、兩岸統(tǒng)一之情；我不禁聯(lián)想起曾經(jīng)參觀浙江溪口蔣母陵墓時的情景，對臺灣回歸祖國充滿期待。三月底從臺灣歸返，我有感寫下一篇《從溪口到慈湖》的文章，發(fā)表在河北的《散文風》上。4月3日，我敲鍵盤、點鼠標，發(fā)往臺灣《旺報》編輯部。我心想，試探而已！怎料到，4月8日，就發(fā)表在其“大陸人看臺灣”專版。當我從網(wǎng)絡上看到報樣，為能在寶島報章之一角留下自己幾滴墨跡而欣慰。

2.1 齒輪馬達的校核

選定齒輪馬達的額定輸出轉速n=7 r/min，鏈輪分度圓直徑D=115.75 mm，則橫移小車的移動速度為：

滿足最高速度要求。

選定移動小車總重量W=350 kg，車輪滾動摩擦系數(shù)μ，查手冊μ取0.1，則小車移動所需拉力為：

考慮小車啟動時慣性等因素，給定安全系數(shù)f=2，則F1max=686 N。

選定電機功率P=0.55 kW，轉速n=7 r/min，則電機輸出扭矩為：

鏈條的拉力為：

齒輪電機的選型滿足要求。

2.2 鏈條的校核

高壓噴淋裝置長期處于水環(huán)境中，所以設備要能耐腐蝕，鏈輪和鏈條是驅動的關鍵配套件，鏈輪采用45#鋼材質，表面鍍鋅處理。鏈條不能采用潤滑油脂進行潤滑，若鏈條表面涂抹了潤滑油，在高壓水霧環(huán)境中，油脂會殘留到帶鋼表面，對于高檔鍍鋅板，是允許的，所以鏈條選用了不銹鋼SUS316材質，類型為雙排鏈，保證鏈條的強度。鏈條的公稱拉應力Fn=69.6 kN。

根據(jù)前面的計算，鏈條工作的最大拉力F2=12.959 kN；

鏈條的靜強度安全系數(shù)np=Fn/F2=69.6/12.959=5.4，鏈條的需用安全系數(shù)通常取np=4～8［5］，所以鏈條的選型滿足要求。

2.3 鍵的強度校核

根據(jù)齒輪馬達輸出軸的直徑d=50 mm及長度h=100 mm，根據(jù)GB/T1096—2003，確定選擇的鍵為B14（b）×10（h）×80（l）。

根據(jù)移動小車所需力F1max，則計算出作用在鍵上的最大轉矩Tmax為：

鍵的許用擠壓應力［σp］=110 MPa。由于σp＜［σp］，所以鍵的擠壓強度滿足要求。

鍵承受的剪切應力τ為：

鍵選用45#，其許用應力［τ］=60 MPa。由于τ＜［τ］，所以鍵的剪切強度滿足要求。

3 高壓噴嘴的選型

3.1 噴嘴的噴射形狀

噴嘴的噴射形狀是根據(jù)不同的工作條件選擇不同的形狀，主要包括空心錐形噴淋、實心錐形噴淋、扇形錐形噴淋及直線噴淋等。

3.2 噴淋理論覆蓋范圍

噴淋理論覆蓋范圍是根據(jù)噴淋角度和噴淋距離計算出來的，如圖6所示［17］，但實際的中噴淋角度與覆蓋范圍與理論值有一定的偏差，受多種因素的制約，主要包括液體和管道摩擦損失等，因此在噴嘴的選型過程中需要充分考慮。

圖6 噴淋角度與覆蓋范圍示意圖

3.3 影響噴嘴的性能因素的常見問題

影響噴嘴的性能常見問題主要有：（1）磨蝕和磨損；（2）腐蝕；（3）阻塞；（4）黏結；（5）溫度損害；（6）不正確的反復安裝；（7）意外損傷等破壞了噴嘴的材料、形狀、滲漏及均勻度進而影響流量、壓力，影響噴霧的形狀，損害噴淋的效果。

3.4 噴嘴的維護

噴嘴在高壓噴淋系統(tǒng)中為關鍵重要易損件，需要定期進行檢查、清潔甚至更換?？稍诿看瓮Ｖ惯\轉期間進行預防性維修，通過肉眼檢查是否有損失，做到早預防、早對策，以保證最終產(chǎn)品質量和保持生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟效益。

4 結束語

采用高壓噴淋裝置，可以有效清理輥面的污垢，保證帶鋼產(chǎn)品的質量。該裝置橫移小車行走采用滾輪標準件，鏈條驅動，結構簡單，穩(wěn)定可靠。若發(fā)現(xiàn)滾輪卡阻，可以快速更換，鏈條松動，可以快速張緊，使用維護方便，將得到廣泛的運用。