棒材軋機(jī)機(jī)組高速倍尺飛剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 鑫，楊雄英，張永曉，趙 輝

（北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100043）

1 前 言

2001 年酒鋼本部建成全國(guó)第一條高速棒材生產(chǎn)線，在此后多年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)棒線材生產(chǎn)線以降低噸鋼成本為出發(fā)點(diǎn)，大力發(fā)展切分軋制的工藝來(lái)提高生產(chǎn)線的產(chǎn)量，進(jìn)而獲得更高的利潤(rùn)[1］。隨著GB/T 1499.2—2018《熱軋帶肋鋼筋》的實(shí)行，采用傳統(tǒng)切分軋制工藝的產(chǎn)品難以滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。而高速上鋼系統(tǒng)具有產(chǎn)品負(fù)差小、通條平直、性能均勻的特點(diǎn)而備受關(guān)注。高速上鋼系統(tǒng)中難度最高的部分為高速倍尺飛剪與轉(zhuǎn)轍器的動(dòng)作配合，在高速上鋼系統(tǒng)中最容易引起堆鋼事故，控制極為煩瑣，國(guó)內(nèi)能保證穩(wěn)定45 m/s生產(chǎn)速度的廠商屈指可數(shù)[2］。因此，研究倍尺飛剪與轉(zhuǎn)轍器之間的動(dòng)作配合，對(duì)倍尺飛剪與轉(zhuǎn)轍器進(jìn)行深入設(shè)計(jì)就尤為必要。本文概述了高速上鋼系統(tǒng)的控制動(dòng)作，并對(duì)倍尺飛剪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)飛剪的設(shè)計(jì)理論各不相同，本研究詳細(xì)提供了連續(xù)式回轉(zhuǎn)剪的設(shè)計(jì)思路。

2 高速上鋼系統(tǒng)工作原理

高速棒材生產(chǎn)線與傳統(tǒng)棒材生產(chǎn)線工藝布置基本相同，只是在傳統(tǒng)棒材軋機(jī)機(jī)組后增加1套高速上鋼系統(tǒng)（運(yùn)輸導(dǎo)槽、夾送輥、高速倍尺飛剪、轉(zhuǎn)轂系統(tǒng)等設(shè)備）。高速上鋼系統(tǒng)分為單高棒和雙高棒兩種形式，在本次EPC 改造項(xiàng)目中，成套引入國(guó)外單高棒高速上鋼系統(tǒng)。本套設(shè)備分岔導(dǎo)槽從精軋二接出，與原線材前進(jìn)路徑脫離。棒材經(jīng)4#夾送輥、5#夾送輥夾持，保持速度送至轉(zhuǎn)轍器，轉(zhuǎn)轍器布置在倍尺飛剪前，導(dǎo)槽在倍尺飛剪后分成雙通道，轉(zhuǎn)轍器電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)管左右擺動(dòng)，倍尺飛剪為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[3］。設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)轍器與倍尺飛剪工作原理

軋件未到達(dá)倍尺長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)管位于左極限位置或者右極限位置，以便順利進(jìn)入雙路導(dǎo)槽中一路；在棒材達(dá)到90.3 m倍尺長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)管在擺動(dòng)過(guò)程中位于中位，棒材位于剪刃中心，將其剪切分段，完成一次倍尺剪切。剪斷后，前鋼繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)6#夾送輥夾持前進(jìn)至夾尾制動(dòng)器進(jìn)行減速，再進(jìn)入轉(zhuǎn)轂滑槽內(nèi)，轉(zhuǎn)轂旋轉(zhuǎn)90°完成拋鋼動(dòng)作，棒材落到溜板上，再落到冷床矯直板上[4］。如圖2所示。完成剪切后，后續(xù)棒材進(jìn)入另一路導(dǎo)槽，前進(jìn)至倍尺長(zhǎng)度后進(jìn)行下一次剪切，重復(fù)以上過(guò)程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的目的。

圖2 轉(zhuǎn)轂上鋼系統(tǒng)

每根鋼經(jīng)過(guò)精軋二出口熱檢開(kāi)始計(jì)算倍尺長(zhǎng)度，完成第一次倍尺計(jì)算，控制飛剪進(jìn)行分段剪切，此時(shí)剪體上接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)。同一根鋼的后續(xù)分段剪切通過(guò)接近開(kāi)關(guān)與電機(jī)編碼器配合控制，接近開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)設(shè)置在上剪軸，與剪刃呈180°布置，每剪切一次自動(dòng)清零，通過(guò)PLC自動(dòng)計(jì)算剪刃位置，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證棒材到倍尺長(zhǎng)度時(shí)即進(jìn)行剪切。本文將描述設(shè)計(jì)高速倍尺飛剪目標(biāo)及設(shè)計(jì)過(guò)程。

3 高速倍尺飛剪設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

高速棒材最適合生產(chǎn)棒材成品規(guī)格為Φ8～20，材質(zhì)為20MnSi。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)9.5 m×108 m冷床，成品棒材定尺長(zhǎng)度9 m，倍尺長(zhǎng)度為90.3 m。

根據(jù)工藝計(jì)算確定，精軋機(jī)出口速度處速度及剪切周期見(jiàn)表1。

表1 剪切工藝參數(shù)

高速倍尺飛剪處棒材的溫度約750 ℃，由此，針對(duì)該規(guī)格產(chǎn)品對(duì)倍尺飛剪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 結(jié)構(gòu)確定

由于在日常生產(chǎn)過(guò)程中，同一根鋼坯需要連續(xù)多次分段，剪切周期最快為2 s左右，剪刃線速度＞45 m/s。飛剪形式為連續(xù)回轉(zhuǎn)式，上下刀盤(pán)各有一把刀，無(wú)鋼時(shí)空轉(zhuǎn)，來(lái)鋼時(shí)與轉(zhuǎn)轍器配合進(jìn)行剪切[5］。結(jié)合同類飛剪，同時(shí)考慮不使用飛輪，為增加箱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故選用大直徑齒輪，設(shè)計(jì)剪臂長(zhǎng)度R=355 mm，中心距ɑ=710 mm，使用氣動(dòng)抱閘在堆鋼時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)，且在停機(jī)檢修時(shí)保證安全。機(jī)列圖見(jiàn)圖3。

圖3 倍尺飛剪機(jī)列圖

3.3 參數(shù)計(jì)算

3.3.1 剪切力計(jì)算

式中：Fmax為來(lái)料截面積，mm2；D為來(lái)料直徑，mm。

剪斷軋件需要的最大剪切力

式中：K1為考慮剪刃磨鈍、剪刃間隙增大而使剪切力提高的系數(shù)，其數(shù)值可按剪切機(jī)公稱能力選取，取1.3；σbt為被剪材料強(qiáng)度限，以750 ℃棒材20MnSi為設(shè)計(jì)依據(jù)，取120 N/mm2。

3.3.2 剪切力矩計(jì)算

剪斷軋件需要的最大剪切力矩為

式中：R為剪刃回轉(zhuǎn)半徑（剪臂長(zhǎng)度），此處為355 mm；Z為剪刃重疊量，為0.1 mm。

3.3.3 剪切功計(jì)算

需要的剪切功為：

式中：ɑ為單位剪切功，60 N/mm2。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 剪切參數(shù)

3.4 電機(jī)選擇

剪刃同步于軋件速度時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中：υ為軋件速度，mm；i為速比，本設(shè)計(jì)為1。

剪刃空轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中：u為超前系數(shù)，范圍1.03～1.1，此處按最惡劣情況，取最大1.1。電機(jī)同步速度與空轉(zhuǎn)速度見(jiàn)表3。

表3 電機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min

根據(jù)表3 需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，初選功率132 kW，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，過(guò)載系數(shù)K為2的4級(jí)變頻調(diào)速電機(jī)，箱內(nèi)配對(duì)齒輪速比為1。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩：

最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tmax=1 703.6 N·m。

3.5 剪體設(shè)計(jì)

剪體采用下剪軸傳動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)上下刀盤(pán)做相對(duì)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將軋件剪斷。

剪體主視圖及剖視圖見(jiàn)圖4（潤(rùn)滑管路圖中未示）。

圖4 倍尺飛剪裝配圖

3.5.1 齒輪設(shè)計(jì)

由于本飛剪速度較高，采用斜齒輪傳動(dòng)。材質(zhì)選用17Cr2Ni2Mo，調(diào)質(zhì)處理HB 241～286，齒面滲碳淬火HRC 56～62，滲碳深度0.4～0.6 mm，5 級(jí)精度，設(shè)計(jì)使用壽命200 000 h。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，初定齒輪參數(shù)：模數(shù)6；齒寬90；齒數(shù)116；中心距710；壓力角20°；螺旋角11°；總變位系數(shù)0.16；對(duì)齒輪接觸強(qiáng)度校核，計(jì)算得到SH1=SH2=6.43；對(duì)齒輪彎曲強(qiáng)度校核，計(jì)算得到SF=51.56。安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)定的可靠度，齒輪滿足使用要求。

3.5.2 軸設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸材質(zhì)選用42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，初選最小軸徑d=110 mm。按照彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算，軸徑滿足使用要求。斜齒輪與軸采用過(guò)盈配合，依靠過(guò)盈配合承受斜齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的力。計(jì)算得到，傳遞載荷所需最小過(guò)盈量0.004，考慮到高速倍尺飛剪使用溫度較高，必須保證較大的冗余，查公差配合表，最終選定軸與齒輪配合尺寸為

3.5.3 軸承選擇

固定端軸承采用配對(duì)單列圓錐滾子軸承用以承受斜齒輪帶來(lái)的軸向力，游動(dòng)端采用滿裝圓柱滾子軸承承受剪切時(shí)帶來(lái)的徑向沖擊，圓柱滾子軸承有2 mm 間隙，防止軸在使用過(guò)程中熱膨脹將軸承擠死，進(jìn)而損壞。

輸入軸。固定端軸承：32026X/DF（Φ130/Φ200×90）。游動(dòng)端軸承：NCF3028V（Φ140/Φ210×53）。

輸出軸。固定端軸承：32022X/DF（Φ110/Φ170×76）。游動(dòng)端軸承：NCF3028V（Φ140/Φ210×53）。

此處速比為1，輸入軸軸承承載力大于輸出軸，不考慮傳動(dòng)精度的影響，直接對(duì)輸出軸軸承進(jìn)行校核即可。由以上計(jì)算得知，剪切Φ20棒材時(shí)剪切力最大。因此以剪切Φ20 棒材進(jìn)行受力計(jì)算即可。徑向力由剪切力和齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的徑向力兩部分組成。根據(jù)受力分析，游動(dòng)端軸承收到的徑向力遠(yuǎn)大于固定端徑向力，軸向力可忽略不計(jì)。

對(duì)游動(dòng)端軸承壽命進(jìn)行計(jì)算為142 187 h。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，所選擇軸承均滿足使用條件。到此，剪體上基本設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)確定。

配對(duì)齒輪達(dá)到5級(jí)及以上精度，與軸裝配采用冷裝。軸承及齒輪均使用集中稀油潤(rùn)滑，箱體內(nèi)設(shè)潤(rùn)滑油管對(duì)齒輪齒面直噴，箱壁留有潤(rùn)滑孔直接注入軸承潤(rùn)滑孔，保證潤(rùn)滑充分且溫度正常。上刀盤(pán)使用液壓漲緊套固定在上刀軸上，便于裝配時(shí)對(duì)刀。上下刀盤(pán)均設(shè)計(jì)配重塊，設(shè)備出廠前進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，保證設(shè)備啟停響應(yīng)迅速，不允許出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。上刀軸兩處軸承位設(shè)置偏心套，與液壓漲緊套配合使用，保證剪刃間隙滿足設(shè)計(jì)及使用要求，進(jìn)而得到良好的剪切斷面。

3.6 電機(jī)校核

軸系具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在剪切時(shí)降速釋放能量，有利于剪切。在剪切后需要快速提速到空轉(zhuǎn)速度，這也對(duì)電機(jī)有著一定要求，因此有必要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，經(jīng)過(guò)計(jì)算約為37J。

設(shè)定剪切間隔的1/4～1/3從同步速度升速到空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，余下時(shí)間處于剪體調(diào)整同步轉(zhuǎn)速時(shí)間，由表3可知，Φ12棒材時(shí)，速度差最大，電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩最大，只需計(jì)算此規(guī)格棒材升速期間需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，此處取間隔時(shí)間Δt=0.5 s。

平均角加速度ε：

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T：

經(jīng)計(jì)算T=945.41 N·m＜Tmax，由此得到電機(jī)具備在0.5 s 時(shí)間內(nèi)將同步轉(zhuǎn)速提升到空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的能力。

此外還必須對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行計(jì)算校核，判斷力矩和功是否滿足條件。在飛剪剪切過(guò)程中會(huì)引起速降，剪體飛輪矩釋放能量，有必要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

剪切角為：

剪切過(guò)程持續(xù)的時(shí)間Δt由剪切過(guò)程中的經(jīng)過(guò)弧度除以平均速度得到：

根據(jù)將計(jì)算結(jié)果，代入到公式（9）及（10）中，得到表4數(shù)據(jù)。

表4 剪切力能

對(duì)剪切功進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔE1為慣性釋放的能量，J。

電機(jī)功：

現(xiàn)對(duì)進(jìn)行求和，見(jiàn)表5。

表5 電機(jī)校核

與表2比較，三種規(guī)格棒材總力矩均大于需要的剪切力矩，電機(jī)力矩滿足剪切要求；三種規(guī)格棒材總剪切功均大于需要的剪切功，滿足剪切要求。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選用電機(jī)功率132 kW，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，過(guò)載系數(shù)為2 的變頻調(diào)速電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 使用情況

鑒于本設(shè)備已經(jīng)在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)投入使用，實(shí)際使用情況可由數(shù)據(jù)采集軟件得出。此處根據(jù)實(shí)際使用數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本套設(shè)備的設(shè)計(jì)合理性。

本數(shù)據(jù)由項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用的倍尺飛剪采集數(shù)據(jù)得到，體現(xiàn)了實(shí)際生產(chǎn)情況。受限于建設(shè)單位精軋機(jī)軋制能力限制，為了達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的，并未使用Φ12規(guī)格最高速度45 m/s的設(shè)計(jì)速度。

由Φ12棒材生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以看出，剪刃線速度即軋件速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速波形完全一致，在完成剪切提速到空轉(zhuǎn)速度階段，電流增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，與前述計(jì)算完全相符。提速到同步速度后保持，等待下次剪切。剪體立體圖如圖5所示。

圖5 高速倍尺飛剪立體圖

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）轉(zhuǎn)轍器與高速倍尺飛剪的配合是高速上鋼系統(tǒng)控制最難的部分，對(duì)設(shè)備的要求較高。保證每次倍尺剪切時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)管恰好處在剪刃位置，且到達(dá)倍尺長(zhǎng)度時(shí)，剪刃恰好進(jìn)行剪切，這就對(duì)自動(dòng)化控制提出了極為嚴(yán)苛的要求[6］。

（2）在剪體已經(jīng)確定的情況下，意味著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定。在剪切Φ12及以下棒材時(shí)，剪切過(guò)程中電機(jī)做功很小，幾乎可忽略不計(jì)。但是由于軋件速度高，剪切完成后提速時(shí)間短，克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同步轉(zhuǎn)速加速到空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速所需要的力矩決定了電機(jī)功率。

（3）在剪切大規(guī)格棒材時(shí)，由于剪切速度降低，提速時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，同步轉(zhuǎn)速加速到空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速所需要的力矩小。但是由于截面增加，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量釋放的力矩不足以剪斷軋件，電機(jī)必須提供更大的剪切力矩，此時(shí)電機(jī)功率取決于剪斷軋件所需要的力矩。

（4）在軋制大規(guī)格棒材時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速較低，剪體本身和電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小，使得剪切力矩降低。但是，從電機(jī)的特性和控制方式考慮，可以將空轉(zhuǎn)速度提高，采用較高速降的方式得到較大的慣性力矩，有利于充分挖掘電機(jī)的潛力。但是，對(duì)電機(jī)的傳動(dòng)控制也提出了更高的要求。

（5）飛剪電機(jī)的選擇是個(gè)極為繁復(fù)的過(guò)程，需要綜合考慮軋件規(guī)格、軋制工藝、剪體設(shè)計(jì)等因素。只有平衡好影響電機(jī)功率的各種相關(guān)因素，才能達(dá)到最高的經(jīng)濟(jì)適用型[7-10］。