陳 潔

（中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢430223）

20輥森吉米爾軋機(jī)是高精度軋制核心設(shè)備之一，具有道次壓下率大、軋制力小、運(yùn)行成本低、輥系變形小等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。森吉米爾軋機(jī)具有多種調(diào)整機(jī)構(gòu)。在軋制過程中，通過手動(dòng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)，獲得高精度的、板形優(yōu)良的成品帶材［1］。本文以某森吉米爾軋機(jī)輥系為研究對(duì)象，對(duì)輥系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并計(jì)算出軋機(jī)調(diào)整關(guān)系曲線，為板帶軋制工藝優(yōu)化、板型調(diào)整提供參考。

1 輥系結(jié)構(gòu)分析

20輥森吉米爾軋機(jī)的輥系呈塔形布置（圖1）于機(jī)架梅花膛孔內(nèi)，上下對(duì)稱。工作輥S、T分別支撐在兩個(gè)第一中間輥O、P、Q、R上；第一中間輥又分別支撐在第二中間輥I、J、K、N、M、L上；第二中間輥則靠8個(gè)支撐輥A、B、C、D、E、F、G、H 來支撐。每個(gè)支撐輥由數(shù)個(gè)背襯軸承和鞍座安裝在同一根軸上。其中A、D、E、H為軋機(jī)的側(cè)偏心補(bǔ)償輥，用于軋輥磨損后的輥徑補(bǔ)償；B、C為軋機(jī)壓下及AS－U－ROLL調(diào)整輥，用于壓下調(diào)整及凸度調(diào)節(jié)；F、G則為軋制線標(biāo)高調(diào)整輥，保證帶鋼始終處于軋制線上。8根支撐輥的軸心與機(jī)架梅花孔心均存在一定的偏心量，通過旋轉(zhuǎn)支撐輥的偏心，使支撐輥芯軸產(chǎn)生一定的位移，從而實(shí)現(xiàn)軋輥相對(duì)位置的調(diào)整。這種控制調(diào)整具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，保證帶鋼的軋制精度要求。

圖1 20輥森吉米爾軋機(jī)輥系圖

工作輥之間、第一中間輥彼此之間、第二中間輥彼此之間以及支撐輥彼此之間不能接觸。第二中間輥I、K、N、L為傳動(dòng)輥，其余各輥靠輥間摩擦力轉(zhuǎn)動(dòng)。輥系參數(shù)如表1所示。

表1 20輥森吉米爾軋機(jī)輥系參數(shù) mm

2 輥系運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

將輥系簡(jiǎn)化成桿系，連桿兩端點(diǎn)分別為軋輥的輥心，連桿長(zhǎng)度即為兩軋輥半徑之和［2］。由于該軋機(jī)輥系為平面對(duì)稱分布，可取其1／4進(jìn)行分析；根據(jù)約束條件，將二中間輥J和工作輥S圓心處簡(jiǎn)化為滑塊機(jī)構(gòu)。根據(jù)輥系簡(jiǎn)化圖（圖2），可得輥系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析向量圖（圖3a）和標(biāo)量圖（圖3b），圖3b中r1～r13為圖3a中各向量的長(zhǎng)度，θ1～θ13為這些向量的角度。

圖2 20輥軋機(jī)輥系簡(jiǎn)化圖

圖3 輥系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以C輥鞍座環(huán)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，由圖3b可得閉環(huán)矢量方程［3］

將式（1）轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式

因?yàn)橹屋丆輥和D輥鞍座環(huán)的圓心坐標(biāo)已知，且r13＝1.016，θ13＝0，因此r4和θ4可求出。又已知r1＝6.35，r3＝3.175，若給定θ1和θ3，即由式（2）求出r2和θ2。

同理，由圖3b可得閉環(huán)矢量方程

將式（3）轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式

根據(jù)輥系左右對(duì)稱的特性，J輥輥心必須在機(jī)架垂直中心線上。令L為支撐輥C輥鞍座環(huán)中心與機(jī)架垂直中心線的距離，因此r1cosθ1＋r5cosθ5＝L＋r13。已知L＝149.225和r5，則θ5可求出。因此r11和θ11可求出。即第二中間輥惰輥J輥的輥心坐標(biāo)可求。

由圖3b 可得閉環(huán)矢量方程

將式（5）轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式

已知r2、r6、r10及θ2，利用牛頓－辛普森法，可求出θ6和θ10。即第二中間輥傳動(dòng)輥K輥的輥心坐標(biāo)可求。

由圖3b可得閉環(huán)矢量方程

將式（7）轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式

已知r5、r7、r6、r8及θ5、θ6，利用牛頓－辛普森法，可求出θ7和θ8，即第一中間輥P輥的輥心坐標(biāo)可求。

最后，由圖3b可得閉環(huán)矢量方程

將式（9）轉(zhuǎn)化為標(biāo)量形式

已知r7、r9及θ7、θ12（θ12＝270°），利用牛頓－辛普森法，可求出r12和θ9。即上工作輥S輥的輥心坐標(biāo)已求出。

3 軋機(jī)調(diào)整關(guān)系曲線

3.1 壓下調(diào)整

森吉米爾軋機(jī)的壓下，是通過壓下齒條驅(qū)動(dòng)兩個(gè)上部支撐輥組B及C的內(nèi)偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即通過圖3a中向量R1的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上工作輥的壓下及抬起。將向量R1的角度θ1作為變量，可計(jì)算出壓下齒條移動(dòng)量與工作輥壓下量的關(guān)系曲線（圖4）。

以公稱輥徑為例，壓下齒條行程為140mm，則工作輥?zhàn)畲髩合铝繛?.087mm。

圖4 壓下齒條移動(dòng)量與工作輥壓下量關(guān)系

圖5 凸度調(diào)節(jié)齒條移動(dòng)量與工作輥凸度變化量關(guān)系

3.2 AS－U－ROLL調(diào)整

森吉米爾軋機(jī)的AS－U－ROLL調(diào)整，是通過凸度調(diào)節(jié)齒條驅(qū)動(dòng)兩個(gè)上部支撐輥組B及C的外偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即通過圖3a中向量R13的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上工作輥的凸度調(diào)整。將向量R13的角度θ13作為變量，可計(jì)算出凸度調(diào)節(jié)齒條移動(dòng)量與工作輥凸度變化量的關(guān)系（圖5）。以公稱輥徑為例，ASU－ROLL壓下齒條行程為79mm，則工作輥?zhàn)畲髲澼伭?，即最大凸度變化量，?.441mm。

3.3 壓上調(diào)整

森吉米爾軋機(jī)的壓上，是通過壓上齒條驅(qū)動(dòng)兩個(gè)下部支撐輥組F及G的偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即通過圖3a中向量R1的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)下工作輥的壓上和下降。將向量R1的角度θ1作為變量，去掉向量R13，可計(jì)算出壓上齒條移動(dòng)量與工作輥壓上量的關(guān)系（圖6）。以公稱輥徑為例，壓上齒條行程為140mm，則工作輥?zhàn)畲髩荷狭繛?.052mm。

圖6 壓上齒條移動(dòng)量與工作輥壓上量的關(guān)系曲線

圖7 輥徑補(bǔ)償調(diào)整角度與工作輥位移量的關(guān)系曲線

3.4 偏心調(diào)整

森吉米爾軋機(jī)的側(cè)偏心補(bǔ)償，是通過圓柱齒輪驅(qū)動(dòng)兩對(duì)支撐輥組A、H及D、E的偏心環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即通過圖3a中向量R3的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上工作輥的壓下及抬起。將向量R3的角度θ3作為變量，可計(jì)算出輥徑補(bǔ)償調(diào)整角度與工作輥位移量的關(guān)系（圖7）。

4 結(jié)論

本文利用閉環(huán)矢量方程建立了某20輥森吉米爾軋機(jī)輥系的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，運(yùn)用該模型對(duì)各輥輥心坐標(biāo)進(jìn)行求解，并對(duì)軋機(jī)各種調(diào)整結(jié)構(gòu)與工作輥壓下量的關(guān)系曲線進(jìn)行求解，為實(shí)際生產(chǎn)中工藝方案的制定提供理論依據(jù)。所采用的方法簡(jiǎn)單明了，對(duì)分析類似結(jié)構(gòu)的軋機(jī)具有借鑒意義。

［1］ 潘純久.二十輥軋機(jī)及高精度冷軋鋼帶生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［2］ 汪朝暉，嚴(yán)育才，張耀兵等.20輥森吉米爾軋機(jī)軋制過程中的輥系受力分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（02）：18－21.

［3］ John Gardner，機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真－使用 MATLAB和SIMULINK［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.