孫宗浩

(中色科技股份有限公司，河南洛陽471039)

四輥銅帶可逆冷軋機用來生產(chǎn)高精度銅板帶，對工作輥輥面質(zhì)量要求較高，因此在生產(chǎn)過程中需要頻繁更換工作輥，以保證軋制帶材的表面質(zhì)量。為了提高換輥效率縮短換輥時間，大多設(shè)計了快速換輥裝置。而軋機在長時間高速軋制的情況下，軋輥軸承座受熱膨脹，熱膨脹過大會造成軋輥軸承座卡死在機架牌坊窗口中。這就要求工作輥軸承座、支承輥軸承座與機架牌坊窗口之間存在適當(dāng)?shù)目p隙，以利于快速更換工作輥。但是這個縫隙又會造成軋輥在冷軋機牌坊窗口中存在一個輥子間位置變化的水平空間，在軋機軋制帶材時，軋輥在該水平空間中若無固定的水平力約束，將在其水平方向上處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時，軋機軋制過程中，在前、后張力以及萬向接軸附加動載荷的作用下，也會出現(xiàn)輥系失穩(wěn)。這種失穩(wěn)狀態(tài)勢必使軋輥軸承遭受頻繁沖擊，降低了軋輥軸承的使用壽命，加劇軋輥的磨損程度，進(jìn)一步將降低軋機的軋制精度，造成板帶材厚差不均，板形不良，嚴(yán)重時甚至造成帶材斷裂，軸承燒毀，損傷軋機。因此設(shè)計時對軋機軋輥軋制穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采取解決軋制不穩(wěn)定的措施，保證軋機軋制時軋輥的穩(wěn)定性是非常重要的。

1 影響軋輥穩(wěn)定性的兩個因素

為更換工作輥和支承輥軸承座方便，一般在四輥軋機機架窗口與軸承座之間留有一定的縫隙，該縫隙的存在，為輥系輥子之間的位置變化提供了空間;而輥子之間的位置變化，會造成軋制過程的失穩(wěn)，使軋機出口帶材厚度差在較大的范圍內(nèi)波動。輥子之間位置變化造成軋制過程不穩(wěn)定的情況，通過以下兩個方面進(jìn)行分析。

1.1 張力

目前，國內(nèi)設(shè)計的四輥銅帶可逆冷軋機多采用工作輥驅(qū)動帶張力軋制，張力軋制可減小作用在軋輥上的軋制壓力，提高軋制扭矩，改善軋制條件，還可起到矯直展平帶材、提高帶材表面質(zhì)量的作用。以我公司現(xiàn)有的四輥銅帶可逆冷軋機為例，工作輥中心線一般相對于支承輥中心線有一定的偏心距，以確保工作輥在軋制時受到一個方向不變且大小恒定的力，這在一般冷軋機設(shè)計中也經(jīng)常使用。偏心距的大小需經(jīng)嚴(yán)密精確計算，且偏向出口一側(cè)。因此在可逆軋機中會出現(xiàn)正向軋制和逆向軋制兩種情況。以軋機操作側(cè)看軋制方向從左到右為正向軋制，從右到左為逆向軋制為例。

圖1為正向軋制時的情況，F(xiàn)1為前張力，F(xiàn)0為后張力，工作輥對支承輥偏移量為 e(偏向右側(cè)(出口側(cè)))，F(xiàn)為工作輥軸承座所受的水平反力，在軋制過程中只有F＞0且作用方向不變時，才可以保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制。

工作輥力的平衡條件如(1)式:

如要保證F＞0，則應(yīng)是φ+θ+γ＞0。

圖1 正向軋制Fig.1 Rolling in forward direction

正向軋制時，θ＞0，γ＞0，只要F1＞F0，則φ＞0，此時F＞0，可保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制，因此正向軋制時，前張力大于后張力有利于工作輥的穩(wěn)定性。但在實際生產(chǎn)中，板帶生產(chǎn)的工藝中經(jīng)常出現(xiàn)F0＞F1的情況，即φ＜0，這時只要保證θ+γ＞，也可保證工作輥輥系穩(wěn)定軋制。

圖2為逆向軋制的情況，此時工作輥偏向入口。

圖2 逆向軋制Fig.2 Rolling in backward direction

工作輥力的平衡條件如(2)式:

要保證F＞0，則應(yīng)是 －φ+θ－γ＞0。

逆向軋制時，若F0＞F1，則 －φ＞0，因此后張力大于前張力有利于工作輥的穩(wěn)定性。當(dāng)F1＞F0時，帶材張力對工作輥的水平分力方向向左，在一定程度上會減小使輥系穩(wěn)定的力F，即削弱輥系的穩(wěn)定性。

參照我公司設(shè)計的某四輥銅帶可逆冷軋機的生產(chǎn)工藝，軋機工作輥直徑210mm，支承輥直徑600mm，軋輥偏心距3mm。通過3個道次的軋制，某牌號帶材由2.5mm 軋至1.0mm，1、3道次為正向軋制，2道次為逆向軋制。調(diào)試階段，在第2道次軋制帶材由1.6mm軋至1.25mm時，軋制力為2020kN，經(jīng)常出現(xiàn)厚差波動及板形缺陷等現(xiàn)象?，F(xiàn)場通過對第2道次前后張力的調(diào)整發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前張力逐漸減小后張力不變時，厚差及板形會有逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢。通過逆向軋制時工作輥的平衡條件公式，計算前張力不同而后張力相同時的F，計算結(jié)果見表1。

表1 水平力F計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of horizontal force F

由表1可以看出，逆向軋制時，當(dāng)F1＞F0時，F(xiàn)1與F0差值越大，F(xiàn)值越小，工作輥越趨向于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)F1與F0差值大于8kN時，F(xiàn)值小于0，工作輥處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 萬向接軸

以我公司設(shè)計的工作輥驅(qū)動四輥可逆銅帶冷軋機為例，電機力矩由電機通過減速箱再由萬向接軸傳遞到工作輥上形成軋制力矩。當(dāng)軋機工作時減速箱輸出軸以一定的角速度輸出力矩時，由于萬向接軸傾角α的存在(圖3)，中間軸身與兩端軸頭角速度變化不一致，會在中間軸身與兩端軸頭接頭處產(chǎn)生一個附加力矩TA，該力矩呈周期性變化，并產(chǎn)生了作用于工作輥的周期性變化的附加水平力F2，該力引起工作輥在機架內(nèi)擺動，從而影響了輥系的穩(wěn)定性(圖4)。因此在軋機設(shè)計中也要考慮擾動力矩對工作輥穩(wěn)定性的影響。

圖3 萬向接軸傾角Fig.3 Inclination angle of universal joint shaft

圖4 萬向接軸受力Fig.4 Force analysis of universal joint shaft

以我公司設(shè)計的某四輥銅帶可逆冷軋機為例，工作輥直徑210mm、支承輥直徑600mm時，萬向接軸傾角α為2.437°，當(dāng)軋制速度為160m/min時，主電機電流為690A，電壓為660V。

萬向接軸中間軸與兩端軸頭的角速度變化關(guān)系為:

在不考慮摩擦損耗情況下，根據(jù)瞬時做功相等的原則:

P=T2×ω2=T1×ω1=T0×ω0

當(dāng)ω2以恒定角速度轉(zhuǎn)動時，ω1轉(zhuǎn)速的值類似正弦曲線(圖5)變化。由圖4可知，當(dāng) ω1值最小時，TA=T0tanα 。由此，計算出 ω1、TA、F2，見圖 5、圖6、圖7。

圖5 中間軸的角速度ω1Fig.5 Angular velocity of the intermediate shaft

圖6 附加力矩TAFig.6 Extra torque TA

圖7 水平擾動力F2Fig.7 Horizontal disturbing force F2

逆向軋制時，萬向接軸的附加力矩TA對工作輥產(chǎn)生一個擾動力矩M，如圖8所示，并由此產(chǎn)生一個附加水平力F2，F(xiàn)2方向與F相反，有削弱工作輥穩(wěn)定性的作用，對表1結(jié)果添加擾動力F2最大值，考慮F2后輥系所受水平合力F的計算結(jié)果見表2。

表2 考慮F2時水平力F計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of F taking F2into account

圖8 逆向軋制時萬向接軸對工作輥的擾動Fig.8 Schematic illustration of disturbance by universal joint shaft to work rolls in backward direction

接軸計算不考慮摩擦等因素，軋機逆向軋制時，當(dāng)前后張力差超過一定數(shù)值時，F(xiàn)＜0，則工作輥輥系處于不穩(wěn)定軋制狀態(tài)，帶材厚差及板形控制情況較差。因此在生產(chǎn)工藝的設(shè)計中，前張力F1取20kN，后張力F0取22kN，這樣既保證了足夠的水平力F，實際生產(chǎn)中也能保證工作輥輥系的穩(wěn)定，可以得到質(zhì)量可靠的厚差及板形。

2 解決軋輥穩(wěn)定性的措施

在實際板帶材生產(chǎn)中，雖然會極力避免F＜0的情況出現(xiàn)，但是因為工藝生產(chǎn)條件的限制，有時會出現(xiàn)F＜0的情況，而此時在軋制過程中給工作輥軸承座一個方向與F一致且足夠大的側(cè)頂力，將工作輥軸承座緊靠在一側(cè)牌坊上，就可以可消除水平可交叉空間，以保證軋制時工作輥的位置穩(wěn)定。

依據(jù)四輥銅帶可逆冷軋機的設(shè)計特點，在牌坊窗口中設(shè)置側(cè)頂液壓缸(圖9)，通過液壓缸來把工作輥軸承座壓靠在一側(cè)牌坊上，可消除軋機軋制過程中軋輥軸承座與牌坊窗口之間的縫隙，并始終保證F＞0，已達(dá)到穩(wěn)定軋制。

3 結(jié)論

在實際的四輥銅帶可逆冷軋機的設(shè)計過程中，通過理論計算與事件經(jīng)驗相結(jié)合選取最佳偏心距，并且增設(shè)工作輥側(cè)頂液壓缸，提供一個方向恒定且足夠大的側(cè)頂力。側(cè)頂力的大小與生產(chǎn)產(chǎn)品的軋制工藝性相關(guān)，尤其與帶材前后張力聯(lián)系密切，通常認(rèn)為側(cè)向力應(yīng)大于前后張力。通過這種增加側(cè)頂力的手段，可提高工作輥的穩(wěn)定性，保證銅帶產(chǎn)品的厚差及板形質(zhì)量，降低軋輥及軋輥軸承的故障損耗。

圖9 側(cè)頂液壓缸Fig.9 Lateral hydraulic cylinder

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