曹明輝，柴達(dá)明

（1.中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019；2.河北鑫達(dá)集團(tuán)500H型鋼廠，河北唐山 063000）

0 引言

開坯機(jī)的輥縫調(diào)節(jié)主要采用電動(dòng)壓下和液壓微調(diào)的兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于軋鋼廠的訂單來(lái)自不同客戶，更換品種必然導(dǎo)致壓下裝置頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，為適應(yīng)這種要求，要求壓下系統(tǒng)具有小慣性、較高的傳動(dòng)效率及兩側(cè)位置精度高的特征。電動(dòng)壓下裝置是開坯機(jī)上最常用的輥縫快速調(diào)整機(jī)構(gòu)，位于開坯機(jī)兩個(gè)機(jī)架牌坊的上部，主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速箱、壓下絲桿、壓下螺母、回松裝置等零部件組成。目前，國(guó)內(nèi)一些中型型鋼車間所用開坯機(jī)壓下裝置中的壓下絲桿和螺母裸露在充滿水蒸氣和粉塵顆粒環(huán)境中，加劇了壓下絲桿和壓下螺母的螺紋磨損，大大降低了壓下絲桿、螺母的壽命，亦發(fā)生螺紋副卡死現(xiàn)象。其原因一方面選型不合理，另一方面是潤(rùn)滑不足造成的。為了避免上述情況，車間需要操作工頻繁對(duì)壓下絲桿和壓下螺母進(jìn)行潤(rùn)滑以減小磨損，避免卡死，其效果不佳。嚴(yán)重影響軋鋼車間的生產(chǎn)效率，同時(shí)還要求生產(chǎn)車間準(zhǔn)備大量壓下螺備件更換，增加了車間的成本。本文從合理選型的角度出發(fā)，提出壓下絲桿和螺母理論設(shè)計(jì)參考依據(jù)。從避免卡死及環(huán)境污染的角度出發(fā)，提出把原人工開放式加油潤(rùn)滑改為閉式循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)，使得壓下絲桿、壓下螺母壽命大幅提升，且減小了環(huán)境污染。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)能降耗具有大面積推廣意義。

1 壓下絲桿螺紋外徑的確定

從強(qiáng)度觀點(diǎn)分析，壓下絲桿外徑與軋輥的輥頸承載能力都與各自直徑的平方成正比關(guān)系，二者均承受同樣大小的軋制力，因此，經(jīng)驗(yàn)證明二者之間有一定的關(guān)系，可按公式進(jìn)行初步選型[1]，D=（0.55～0.62）dg，其中，D 為壓下絲桿大徑，mm，dg為軋輥軸頸直徑，mm。D確定后可根據(jù)自鎖條件再確定壓下絲桿的螺距 t，t=πDtanα，其中，t為螺紋螺距，mm，α 為螺紋升角，（°）。按自鎖條件要求 α≤2°30′，則 t≤（0.12～0.14）D。經(jīng)驗(yàn)證明從精調(diào)和生產(chǎn)的角度出發(fā)，開坯機(jī)壓下絲桿螺紋升角α取1°時(shí)，即t≈0.0017D時(shí)，對(duì)于中型型鋼開坯機(jī)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。當(dāng)D和t確定后，可參考有關(guān)螺紋標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定壓下絲桿的有關(guān)螺紋長(zhǎng)度，并且必須根據(jù)壓下螺母的高度及軋輥的最大提升量來(lái)確定。

2 壓下絲桿螺紋的強(qiáng)度計(jì)算校核

2.1 最大載荷的確定

首先正常軋制時(shí)壓下絲桿受到的載荷應(yīng)為P0=Pz+P1，其中，Pz為軋鋼時(shí)作用在軸頸上（壓下絲桿）的總軋制力，P1為上輥平衡的過(guò)平衡力。對(duì)于開坯機(jī)而言，上輥平衡裝置需要平衡的主要部件包括上輥、壓下絲桿、回松裝置、軸承座。另外平衡梁、部分襯板、導(dǎo)板的自重及萬(wàn)向軸的部分自重導(dǎo)致上輥平衡裝置產(chǎn)生過(guò)平衡力，由于過(guò)平衡力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軋制力，故忽略不計(jì)。因此設(shè)計(jì)壓下絲桿時(shí)只需考慮總軋制力。

2.2 壓下絲桿的擠壓強(qiáng)度校核

壓下絲桿直徑和軋制力之間是非線性關(guān)系。由于壓下絲桿的絲桿長(zhǎng)度比絲桿直徑往往大很多，其比值在（3，5）區(qū)間的，不滿足材料力學(xué)的壓桿失穩(wěn)特征，故不需要進(jìn)行其穩(wěn)定性校核。根據(jù)材料力學(xué)的強(qiáng)度校核公式確定絲桿小徑D1[1]，見式（1）。

式中Pz——軋鋼時(shí)作用在軸頸上（壓下絲桿）的總軋制力，N σb——壓下絲桿許用應(yīng)力，壓下絲桿一般采用合金鋼（40Cr，40CrMo，40CrNi），其抗拉強(qiáng)度為 σb=600～750 MPa，取安全系數(shù)n=6時(shí)，許用應(yīng)力σb=100～125 MPa。

由于壓下絲桿只有螺紋及位于推力軸承內(nèi)部的部分才承受軋制力，故作抗擠壓核算時(shí)不考慮壓下絲桿上部的漸開線花鍵部分，只需壓下絲桿小徑滿足強(qiáng)度要求即可。

2.3 壓下螺母強(qiáng)度校核

當(dāng)壓下絲桿的螺紋小徑D1、螺距t及螺紋形狀確定后，壓下螺母的螺紋小徑d1、螺距t及螺紋形狀自然也可以確定了。壓下螺母的材料通常選用青銅，因此這種材料的薄弱環(huán)節(jié)是較軟，因此只需要校核螺母螺牙的擠壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由于螺母每一圈螺牙受力是不同的，沿螺母高度方向，最上端受力最大，承受最大載荷的第一圈螺牙的載荷為[1]Pmax=（Pzt）/H，其中，H為壓下螺母高度，mm。壓下螺母配合壓下絲桿一起工作，其高度取決于配合螺紋的圈數(shù)，壓下螺母高度不能影響壓下絲桿的運(yùn)動(dòng)及相關(guān)機(jī)架的空間，由生產(chǎn)實(shí)踐可知通常取H=（1.2～2）D。若將螺母沿螺旋線方向（螺紋大徑d處）展開，則可看作的懸臂梁，懸臂梁的長(zhǎng)度為πd，高度為螺牙齒根厚度b，每圈螺紋受力面上所承受的單位擠壓力最大值為Pmax，其作用的位置是以d2的為直徑的圓周上（圖1）。

圖1 壓下螺紋形狀及螺母展開

根據(jù)材料力學(xué)彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，則螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力為式（2）。

式中Pmax——作用在壓下絲桿上的最大載荷，N

d——螺紋大徑，mm

b——螺牙根部厚度，mm

h1——載荷相對(duì)于固定端的力臂，h1=0.5（d-d2），mm

d2——螺紋的公稱直徑，mm

螺牙的剪切應(yīng)力：

式中[τ]——許用剪切應(yīng)力，MPa

螺牙的擠壓應(yīng)力見式（4）。

式中[σj]——許用擠壓應(yīng)力，可取[σj]=30～40 MPa

d2——螺母螺紋內(nèi)徑，mm

2.4 漸開線花鍵的強(qiáng)度確定

花鍵的強(qiáng)度校核[2]見式（5）。

式中T——花鍵需要傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，N·mm

φ——各齒載荷不均勻系數(shù)，一般取φ=0.7～0.8

z——齒數(shù)

L——齒的工作（配合）長(zhǎng)度，mm

dm——平均圓直徑，漸開線花鍵dm=D=mz，mm

D——對(duì)于漸開線花鍵，為分度圓直徑，mm

m——模數(shù)

h——鍵齒工作高度，對(duì)于漸開線花鍵壓力角α=30°時(shí)，h=m

PPP——許用壓強(qiáng)，對(duì)于不在載荷作用下移動(dòng)的動(dòng)連接，取 20～30 MPa

由于開坯機(jī)的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，再加上操作工維護(hù)壓下絲桿不及時(shí)以及潤(rùn)滑油污染，導(dǎo)致壓下絲桿經(jīng)常出現(xiàn)卡死的故障，進(jìn)一步導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，而電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩通常是額定扭矩的1.5～2倍，發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)全部堵轉(zhuǎn)扭矩將全部加在一個(gè)壓下絲桿花鍵上，壓下絲桿花鍵最大扭矩 Tmax=2×（1.5～2）T=（3～4）T。因此花鍵在選型時(shí)需要考慮發(fā)生堵住的情況。

3 提高開坯機(jī)壓下裝置壽命的途徑

由于傳統(tǒng)開坯機(jī)壓下裝置中壓下絲桿和螺母采用開式潤(rùn)滑，其所在環(huán)境中存在大量氧化鐵皮粉塵顆粒，易進(jìn)入壓下絲桿和螺母形成的螺紋副的油膜中，致使壓下螺母磨損加劇，導(dǎo)致壓下螺母使用壽命大大縮短，并且極易發(fā)生壓下絲桿會(huì)卡死的現(xiàn)象，導(dǎo)致停機(jī)檢修、維護(hù)的時(shí)間和更換頻率大幅提升，而且頻繁的更換壓下螺母嚴(yán)重影響開坯機(jī)的生產(chǎn)使用效率，且車間還需要準(zhǔn)備大量的壓下螺母。造成企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅增加，其根源就是潤(rùn)滑不良造成的。本文所述壓下裝置中的壓下絲桿和螺母的潤(rùn)滑采用密閉的稀油潤(rùn)滑循環(huán)系統(tǒng)，而且在壓下絲桿的下方設(shè)置回松裝置。密閉的稀油潤(rùn)滑循環(huán)系統(tǒng)主要由防塵罩、噴油管、蝸輪減速機(jī)、機(jī)架、壓下絲桿、壓下螺母、油液保護(hù)罩組成，防塵罩的一側(cè)設(shè)置噴油管，潤(rùn)滑油通過(guò)噴油管進(jìn)入壓下絲桿、螺母，花鍵副部位潤(rùn)滑，油液保護(hù)罩下面設(shè)有回油管，潤(rùn)滑油通過(guò)回油管回到油箱。另外在壓下螺母螺紋大徑圓周上，軸向鉆有2～4個(gè)深油孔均布與各圈螺紋齒根貫通，潤(rùn)滑油可通過(guò)油孔送入各圈螺紋根部，從而保證供油路程較短，油膜連續(xù)不斷，這種方式不僅克服開式潤(rùn)滑的弊端，而且還能防止?jié)櫥臀廴经h(huán)境。壓下螺母隨著時(shí)間的推移，其螺紋出現(xiàn)磨損，回松裝置可調(diào)節(jié)壓下壓下絲桿和壓下螺母的配合間隙?；厮裳b置主要由缸體和活塞組成，在回松裝置的缸體上單獨(dú)裝有進(jìn)油管和回油管供油，通過(guò)進(jìn)油回油的方式調(diào)整活塞，以調(diào)整壓下絲桿和壓下螺母之間配合間隙，防止壓下螺母卡死。從某型鋼廠的實(shí)際使用情況來(lái)看，取得了較好的效果。

4 結(jié)論

根據(jù)軋制力如何設(shè)計(jì)開坯機(jī)的壓下絲桿和壓下螺母進(jìn)行探討，為工程技術(shù)人員提供理論參考依據(jù)。在不大幅度改變開坯機(jī)緊湊結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，解決了壓下絲桿和壓下螺母之間螺紋副的潤(rùn)滑、壓下螺母卡死的現(xiàn)象。在實(shí)際使用過(guò)程中取得了良好的效果。