馬 龍，任學(xué)平，高 照

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包鋼薄板廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 前言

拉矯機(jī)是連續(xù)熱鍍鋅板生產(chǎn)中重要的后處理設(shè)備，在消除帶鋼浪邊、浪形、瓢曲[1]，改善薄板的平直度[2]，消除屈服平臺(tái)等方面起到了不可磨滅的作用。某薄板廠鍍鋅機(jī)組拉矯機(jī)在一段生產(chǎn)時(shí)期內(nèi)，拉矯機(jī)工作輥和中間輥輥端支撐軸承頻繁損壞，嚴(yán)重時(shí)輥?zhàn)拥囊欢嗣撀?，造成帶鋼表面劃傷甚至出現(xiàn)斷帶停機(jī)事故。通過(guò)對(duì)輥端支撐軸承的準(zhǔn)確受力分析，采取了一系列措施，改善了拉矯機(jī)輥端支撐軸承承受的軸向力和徑向力，使拉矯機(jī)輥端支撐軸承損壞現(xiàn)象明顯減少，延長(zhǎng)了拉矯機(jī)輥盒的使用壽命。

1 拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)組成

拉矯機(jī)由三部分組成，張力輥組，用于產(chǎn)生所需的工藝張力；拉矯機(jī)本體，拉矯機(jī)本體由噴淋系統(tǒng)、兩組彎曲輥系和一組矯直輥系組成，即“濕式兩彎一矯”，實(shí)現(xiàn)帶鋼的彎曲矯直[3]；擠干輥和烘干器，用于保證帶鋼表面無(wú)水，避免打滑，拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 兩彎一矯式拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 拉矯機(jī)工作原理

熱鍍鋅薄板不管用于什么用途，要求其表面必須平坦。但是，冷軋薄板經(jīng)過(guò)熱鍍鋅之后，由于在連續(xù)退火爐中加熱的不均勻性和機(jī)械傳動(dòng)的緣故，往往會(huì)呈現(xiàn)出不佳的板形[4]。拉伸彎曲矯直[5]的基本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)鋼帶施加拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力使其產(chǎn)生變形而矯直的。為達(dá)到矯直的目的，帶鋼必須具有一定伸長(zhǎng)率。對(duì)帶鋼伸長(zhǎng)率起決定性作用的是帶鋼的最小曲率半徑。在已知板厚、輥徑和理論包角α的情況下，對(duì)于每種帶鋼張力T可以達(dá)到一個(gè)一定的最小曲率半徑，這曲率半徑在極限情況時(shí)與彎曲輥半徑相同，其中理論包角α是由拉伸輥的間距、直徑和壓下深度來(lái)確定的。彎曲輥壓下時(shí)，鋼板形成一種雙曲線彎曲，如圖2所示[6]。

圖2 一個(gè)彎曲輥范圍內(nèi)的應(yīng)力分布和應(yīng)力狀態(tài)

在圖2中表示出了邊緣范圍內(nèi)的彎曲應(yīng)力分布，h3,h4為彈性層厚度；y3,y4為無(wú)應(yīng)力線的錯(cuò)位，p為塑性范圍。從A點(diǎn)到C點(diǎn)范圍內(nèi)只有彈性彎曲，而從C點(diǎn)開(kāi)始則為塑性變形，這在應(yīng)力圖B、C、D和E中便能清楚地看到。帶鋼的拉應(yīng)力在這里沒(méi)做考慮。隨著曲率半徑的逐漸減小，零位線也逐漸地移向曲率中心。這種無(wú)應(yīng)力線的位移，目前還不能夠精確地計(jì)算出來(lái)。事實(shí)上，如圖3所示[6]，這種位移才能使帶鋼得到延伸。帶鋼的單位張力只在屈服極限約為1/10～1/3范圍內(nèi)波動(dòng)。帶鋼交替彎曲時(shí)的塑性延伸是塑性壓縮與塑性伸長(zhǎng)相加得到。這時(shí)調(diào)節(jié)矯直單元以使帶鋼在壓下運(yùn)行之后又成為平直的運(yùn)行。

圖3 用兩個(gè)彎曲輥和一個(gè)矯直輥拉伸時(shí)的塑性變形

3 拉矯機(jī)工作輥的受力情況

拉矯機(jī)不但能改善帶鋼的板形，而且也能夠改善帶鋼的力學(xué)性能，但其在拉矯帶鋼的時(shí)候工作輥往往會(huì)受到帶鋼復(fù)雜的反作用力，使輥端支撐軸承承受不同的軸徑向力，如圖4所示，F(xiàn)1為帶鋼對(duì)工作輥垂直向上的反作用力；F2為帶鋼與工作輥的摩擦力；F3、F4為使工作輥發(fā)生竄動(dòng)的軸向力；F5為發(fā)生翹曲輥端支撐軸承受到的力；F6為軸向分力；F7為徑向分力，不同的軸徑向力使得輥端支撐軸承內(nèi)部的推力軸承和深溝球軸承發(fā)生失效，導(dǎo)致其快速磨損，發(fā)生掉輥現(xiàn)象，造成帶鋼板面劃傷或斷帶事故，如圖5所示。

圖4 上彎曲單元工作輥受力情況

圖5 脫落的輥?zhàn)咏o帶鋼造成的劃傷和邊浪

因?yàn)閹т摪逍味嗌俅嬖诶诵?、翹曲，拉矯機(jī)輥盒在初裝時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間使用后，出現(xiàn)輥系橫向或縱向傾斜，造成輥系與帶鋼沿寬度方向不平行或輥系中心線與機(jī)組中心不垂直。如果使工作輥向一側(cè)傳動(dòng)的軸向力過(guò)大，超過(guò)輥端支撐軸承的承載能力，就會(huì)使微型推力軸承失效，進(jìn)而使微型深溝球軸承失效，導(dǎo)致輥端支撐軸承發(fā)生卡阻或抱死[7]現(xiàn)象，并在短時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量直接導(dǎo)致輥端支撐軸承損毀[8]，如圖6所示。

圖6 輥端支撐軸承燒損圖

同時(shí)，工作輥和中間輥在拉矯過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，再加上其自身磨損或裝配精度不夠而產(chǎn)生彎曲變形，這時(shí)，工作輥和中間輥將這一彎曲力傳遞給輥端支撐軸承，假如支撐套間隙沒(méi)調(diào)好，使得輥端支撐軸受到支撐套給的作用力F5而發(fā)生磨損，同時(shí)產(chǎn)生了徑向分力F7，使得輥端支撐軸承內(nèi)部的深溝球軸承發(fā)生磨損，進(jìn)而發(fā)展為輥端支撐軸承損壞，如圖6所示。

輥端支撐軸承受到力的作用是難免的，并且哪一個(gè)輥端支撐軸承受力及受力的大小，都會(huì)隨上述因素的變化而發(fā)生變化，同時(shí)輥?zhàn)訅合律疃取⒀由炻屎屠C張力越大，輥端支撐軸承的受力也越大，當(dāng)某一個(gè)軸承長(zhǎng)時(shí)間受較大力作用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)損壞失效事故。這樣，本側(cè)輥端支撐軸承磨損，另一側(cè)支撐軸松脫，從而造成工作輥或中間輥脫離支撐套的約束從拉矯機(jī)本體內(nèi)脫落，由于為了保護(hù)焊縫，焊縫過(guò)來(lái)時(shí)，拉矯機(jī)自動(dòng)微開(kāi)，焊縫過(guò)后拉矯機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，這時(shí)，下彎曲輥盒脫落的輥?zhàn)訒?huì)掉到噴淋系統(tǒng)除鹽水收集槽內(nèi)，使得拉矯延伸率降低，板形差，上彎曲輥盒脫落的輥?zhàn)訒?huì)擠在1#或者2#上彎曲輥盒的輥盒里，這樣直接造成帶鋼板面劃傷和邊浪，甚至造成斷帶停車。

4 解決輥端支撐軸承損壞的措施

微型軸承的失效[9]與很多因素有關(guān)，如載荷、旋轉(zhuǎn)精度、潤(rùn)滑狀況、材料、軸承安裝時(shí)和輥端支撐體、軸徑的精度及配合方式的選擇等。影響最大的是載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑狀況及軸承部件的制造和裝配誤差。針對(duì)輥端支撐軸承損壞的原因和對(duì)損壞的輥端支撐軸承進(jìn)行解體分析后，采取優(yōu)化選用合適的推力軸承、改進(jìn)輥端支撐軸承結(jié)構(gòu)、提高輥盒的安裝精度、優(yōu)化工藝參數(shù)等一系列措施。

4.1 輥端支撐軸承結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

4.1.1 選用合適的推力軸承

某薄板廠鍍鋅機(jī)組拉矯機(jī)輥端支撐軸承內(nèi)部原來(lái)采用的推力軸承是BA6，如圖7所示，尺寸6 mm×14 mm×5 mm,額定動(dòng)載荷1 780 N。

圖7 BA6輥端支撐軸承

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤記錄(1.2 mm以上帶鋼)，在拉矯機(jī)精度正常和輥端支撐軸承不受徑向力的情況下，軸承均在32天以上，但鍍鋅為連續(xù)生產(chǎn)線，需滿足在線連續(xù)使用3個(gè)月。根據(jù)現(xiàn)在輥端支撐軸承自身的尺寸，最大、最適合的推力軸承選用BA8，如圖8所示，尺寸8 mm×19 mm×7 m，額定動(dòng)載荷3 190 N。承載是原來(lái)的3.19/1.78≈1.79倍，壽命是原來(lái)的1.973倍，即至少可用180天。

圖8 BA8輥端支撐軸承

4.1.2 改進(jìn)輥端支撐軸承結(jié)構(gòu)

實(shí)際生產(chǎn)中，拉矯機(jī)輥端支撐軸承在軸向力和徑向力的共同作用下，只能使用20天左右。為了解決拉矯機(jī)在拉矯過(guò)程中，由于工作輥或中間輥輥端發(fā)生翹曲導(dǎo)致輥端支撐軸承的支撐軸和支撐套的磨損，通過(guò)結(jié)構(gòu)改造在原來(lái)的圓柱支撐套上開(kāi)槽，實(shí)現(xiàn)了在輥端發(fā)生翹曲時(shí)，也不會(huì)使支撐軸和支撐套接觸，也避免了徑向力的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了輥端支撐軸承的壽命，如圖9所示為改造前支撐套、圖10為改造后支撐套，圖11改造后實(shí)物。

圖9 改造前支撐套

圖10 改造后支撐套

圖11 改造后實(shí)物

4.2 提高輥盒裝配精度

輥盒的裝配精度受到輥盒本身以及支撐輥、中間輥和工作輥等各方面的影響，所以必須對(duì)輥盒水平度和垂直度進(jìn)行檢測(cè)校正，保證工作輥、中間輥水平度與機(jī)組中心線的垂直度。輥系內(nèi)輥?zhàn)娱g的水平度誤差不大于0.05 mm/m，支撐輥與中間輥、中間輥與工作輥之間的間隙在0.5 mm以下。

4.3 拉矯機(jī)工藝參數(shù)優(yōu)化和管理

目前生產(chǎn)線拉矯機(jī)控制采用延伸率控制，生產(chǎn)CQ、DQ鋼種，屈服強(qiáng)度控制為220 MPa 到350 MPa。根據(jù)性能要求，參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 拉矯機(jī)不同規(guī)格的工藝參數(shù)[10-11]

拉矯機(jī)延伸率控制模式下，輥盒嚙合度和拉矯張力為反比關(guān)系。生產(chǎn)控制采用二級(jí)給定參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)板形不良或拉矯痕缺陷時(shí)，可在范圍內(nèi)調(diào)整。

由于拉矯機(jī)的前后張力、輥盒的嚙合度以及噴淋系統(tǒng)的噴水量都會(huì)影響拉矯輥?zhàn)拥氖褂脿顟B(tài)，所以在保證不同規(guī)格帶鋼在達(dá)到要求的延伸率[12-15]前提下，盡量減少拉矯機(jī)處的張力和嚙合度，同時(shí)，噴淋系統(tǒng)的水流量要求為：5～8 L/min,壓力為500 kPa,這樣可以清洗、潤(rùn)滑和冷卻拉矯機(jī)工作輥，避免干摩擦，減輕拉矯機(jī)工作輥的磨損和輥端軸承因高溫導(dǎo)致缺油的磨損。

平時(shí)對(duì)每個(gè)拉矯機(jī)輥盒(工作輥、中間輥、輥端支撐軸承和支撐輥)做好跟蹤記錄[16]，及時(shí)更換輥端支撐軸，同時(shí)當(dāng)輥盒下線和檢修期間也要檢查輥端支撐軸承和輥面情況，需潤(rùn)滑的部位適當(dāng)注油。這樣可以更好的維護(hù)好設(shè)備。

5 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)本文研究，并對(duì)拉矯機(jī)輥端支撐軸承的使用壽命進(jìn)行對(duì)比。如圖12所示為中間輥和工作輥軸頭異常磨損問(wèn)題解決前后輥端支撐軸承的過(guò)鋼量的統(tǒng)計(jì)情況。從圖12中可知，2015年6月前對(duì)應(yīng)的平均過(guò)鋼量為2.3萬(wàn)噸，問(wèn)題解決后過(guò)鋼量為8.8萬(wàn)噸，是原來(lái)的3.8倍，完全滿足在線連續(xù)使用3個(gè)月的要求。從而延長(zhǎng)了輥盒的使用壽命和減少了勞動(dòng)負(fù)荷的目的。

圖12 輥端支撐軸承對(duì)應(yīng)的過(guò)鋼量

6 結(jié)論

針對(duì)鍍鋅機(jī)組拉矯機(jī)彎曲單元工作輥和中間輥的受力情況，采取多項(xiàng)改進(jìn)措施后，很好地解決了拉矯機(jī)輥端支撐軸磨損，不但延長(zhǎng)了拉矯機(jī)輥盒的使用壽命，穩(wěn)定了拉矯機(jī)的生產(chǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了降本增效，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。