張炳泉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

定尺剪是中厚板生產(chǎn)線的重要工藝設(shè)備，而定尺剪立導(dǎo)輥裝置是鋼板剪切對(duì)中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是保證鋼板剪切前鋼板中心線與剪刃剪切方向垂直，它對(duì)定尺剪切精度的控制起到十分重要的作用。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱天鋼）中厚板廠定尺剪改造前，其立導(dǎo)輥裝置是由分布在輥道兩端的短行程移動(dòng)式立導(dǎo)輥和長(zhǎng)行程移動(dòng)式立導(dǎo)輥裝置組成。原立導(dǎo)輥裝置在其短行程立導(dǎo)輥裝置對(duì)中過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)鋼時(shí)撞擊設(shè)備的情況，造成鋼板對(duì)中位置錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鋼板報(bào)廢。另外，短行程立導(dǎo)輥內(nèi)液壓缸沒(méi)有被推到指定的位置，也會(huì)造成對(duì)中精度偏差，使得剪切時(shí)鋼板頭部出現(xiàn)斜邊，影響鋼板質(zhì)量。

為解決定尺剪移動(dòng)式短行程立導(dǎo)輥對(duì)中精度低、位置偏差大的問(wèn)題，天鋼決定對(duì)短行程立導(dǎo)輥裝置的定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過(guò)定尺剪立導(dǎo)輥故障原因的分析和參數(shù)校核，最終確定了改造方案。本文對(duì)定尺剪移動(dòng)式短行程立導(dǎo)輥裝置改造方案進(jìn)行了分析和說(shuō)明，并對(duì)原裝置的軸承、立導(dǎo)輥架體、地腳螺栓等所有受力元件進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保改造后設(shè)備的穩(wěn)定性。

1 定尺剪立導(dǎo)輥裝置簡(jiǎn)介

1.1 定尺剪原立導(dǎo)輥裝置構(gòu)成

圖1為定尺剪立導(dǎo)輥裝置示意圖。定尺剪立導(dǎo)輥裝置是由9組長(zhǎng)、短行程立導(dǎo)輥裝置構(gòu)成，每組間距6m，導(dǎo)向長(zhǎng)度48m。其中，長(zhǎng)、短行程立導(dǎo)輥裝置均由對(duì)中小車、立導(dǎo)輥裝配和液壓缸構(gòu)成。長(zhǎng)行程液壓缸行程為1975mm，對(duì)中小車輥面距輥道中心線為1800mm；短行程液壓缸行程為50mm，對(duì)中小車輥面距輥道中心線為1675mm。兩種行程立導(dǎo)輥裝配按照?qǐng)D1尺寸要求進(jìn)行，并均在一條直線上調(diào)好位置后方可進(jìn)行定位。

圖1 定尺剪立導(dǎo)輥裝置示意圖

1.2 立導(dǎo)輥裝置工作原理

定尺剪在剪切鋼板前需要先對(duì)中，然后再進(jìn)行剪切。使用步驟是：先伸出短行程立導(dǎo)輥的對(duì)中小車，然后移動(dòng)長(zhǎng)行程立導(dǎo)輥將鋼板推到短行程對(duì)中小車處進(jìn)行對(duì)中；待鋼板運(yùn)送到剪切位置時(shí)，再由長(zhǎng)行程立導(dǎo)輥將鋼板擺到指定位置，確保鋼板中心線與剪刃剪切方向垂直，最后進(jìn)行剪切。

2 定尺剪原立導(dǎo)輥液壓缸推力計(jì)算及分析

2.1 定尺剪原立導(dǎo)輥液壓缸推力計(jì)算

圖2為立導(dǎo)輥液壓缸簡(jiǎn)化圖。其中：圖2（a）為長(zhǎng)行程液壓缸簡(jiǎn)化圖,圖2（b）為短行程液壓缸簡(jiǎn)化圖。

圖2 立導(dǎo)輥液壓缸簡(jiǎn)化圖

已知：定尺剪立導(dǎo)輥裝置長(zhǎng)行程液壓缸規(guī)格型號(hào)為80/56-1975，工作壓力為12MPa；短行程液壓缸規(guī)格型號(hào)為50/36-50，工作壓力為12MPa。根據(jù)已知數(shù)據(jù)分別計(jì)算長(zhǎng)行程液壓缸推力F1及短行程液壓缸推力F2。公式（1）為液壓缸推力計(jì)算公式。

式中：p1為液壓缸入口壓力，MPa；p2為液壓缸出口壓力，MPa；D為缸徑，mm；d為桿徑，mm。

2.1.1 長(zhǎng)行程液壓缸推力計(jì)算

已知長(zhǎng)行程液壓缸：p1=12MPa，p2≈0MPa。

由公式（1）計(jì)算得出：F1=60288N≈60.3kN

2.1.2 短行程液壓缸推力計(jì)算

已知短行程液壓缸：p1=12MPa，p2≈0MPa。

由公式（1）計(jì)算得出：F2=23550N≈23.6kN

2.2 推力計(jì)算分析

由于目前每組立導(dǎo)輥裝置由安裝在軌道上的長(zhǎng)、短行程立導(dǎo)輥裝置各一套構(gòu)成，且由計(jì)算結(jié)果可知F1＞F2。由此可斷定長(zhǎng)行程液壓缸使用過(guò)程中，會(huì)造成短行程液壓缸處的立導(dǎo)輥推不到位的問(wèn)題。另外在力的作用下還會(huì)造成短行程液壓缸活塞密封受損，使液壓缸推力下降，工作行程不到位。這不但影響了設(shè)備的使用壽命，還會(huì)嚴(yán)重影響鋼板運(yùn)輸及剪切前的對(duì)中精度，造成切板時(shí)的板型缺陷，嚴(yán)重影響成材率。對(duì)此，將短行程液壓缸推動(dòng)的立導(dǎo)輥裝置更換為固定式立導(dǎo)輥能，可有效解決這一問(wèn)題。

3 定尺剪立導(dǎo)輥裝置改造方案

3.1 改造分析及方案說(shuō)明

將原有定尺剪立導(dǎo)輥裝置的結(jié)構(gòu)改為一組長(zhǎng)行程立導(dǎo)輥裝置對(duì)應(yīng)多組固定式立導(dǎo)輥裝置，并且輥距由6000mm改為1200mm。這樣可使短行程立導(dǎo)輥處所受的推力平均分配到多個(gè)立導(dǎo)輥上，可有效提高對(duì)中精度。由于去除原有短行程立導(dǎo)輥裝置液壓缸，故能從根本上解決液壓缸損壞而導(dǎo)致的立導(dǎo)輥對(duì)中精度不準(zhǔn)問(wèn)題。取而代之的是設(shè)計(jì)制作水平放置的內(nèi)嵌立導(dǎo)輥的擋板以及相應(yīng)的固定結(jié)構(gòu)。

為了改造方案設(shè)計(jì)更嚴(yán)謹(jǐn)，要對(duì)軸承、立導(dǎo)輥架體、地腳螺栓等所有受力元件進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保改造后設(shè)備的穩(wěn)定性。

3.2 對(duì)立導(dǎo)輥在用軸承的負(fù)荷情況進(jìn)行校核

目前1號(hào)定尺剪立導(dǎo)輥擋輥裝配所用的軸承型號(hào)為No.6218的深溝球軸承（內(nèi)徑d=90mm，外徑D=160mm），每個(gè)立導(dǎo)輥裝配兩件軸承。為安全起見(jiàn)，需對(duì)立導(dǎo)輥在用軸承的負(fù)荷情況進(jìn)行校核。

3.2.1 軸承所需的最小負(fù)荷校核

因?yàn)樯顪锨蜉S承在一定負(fù)荷下才能處于良好的工作狀態(tài)，尤其是負(fù)荷方向頻繁改變的工況。軸承內(nèi)部球體及保持架的慣性力、潤(rùn)滑劑等都會(huì)對(duì)軸承正常使用造成影響，所以要對(duì)軸承所需的最小負(fù)荷進(jìn)行估算。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）可知，深溝球軸承最小徑向負(fù)荷可用公式（2）計(jì)算。

式中：F rm為最小徑向負(fù)荷，kN；k r為最小負(fù)荷系數(shù)；v為潤(rùn)滑油的黏度，mm2/s；n為額定轉(zhuǎn)速，r/min；d m為軸承平均直徑，即(d+D)/2，mm。

查詢軸承手冊(cè)可知，k r=0.025，v=68mm2/s（參照2號(hào)極壓鋰基脂在工況40℃下的黏度值），

由公式（2）計(jì)算得出：F rm=0.178kN

因此每個(gè)立導(dǎo)輥需承受的最小負(fù)荷：F1rm=2F rm=0.356kN。由于F1rm小于液壓缸推力F1，故滿足要求。

3.2.2 軸承所需的最大當(dāng)量靜負(fù)荷校核

軸承所需的最大當(dāng)量靜負(fù)荷P0是指：軸承靜止時(shí)，最大承載滾動(dòng)體和滾道的接觸區(qū)產(chǎn)生的最大應(yīng)力與實(shí)際承載條件下的最大接觸應(yīng)力相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)的假想載荷。在實(shí)際復(fù)雜的負(fù)荷條件下，當(dāng)量負(fù)荷P0可以用來(lái)判斷軸承是否發(fā)生塑性形變。公式（3）為P0計(jì)算公式。

式中：P0為當(dāng)量靜負(fù)荷，kN；C0為額定靜負(fù)荷，kN；S0為安全系數(shù)。

查詢軸承手冊(cè)可知該軸承的額定靜負(fù)荷C0為73.5kN。根據(jù)實(shí)際工況，該處軸承有顯著的沖擊負(fù)荷，因此確定靜負(fù)荷安全系數(shù)S0為1.5。

由公式（3）計(jì)算得出：P0=49kN

裝配中單個(gè)軸承所承受的最大負(fù)荷為F1/2，即30.15kN，小于軸承當(dāng)量靜負(fù)荷P0，故滿足使用要求。

由上述計(jì)算可知，立導(dǎo)輥在用軸承當(dāng)量靜負(fù)荷滿足承受鋼板沖撞的使用要求，因此改造方案不需要對(duì)軸承的設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)。

3.3 對(duì)立導(dǎo)輥支架地腳螺栓負(fù)荷的校核

3.3.1 對(duì)立導(dǎo)輥支架地腳螺栓最大承載力的校核

目前，選取的固定式立導(dǎo)輥支架地腳螺栓規(guī)格尺寸為M30×800，8.8級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)：GB 799-88）。

查詢《螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積》（標(biāo)準(zhǔn)：GB/T16823.1-1997），可知該螺栓的應(yīng)力截面積A s為561mm2，另外查得六角螺栓的承載面積與應(yīng)力截面積比A b/A s為1.2，由此可求得地腳螺栓的承載面積A b為673.2mm2。已知8.8級(jí)螺栓公稱抗拉強(qiáng)度δb為800MPa，計(jì)算地腳螺栓所能承受的最大承載力Fmax，公式（4）為Fmax計(jì)算公式。

由公式（4）計(jì)算得出：

Fmax=538560N≈538kN

立導(dǎo)輥支架4條地腳螺栓所能承受的總承載力:F總=4×Fmax=4×538kN=2152kN。

3.3.2 對(duì)立導(dǎo)輥支架地腳螺栓承受鋼板推力的校核

圖3為立導(dǎo)輥支架受力示意圖，其中，圖3（c）為該支架的力矩分析圖。根據(jù)圖3（c）所示，做力矩分析。由力矩平衡原理得到公式（5）。

圖3 立導(dǎo)輥支架受力示意圖

式中：M1是推力F對(duì)支架的力矩，N.m；M2是扭力f1、f2對(duì)支架的力矩，N.m；F為長(zhǎng)行程立導(dǎo)輥裝置推鋼時(shí)作用給固定立導(dǎo)輥的力，N；L是推力F對(duì)支架的力臂，m；f1、f2是螺栓承受的扭力，N；l1、l2是扭力對(duì)支架的力臂，m。

已知：F為60.3kN，L為805mm，l=l1=l2=275mm，且f=f1=f2。

由公式（5）計(jì)算得出：f=88.3kN

且：M1=-M2=F×L=48541.5N.m

綜上計(jì)算，由于地腳螺栓承受的總扭力f為88.3kN，大大小于0.7倍地腳螺栓所能承受的最大承載力Fmax，即0.7×538kN=376.6kN（0.7為安全使用系數(shù)），所以該設(shè)計(jì)地腳滿足現(xiàn)場(chǎng)使用載荷需求。

4 設(shè)備安裝及調(diào)整

安裝時(shí)要確保固定式立導(dǎo)輥支架的標(biāo)高為40mm，支架間的平行度保證在±1mm/m，檢驗(yàn)時(shí)每個(gè)固定式立導(dǎo)輥下表面高度要低于運(yùn)輸輥道表面30mm。

在調(diào)整方面，固定式立導(dǎo)輥裝置安裝在偏心量為5mm的偏心軸上，用于調(diào)整立導(dǎo)輥輥面的平行度，調(diào)整后固定式立導(dǎo)輥之間的平行度應(yīng)在±0.5 mm/m以內(nèi)。此外，在支架和固定式立導(dǎo)輥的擋板之間加裝一塊20mm厚的橡膠墊板，用于緩沖鋼板推進(jìn)時(shí)對(duì)立導(dǎo)輥支架造成的直接沖擊。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)固定式立導(dǎo)輥裝置中立導(dǎo)輥裝配軸承及固定支架地腳螺栓的校核，其強(qiáng)度均滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用要求。同樣，該校核標(biāo)準(zhǔn)也可以在對(duì)其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷校核計(jì)算時(shí)應(yīng)用。

改造后的天鋼中厚板定尺剪固定式立導(dǎo)輥裝置包括：固定支架22套、水平擋板7組、內(nèi)嵌固定式立導(dǎo)輥34個(gè)，導(dǎo)向距離為39.6m，對(duì)中可精確到±1mm。通過(guò)改造，定尺剪固定式立導(dǎo)輥裝置在滿足鋼板運(yùn)輸與對(duì)中精度的前提下，去除了對(duì)中小車及短行程液壓缸等設(shè)備，不但降低了備件費(fèi)用、降低了液壓系統(tǒng)故障率、減少了日常維護(hù)工作量，同時(shí)還提高了鋼板表面質(zhì)量和成材率。經(jīng)過(guò)一階段的使用，明顯改善了鋼板定位的精度，并且消除了鋼板運(yùn)輸過(guò)程中的跑偏現(xiàn)象。