計(jì) 江，蘇 明，尤 磊，錢廣闊，徐利璞

(1．中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

1 前言

在軋制生產(chǎn)過程中，由于軋輥需要不斷重磨，導(dǎo)致輥徑不斷減小，從而使軋機(jī)名義軋制線的標(biāo)高發(fā)生變化，因此需要采取一定的措施進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，使軋制線標(biāo)高始終保持在理論設(shè)計(jì)值或名義軋制線標(biāo)高的允差范圍內(nèi)。目前，軋線標(biāo)高的調(diào)整手段很多，主要有電動(dòng)式、液壓式、液壓—電動(dòng)聯(lián)合式以及手動(dòng)式的調(diào)整方式。工程實(shí)際中應(yīng)根據(jù)設(shè)備類型、機(jī)組的總體裝機(jī)水平和具體的結(jié)構(gòu)來選擇不同的方式。

泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機(jī)架可逆冷軋機(jī)組是國內(nèi)自主設(shè)計(jì)成套的最大規(guī)格的單機(jī)架可逆式冷軋機(jī)組，既可生產(chǎn)普碳鋼，又可生產(chǎn)不銹鋼。該機(jī)組設(shè)備組成多，機(jī)組速度高，軋制力大，產(chǎn)品表面質(zhì)量和板形要求嚴(yán)格，因此軋機(jī)設(shè)計(jì)要保證足夠的自然剛性，經(jīng)綜合考慮，反復(fù)類比計(jì)算，選用了斜楔與階梯墊復(fù)合型式的軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置。

在該機(jī)組的斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置中，斜楔和階梯墊均采用液壓缸(帶內(nèi)置式高精度位移傳感器)驅(qū)動(dòng)，是典型的液壓式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置。

2 結(jié)構(gòu)型式及主要技術(shù)參數(shù)

由于軋輥經(jīng)常更換和磨削，直徑變化很大，需要采取措施進(jìn)行軋線調(diào)整和補(bǔ)償。該軋機(jī)采用液壓壓上AGC以設(shè)定軋制開口度，其上輥直徑變化后采用斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，以保持機(jī)組軋線標(biāo)高恒定(+1 200 mm)。

2．1 結(jié)構(gòu)型式

斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置設(shè)置在軋機(jī)機(jī)架窗口上部，主要由調(diào)整油缸、油缸支座、階梯墊、上下斜楔、測壓儀及調(diào)整墊片等組成，如圖1所示。階梯墊設(shè)置在斜楔塊下面，下斜楔塊設(shè)置在上斜楔和階梯墊之間，上斜楔塊和測壓儀安裝在框架里面，下斜楔和階梯墊之間均設(shè)有導(dǎo)槽，工作時(shí)起懸掛和導(dǎo)向作用。階梯墊和斜楔分別由單獨(dú)的液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸支座用螺栓把合固定在傳動(dòng)側(cè)機(jī)架上。

圖1 斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置Fig．1 Tapered-step wedge pass-line adjustment unit

該軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置為斜楔與階梯墊復(fù)合式調(diào)整機(jī)構(gòu)，階梯墊為初調(diào)節(jié)或預(yù)調(diào)整，其調(diào)整為階躍式;斜楔調(diào)整為微調(diào)整或精調(diào)，其調(diào)整為無級式，而斜楔在整個(gè)行程上的調(diào)整量為階梯板的一個(gè)階躍。兩種調(diào)整方式組合使用，即構(gòu)成了一個(gè)大調(diào)節(jié)量的無級調(diào)整機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)所有輥?zhàn)又睆阶兓倪B續(xù)調(diào)節(jié)(無級調(diào)整)。斜楔調(diào)整和階梯調(diào)整機(jī)構(gòu)均采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸內(nèi)帶有位移傳感器以精確檢測調(diào)整量，通過液壓比例閥來驅(qū)動(dòng)調(diào)整。階梯塊和斜楔均為合金鍛鋼，工作表面滲氮硬化處理。

2．2 主要技術(shù)參數(shù)

斜楔驅(qū)動(dòng)油缸規(guī)格/mm φ160/φ610×600

階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸規(guī)格/mm φ100/φ70×750

油缸工作壓力/MPa 10

斜楔角度/(°) 2．8624

階梯墊的調(diào)整量/級 5(每級30 mm)

斜楔的調(diào)整量/mm 0～30

總調(diào)整量/mm 5×30+30=180

3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及驗(yàn)算

3．1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及推導(dǎo)

對斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)軋機(jī)中與軋制線標(biāo)高相關(guān)的軋輥的重磨量、自然輥縫間隙、軋機(jī)窗口尺寸以及調(diào)整裝置的強(qiáng)度和剛度，確定其調(diào)整范圍?，F(xiàn)以六輥UCM軋機(jī)為例，介紹斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法。

3．1．1 斜楔的自鎖角

由于本裝置的斜楔和階梯墊均在無負(fù)荷條件下進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整好后工作時(shí)采用斜面承載，為確保工作可靠、穩(wěn)定，斜面必須具備自鎖能力。上、下斜楔相對受力情況如圖2所示。

圖2 上、下斜楔相對受力圖Fig．2 Relatively forced diagram of up wedge and down wedge

圖中，N為上斜楔對下斜楔的正壓力，kN;N'為下斜楔對上斜楔的正壓力，kN;f1為上斜楔對下斜楔的摩擦力，kN;f'1為下斜楔對上斜楔的摩擦力，kN;α為斜楔角度，(°)。

根據(jù)自鎖條件，必須使上下斜楔間的作用力滿足 f1×cosα＞N ×sinα或 f'1×cosα＞N'×sinα又f1=μ×N，f'1=μ×N'

式中，μ為上、下斜楔間的摩擦系數(shù)，取 μ=0．15。

則 μ×N×cosα＞N×sinα

即 α ＜ arctanμ =arctan0．15=8．53°

因此，斜面要能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，必須保證斜楔角度 α 小于8．53°。

3．1．2 計(jì)算最大調(diào)整量

根據(jù)六輥UCM軋機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到新輥時(shí)各輥間的輥縫值及開口度，可得出軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的最大調(diào)整量為相應(yīng)軋輥的最大重磨量與新輥時(shí)各輥間的輥縫間隙之和。

即

式中，ΔHmax為軋制線調(diào)整裝置的最大調(diào)整量(亦稱調(diào)整能力)，mm;ΔDWmax為上工作輥的最大重磨量，mm;ΔDImax為上中間輥的最大重磨量，mm;ΔDBmax為上支承輥的最大重磨量，mm;DLW為軋制線標(biāo)高與上工作輥下表面的間隙(對應(yīng)新輥時(shí))，mm;DWI為上工作輥上表面與上中間輥下表面的間隙(對應(yīng)新輥時(shí))，mm;DIB為上中間輥上表面與上支撐輥下表面的間隙(對應(yīng)新輥時(shí))，mm。

3．1．3 斜楔與單級階梯墊調(diào)整量以及階梯墊級數(shù)的推導(dǎo)

斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置的最大調(diào)整量等于斜楔全行程上的調(diào)整量與階梯墊在全行程上的調(diào)整量之和。即

式中，ΔHmax為軋制線調(diào)整裝置的最大調(diào)整量，mm;Y1為斜楔全行程上的調(diào)整量，mm;K為階梯墊級數(shù)(正整數(shù));Y2為單級階梯墊調(diào)整量，mm。

由于在斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置中先通過階梯塊進(jìn)行初調(diào)節(jié)或預(yù)調(diào)整，再通過斜楔進(jìn)行微調(diào)整或精調(diào)，要實(shí)現(xiàn)全行程上無級調(diào)整，就必須在結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)保證斜楔全行程上的調(diào)整量與單級階梯墊調(diào)整量相等(即斜楔在全行程上的調(diào)整量為階梯墊的一個(gè)階躍)。即Y1=Y2，為推導(dǎo)計(jì)算方便，令

此外，每次進(jìn)行軋制線標(biāo)高調(diào)整時(shí)，都應(yīng)補(bǔ)償新輥時(shí)各輥間的輥縫值(此值固定不變)，為使軋機(jī)窗口結(jié)構(gòu)緊湊及軋制線調(diào)整方便，在進(jìn)行斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常取單級階梯墊調(diào)整量等于新輥時(shí)各輥間的輥縫值之和。即

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(4)，可得

3．2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

以泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機(jī)架可逆冷軋機(jī)組中軋輥的重磨量以及對應(yīng)新輥時(shí)各輥間的輥縫值(表1)為例，確定斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 軋輥的重磨量以及對應(yīng)新輥時(shí)各輥間的輥縫值Table 1 Regrinding quantity and gap between rollers as corresponding to new rollers

將表1中的有關(guān)數(shù)值帶入式(3)、(4)、(5)中，可確定出:

斜楔全行程上的調(diào)整量Y1=10+10+10=30 mm;

單級階梯墊調(diào)整量Y2=Y1=Y=30 mm;

階梯墊級數(shù)K=(50+50+100/2)/30=5;

3．2．1 斜楔驅(qū)動(dòng)油缸行程X1和斜楔角度α的確定

由于斜楔全行程上的調(diào)整量Y1、斜楔驅(qū)動(dòng)油缸行程 X1和斜楔角度 α滿足三角函數(shù)關(guān)系，即

從式(6)可知，當(dāng)斜楔全行程上的調(diào)整量Y1確定后，隨著斜楔角度α的減小，斜楔驅(qū)動(dòng)油缸行程X1在增加，該裝置的調(diào)整精度也在提高。為確定斜楔驅(qū)動(dòng)油缸行程X1和斜楔角度α，本文采取定值列表的方法，其數(shù)據(jù)見表2。

表2 Y1、X1與α關(guān)系值Table 2 Y1and X1versus α

4 30 1/4 0．2500 14．0362 120 5 30 1/5 0．2000 11．3099 150 6 30 1/6 0．1667 9．4623 180 7 30 1/7 0．1429 8．1301 210 8 30 1/8 0．1250 7．1250 240 9 30 1/9 0．1111 6．3402 270 10 30 1/10 0．1000 5．7106 300 11 30 1/11 0．0909 5．1944 330 12 30 1/12 0．0833 4．7636 360 13 30 1/13 0．0769 4．3987 390 14 30 1/14 0．0714 4．0856 420 15 30 1/15 0．0667 3．8141 450 16 30 1/16 0．0625 3．5763 480 17 30 1/17 0．0588 3．3665 510 18 30 1/18 0．0556 3．1798 540 19 30 1/19 0．0526 3．0128 570 20 30 1/20 0．0500 2．8624 600 21 30 1/21 0．0476 2．7263 630 22 30 1/22 0．0455 2．6026 660 23 30 1/23 0．0435 2．4896 690 24 30 1/24 0．0417 2．3859 720 25 30 1/25 0．0400 2．2906 750 26 30 1/26 0．0385 2．2026 780 27 30 1/27 0．0370 2．1211 810 28 30 1/28 0．0357 2．0454 840 29 30 1/29 0．0345 1．9749 870 30 30 1/30 0．0333 1．9092 900

下面是對表3中的30種方案的評價(jià)選擇。

(1)方案 1～方案 6，斜楔角度 α大于8．53°，斜面不能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，故這些方案直接舍棄;

(2)在方案7～方案30中，為保證斜楔的機(jī)械加工精度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，通常取斜楔的斜度為優(yōu)先數(shù)系，可篩選出方案10、方案20和方案30;

(3)在方案10、方案20和方案30中，方案10的斜楔斜度較方案20和方案30大，致使軋機(jī)機(jī)架窗口拉大、重量增加，軋機(jī)自然剛性減小，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，舍棄方案10;

(4)比較方案20和方案30，方案20的斜楔角度 α=2．8624°，驅(qū)動(dòng)油缸的行程 X1=600 mm，方案30的斜楔角度α=1．9092°，驅(qū)動(dòng)油缸的行程X1=900 mm，可知方案30的斜楔驅(qū)動(dòng)油缸的行程較方案20的長，軋線調(diào)整響應(yīng)慢，且其剛性較方案20的剛性差，故舍棄方案30。

綜上所述，選取方案20，從而確定出斜楔角度 α=2．8624°，斜楔驅(qū)動(dòng)油缸的行程 X1=600 mm。

3．2．2 階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸行程X2的確定

為確定階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸行程，需要引入單級階梯墊長度，單級階梯墊長度主要由軋機(jī)規(guī)格和上支撐輥軸承座尺寸等決定，泰鋼1 780 mm六輥UCM型單機(jī)架可逆冷軋機(jī)組的軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的單級階梯墊長度設(shè)計(jì)為150 mm。

所以，階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸的行程X2=K×L=5×150=750 mm。

3．3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗(yàn)算

將表1和表2中的有關(guān)數(shù)值帶入式(1)中，便可確定出軋制線標(biāo)高需要的最大調(diào)整量為ΔHmax=ΔDWmax+ΔDImax+ΔDBmax/2+DLW+DWI+DIB=50+50+100/2+10+10+10=180 mm，斜楔在全行程上的調(diào)整量為Y1=X1×tanα=600×0．05=30 mm，階梯墊在全行程的調(diào)整量為K×ΔHmax=Y1+K×Y2=180 mm，故該斜楔與階梯墊復(fù)合式軋制線調(diào)整裝置的調(diào)整能力完全滿足該機(jī)組軋制線標(biāo)高調(diào)整的要求。

由于Y1=Y2=30 mm，即斜楔在全行程上的調(diào)整量為階梯墊的一級階躍，即斜楔與任一級階梯墊配合均可實(shí)現(xiàn)全行程內(nèi)的無級調(diào)整。

斜楔角度為 α =2．8624°<<8．53°(自鎖角)，故斜面完全能夠?qū)崿F(xiàn)可靠自鎖。

4 軋線實(shí)時(shí)調(diào)整應(yīng)用

本軋線調(diào)整裝置的調(diào)整模式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。

4．1 手動(dòng)模式

在手動(dòng)模式下，通過手動(dòng)旋鈕，在比例閥控制下，油缸帶動(dòng)斜楔及階梯墊在全行程內(nèi)任意方向移動(dòng)，此模式僅用在調(diào)試或設(shè)備檢修時(shí)用。

4．2 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式是本裝置的核心調(diào)整模式，其通過斜楔和階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸的內(nèi)置式位移傳感器進(jìn)行檢測與控制。當(dāng)輥系以公稱直徑(最大直徑)在軋制線標(biāo)高處壓靠時(shí)，軋制線調(diào)整位置定作“0”位。換輥時(shí)應(yīng)將軋制線調(diào)整裝置中的斜楔及階梯墊提升到+Y處，換輥后為保證軋制線標(biāo)高不變，應(yīng)根據(jù)新輥直徑的變化對斜楔和階梯墊的位置進(jìn)行調(diào)整，所需軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的實(shí)時(shí)調(diào)整量記為

式中，H0為新輥壓靠后上支撐輥中心線到軋制線標(biāo)高處的距離，mm;DW為重磨后的上工作輥直徑，mm;DI為重磨后的上中間輥直徑，mm;DB為重磨后的上支承輥直徑，mm。

在該模式下，當(dāng)軋機(jī)換輥時(shí)，只需將重磨后的軋輥直徑輸入到計(jì)算機(jī)中并確認(rèn)后，控制程序便可按照式(7)計(jì)算出實(shí)時(shí)調(diào)整量H，再按照表3中的調(diào)整方案進(jìn)行斜楔與階梯墊合理組合，分別計(jì)算出斜楔驅(qū)動(dòng)油缸的水平位移ΔX1和階梯墊驅(qū)動(dòng)油缸的水平位移ΔX2，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。軋制線標(biāo)高自動(dòng)調(diào)整方案見表3。

表3 軋制線標(biāo)高自動(dòng)調(diào)整方案Table 3 Automatic adjustment scheme of pass-line

5 結(jié)語

采用斜楔與階梯墊復(fù)合式的軋制線調(diào)整裝置對軋制線標(biāo)高進(jìn)行標(biāo)定，其結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟可靠，調(diào)整精確，響應(yīng)速度快，有效地實(shí)現(xiàn)了冷軋機(jī)的軋線標(biāo)高大行程的快速化分級調(diào)整與微量無級調(diào)整的結(jié)合。目前，該裝置在設(shè)備中運(yùn)行平穩(wěn)可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其成功開發(fā)及應(yīng)用為開發(fā)大調(diào)節(jié)量的軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置提供了理論依據(jù)，尤其對大型寬帶鋼四、六輥單機(jī)架和冷連軋機(jī)組中的軋制線標(biāo)高調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有應(yīng)用參考價(jià)值。

［1］ 王廷溥．板帶材生產(chǎn)原理與工藝［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［2］ 鄒家祥．軋鋼機(jī)械(第3版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2000．

［3］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第4版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．