高 克

(中鋁上海銅業(yè)有限公司,上海 200940)

0 前 言

ANDRITZ四輥可逆冷軋機(jī)用來生產(chǎn)銅及銅合金板帶材，通常將厚度為12.5 mm的板帶材軋至2.5 mm,整個(gè)軋程由10個(gè)道次組成.在軋機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)工作輥傳動(dòng)軸保險(xiǎn)銷時(shí)常斷裂,總感覺軋輥有軸向竄動(dòng),即在軋制過程中有軸向力的存在,進(jìn)而導(dǎo)致保險(xiǎn)銷經(jīng)常損壞.工作輥傳動(dòng)系統(tǒng)是否存在較大軸向力？這些軸向力是軋機(jī)設(shè)備本身設(shè)計(jì)的問題，還是由于其他各種外在因素造成的？如何避免之？在生產(chǎn)實(shí)踐中，這些問題時(shí)常困擾著現(xiàn)場管理人員.本文試圖通過以下討論和分析,梳理相關(guān)影響因素,確定保險(xiǎn)銷時(shí)常斷裂的真實(shí)原因.

1 設(shè)備本身分析

通過機(jī)組組成的各個(gè)部件,判斷有無可能產(chǎn)生軸向力.圖1(見下頁)是ANDRITZ四輥可逆軋機(jī)的組成情況.

ANDRITZ軋機(jī)分為三個(gè)組成部分:

(1) 主電機(jī)及傳動(dòng)裝置:二級(jí)減速齒輪箱.齒輪選用人字型輪齒,軸承選用四列滾柱徑向軸承,無止推軸承,故該部分機(jī)構(gòu)不可能產(chǎn)生軸向力.

(2) 連接軸與聯(lián)軸器(含保險(xiǎn)銷):連接軸兩端做成萬向聯(lián)軸器的叉頭,這樣可以傳遞較大的扭矩.因?yàn)檫B接軸主要就是傳遞扭矩的,因此，這部分的機(jī)件也不可能產(chǎn)生軸向力[1].

(3) 機(jī)架及軋輥:軋輥制成近似直輥，雖略有弧度,但運(yùn)轉(zhuǎn)過程中只有連接軸送來的扭矩、壓下設(shè)備的壓下力和軋制工件的軋制力，都通過軋輥中心線(軸線)并與之垂直,故也不可能產(chǎn)生軸向力.

圖1 ANDRITZ軋機(jī)組成Fig.1 Composition of ANDRITZ rolling mill

從設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)本身分析,理論上是沒有軸向力的.這也是一般軋制設(shè)備課程中很少談起軸向力的原因.然而,事實(shí)上設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中工作輥有軸向位移,其來源只能是外在其他原因或人為因素形成的.

2 幾種可能的軸向力

2.1 各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)不同和操作不當(dāng)引起之軸向力

ANDRITZ軋機(jī)設(shè)備軋制成材要經(jīng)過10道次,前幾道次用了導(dǎo)向槽,軸向位移較小,而后幾個(gè)道次不用導(dǎo)向槽,則位移明顯.因?yàn)椴挥脤?dǎo)向槽,邊緣上的點(diǎn)與軋制面中央的點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)不同.如圖2所示.

圖2 軋制過程Fig.2 The rolling process

(1) 左邊緣上的A點(diǎn)(見圖3(a)),受力狀態(tài)為:z向有軋制力,是正壓力.x向有前后張力,是正拉力;y向無阻攔,工件經(jīng)軋、拉在y向可自由延伸,故σy=0.

(2) 中央B點(diǎn)(見圖3(b)):z向、x向同(1).但中央不能自由延伸,有阻攔.故y方向的線應(yīng)變?chǔ)舮=0.因而在y方向必有應(yīng)力σy(壓應(yīng)力)的存在,而軋制件的接觸物只有軋輥,此力必然是軋輥的作用.其反作用力則作用在軋輥上,且是沿軋輥的軸線.

根據(jù)虎克定律:

(1)

式中:σz是z向壓力(負(fù)),σx是張力(正),μ是材料的泊桑比,E是拉壓彈性模量.σy=μ(σz+σx),因?yàn)閨σz|>|σx|，所以σy是負(fù)值,在軋輥上的軸向力為左指向.

(3) 右邊緣上的C點(diǎn):與左邊緣上的A點(diǎn)相同.但在BC段上產(chǎn)生的軸向力與AC段指向相反.故,理想情況是整個(gè)板沿軸向之力互相平衡.所以,軸向力P軸=P軸左=P軸右=0,即不會(huì)產(chǎn)生軸向力.

圖3 軋制過程各點(diǎn)受力狀況Fig.3 Loading conditions of the rolling process

但如果操作不當(dāng),兩邊不用導(dǎo)向槽,使得板的中心線與軋輥縱向中心線不重合,即兩中心線有差值,在兩端由應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的軸向力的長度不同,則P軸左≠P軸右,就產(chǎn)生了P軸.這是人為因素.但顯而易見P軸一般不會(huì)很大.這是第一種由人為因素形成的軸向力(P軸1).

2.2 軋制件的厚度不均(即δ1有較大公差)或軋輥調(diào)整不當(dāng)所引起的軸向力

(1) 由于軋輥調(diào)整本身有傾斜,如圖4(見下頁).當(dāng)工件被咬入后,壓力總是垂直于法面,即力的方向總是沿接觸面的法面方向,分析后認(rèn)為,有軸向力產(chǎn)生(P軸2).

圖4 軋輥調(diào)整本身傾斜Fig.4 The roll adjust itself tilt

(2) 即使調(diào)整軋輥正確,符合軋制時(shí)輥型曲線,但由于軋件咬入時(shí),軋件原始δ1不均,也會(huì)造成軋輥的傾斜,如圖5.與圖4情況相同也會(huì)產(chǎn)生軸向力,當(dāng)然軸向力P軸2不會(huì)太大.

圖5 軋件厚度不均Fig.5 The uneven stock height

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知,還有其他一些因素導(dǎo)致軸向力的產(chǎn)生.如:上下輥的材質(zhì)不同,其上下輥的彈性變形不同,而產(chǎn)生軸向力;生產(chǎn)過程中,通過采用彎輥軋制的辦法來達(dá)到金屬流動(dòng)的一致而控制橫向公差,但往往由于軋件與軋輥不在一條中心線上,或者對中出現(xiàn)故障,而使得軋件跑偏,從而出現(xiàn)與圖5相類似的情況,也同樣會(huì)產(chǎn)生軸向力.

研究這些產(chǎn)生軸向力的因素，是為了判斷其對設(shè)備的機(jī)件強(qiáng)度是否構(gòu)成威脅,能否保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行.

3 軸向力對生產(chǎn)構(gòu)成的安全問題

軋輥的軸向移動(dòng),最直接損壞的構(gòu)件往往是連接軸的安全銷.以下著重從安全銷的強(qiáng)度來進(jìn)行研究軸向力的影響因素及預(yù)計(jì)改進(jìn)措施.

因?yàn)槭鞘艿杰堉乒に囋O(shè)計(jì)或人為控制因素形成的,無一定的規(guī)律可循,且情況變化多、影響因素多,因而要定量地計(jì)算這些軸向力非常困難,甚至是不可能的,故只能作定性分析,針對各種情況提出改進(jìn)措施,使其控制在一定范圍內(nèi),以免造成損失.

假設(shè)在軋輥上有軸向力P軸,則連接軸上也有P軸,在安全銷上產(chǎn)生的受力狀況，如圖6.

圖6 安全銷的受力狀態(tài)Fig.6 The stress state of the shear pin

安全銷上的應(yīng)力為剪切應(yīng)力[2]:

(雙剪)

(2)

式中,A剪為受剪面積,A剪=1/4πd2,d為安全銷的直徑.強(qiáng)度條件τ′≤[τ],[τ]為剪切許用應(yīng)力.

由于P軸較小,剪切構(gòu)不成安全威脅,故軸向力不是主要原因.

安全銷直徑的選擇通常按軸的直徑進(jìn)行選取,一般不計(jì)算.本連接軸是用來傳遞較大扭矩的,故另一個(gè)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力則可能對安全銷強(qiáng)度校核構(gòu)成隱患.該扭矩在安全銷上的剪切,剪力的大小為:

(3)

因?yàn)殡p剪,應(yīng)力方向與τ′垂直,應(yīng)力大小為[2]:

(4)

由于Q?P軸,所以τ″?τ′.這時(shí)的安全銷強(qiáng)度條件為τ″<[τ],這是安全銷損壞的主要因素.

平時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因設(shè)計(jì)計(jì)算,強(qiáng)度須作校核,故均能滿足,但當(dāng)一些意外原因造成事故時(shí),總能看到有軸向移動(dòng),其原因是:

附加力矩(扭矩)M扭=Jε,J為軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性.

(7)

(2) 當(dāng)厚度不均時(shí),則軋制時(shí)Q必須增加,由此,壓下力P必增大,扭矩也增大,τ″隨之增大,安全銷的危險(xiǎn)性也隨之增大.

綜上所述,造成安全銷損壞的主要原因是剪應(yīng)力,而此剪應(yīng)力表面上分析是因?yàn)檩S向力而產(chǎn)生,實(shí)際上是多種外在因素造成扭矩增大所致.

4 克服軸向力和剪切力的常用方法

雖然有軸向力,進(jìn)而產(chǎn)生剪切力而致部件損壞,影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行.但軸向力是可控的.常規(guī)使用的方法有以下幾種.

(1) 由于人為造成的因素不可避免,或多或少要產(chǎn)生軸向力,為防止軋輥的軸向移動(dòng),在工作輥處增設(shè)一些止推措施.如安裝止推軸承及軋機(jī)上安裝止推盤,但安裝這些設(shè)備會(huì)增加成本.

(2) 制訂正確的工藝規(guī)程,增加檢驗(yàn)頻次,嚴(yán)把檢驗(yàn)關(guān),也可減少軸向移動(dòng),如輥型曲線的調(diào)整,工件與輥?zhàn)拥膶χ械?要指導(dǎo)操作人員盡量減少短時(shí)扭矩增加,如控制開機(jī)、停機(jī)、轉(zhuǎn)換向的最少時(shí)間.

(3) 嚴(yán)格控制軋制進(jìn)料的平整度與厚度的縱向一致性,防止軋制中單邊傾斜而導(dǎo)致壓下受力不均,引起軸向位移,造成上述不必要的后果,保持生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性.

(4) 控制軋制總噸位.人為控制壓下量增大，保證軋輥非正常傾斜,以減少軸向力的產(chǎn)生對保險(xiǎn)銷的作用.ANDRITZ軋機(jī)公稱軋制噸位是850 t,以往由于各種原因?qū)е卤ｋU(xiǎn)銷經(jīng)常斷裂，將其限制在小于700 t以后,這種現(xiàn)象大為減少.

(5) 嚴(yán)格控制軋機(jī)部件的裝配精度,特別是軸承座中所有的零件都必須按規(guī)定操作安裝到位,以避免由于安裝的不精細(xì)，導(dǎo)致在運(yùn)行中的不穩(wěn)定而引起軸向位移.

5 結(jié) 論

(1) 通過機(jī)械的各部分分析,理論上確定了設(shè)備本身設(shè)計(jì)時(shí)無軸向力產(chǎn)生的根據(jù),但實(shí)際生產(chǎn)過程中存在軸向力.

(2) 通過材料力學(xué)、彈性理論對連接軸、安全銷的應(yīng)力分析,其由扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力比軸向力對安全銷產(chǎn)生的剪切剪應(yīng)力大得多,安全銷的損壞是由于短時(shí)的扭矩增大而造成的.軸向位移只是錯(cuò)覺,而扭轉(zhuǎn)破壞才是造成軋機(jī)組件損壞的本質(zhì).

(3) 雖然存在軸向力和剪切力,但通過事先管理與嚴(yán)格現(xiàn)場操作是可以控制的.

參考文獻(xiàn):

[1] 楊尚卓.軋鋼機(jī)械設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1980.

[2] 古溪主.材料力學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2012：42-46.