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。通過對輥端支撐軸承的準(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水，避免打滑，拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 兩彎一矯式拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

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)械傳動的緣故，往往會呈現(xiàn)出不佳的板形[4]。拉伸彎曲矯直[5]的基本出發(fā)點(diǎn)是通過對鋼帶施加拉應(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率。對帶鋼伸長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，對于每種帶鋼張力T可以達(dá)到一個一定的最小曲率半徑，這曲率半徑在極限情況時與彎曲輥半徑相同，其中理論包角α是由拉伸輥的間距、直徑和壓下深度來確定的。彎曲輥壓下時，鋼板形成一種雙曲線彎曲，如圖2所示[6]。

圖2 一個彎曲輥范圍內(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為無應(yīng)力線的錯位，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。這種無應(yīng)力線的位移，目前還不能夠精確地計算出來。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。帶鋼交替彎曲時的塑性延伸是塑性壓縮與塑性伸長相加得到。這時調(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 用兩個彎曲輥和一個矯直輥拉伸時的塑性變形

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候工作輥往往會受到帶鋼復(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摪逍味嗌俅嬖诶诵巍⒙N曲，拉矯機(jī)輥盒在初裝時或長時間使用后，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)傳動的軸向力過大，超過輥端支撐軸承的承載能力，就會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，工作輥和中間輥在拉矯過程中都會產(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，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，并且哪一個輥端支撐軸承受力及受力的大小，都會隨上述因素的變化而發(fā)生變化，同時輥?zhàn)訅合律疃?、延伸率和拉矯張力越大，輥端支撐軸承的受力也越大，當(dāng)某一個軸承長時間受較大力作用時，就會出現(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，焊縫過來時，拉矯機(jī)自動微開，焊縫過后拉矯機(jī)自動關(guān)閉，這時，下彎曲輥盒脫落的輥?zhàn)訒舻絿娏芟到y(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D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、潤滑狀況、材料、軸承安裝時和輥端支撐體、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、潤滑狀況及軸承部件的制造和裝配誤差。針對輥端支撐軸承損壞的原因和對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,額定動載荷1 780 N。

圖7 BA6輥端支撐軸承

根據(jù)現(xiàn)場的跟蹤記錄(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，額定動載荷3 190 N。承載是原來的3.19/1.78≈1.79倍，壽命是原來的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，通過結(jié)構(gòu)改造在原來的圓柱支撐套上開槽，實(shí)現(xiàn)了在輥端發(fā)生翹曲時，也不會使支撐軸和支撐套接觸，也避免了徑向力的產(chǎn)生，延長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，所以必須對輥盒水平度和垂直度進(jìn)行檢測校正，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)控制采用二級給定參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)板形不良或拉矯痕缺陷時，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，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。

平時對每個拉矯機(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]，及時更換輥端支撐軸，同時當(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 效果評價

通過本文研究，并對拉矯機(jī)輥端支撐軸承的使用壽命進(jìn)行對比。如圖12所示為中間輥和工作輥軸頭異常磨損問題解決前后輥端支撐軸承的過鋼量的統(tǒng)計情況。從圖12中可知，2015年6月前對應(yīng)的平均過鋼量為2.3萬噸，問題解決后過鋼量為8.8萬噸，是原來的3.8倍，完全滿足在線連續(xù)使用3個月的要求。從而延長了輥盒的使用壽命和減少了勞動負(fù)荷的目的。

圖12 輥端支撐軸承對應(yīng)的過鋼量

6 結(jié)論

針對鍍鋅機(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，提高了市場競爭力。