黃寧

(北京大學(xué)圖書館，北京 100871)

0 前言

國內(nèi)某軋鋼廠使用的是中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司生產(chǎn)的3 500 mm中厚板單機(jī)架四輥可逆式軋機(jī)，軋機(jī)通過正反轉(zhuǎn)多道次對(duì)加熱出爐的鋼坯進(jìn)行開坯和精軋，軋制過程中伴隨較大的軋制沖擊力。該型號(hào)軋機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)能是60萬噸/年，通過對(duì)設(shè)備、工藝和生產(chǎn)組織等進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，實(shí)際產(chǎn)能約達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能的2倍。產(chǎn)能持續(xù)攀升的最基礎(chǔ)保障之一是設(shè)備?？焖俚纳a(chǎn)和高頻的軋制是原設(shè)計(jì)未能考慮到的。尤其是軋機(jī)壓緊缸因受巨大沖擊力，經(jīng)常出現(xiàn)泄漏故障停機(jī)制約生產(chǎn)。為有效釋放產(chǎn)能，必須解決壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)設(shè)備瓶頸問題。

1 壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)功能說明

該型號(hào)軋機(jī)壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：(1)軋制過程的平衡狀態(tài)，該狀態(tài)在壓緊和彎輥功能間切換，壓緊時(shí)，DT7、DT9失電彎輥伺服系統(tǒng)退出工作，DT2、DT4、DT6得電，液壓缸無桿腔進(jìn)油，工作壓力切換為18 MPa，液壓缸提供足夠的壓靠力使工作輥與支撐輥緊密接觸并產(chǎn)生足夠摩擦力帶動(dòng)支撐輥轉(zhuǎn)動(dòng)；彎輥時(shí)，DT3、DT5得電壓緊功能退出，DT2、DT7、DT8、DT9、DT10得電，無桿腔工作壓力切換到31.5 MPa，液壓伺服系統(tǒng)投入使用，在提供可靠壓緊力的基礎(chǔ)上，通過正彎和負(fù)彎輥糾正因軋制力變化引起的軋輥?zhàn)冃螌?duì)板形的影響；(2)工作輥換輥過程的伸、縮狀態(tài)，換輥抽出工作輥前，DT1、DT3、DT5得電，其余失電，壓緊缸活塞桿執(zhí)行縮回動(dòng)作，在更換裝回工作輥后，DT2、DT4、DT6得電，其余失電，液壓缸活塞桿執(zhí)行伸出動(dòng)作。液壓原理如圖1所示。

圖1 軋機(jī)壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要控制和執(zhí)行元件相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 軋機(jī)壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)主要元件

壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件由8個(gè)液壓缸缸塊組成，每個(gè)缸塊上集成2個(gè)雙作用液壓缸，上、下壓緊缸缸塊分別安裝在上支承輥軸承座和軋機(jī)牌坊上，如圖2所示。

圖2 軋機(jī)輥系示意

2 軋制過程中壓緊缸受力分析

2.1 軋輥受力分析

四輥可逆式軋機(jī)在正、逆向軋制咬入和拋出鋼坯過程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的軋制沖擊力和軸向竄輥力。軋制鋼坯過程中受力如圖3所示。

圖3 正、逆向道次軋制受力分析

上工作輥垂直方向力平衡方程為

=+2

經(jīng)分析，在軋機(jī)咬入鋼坯瞬間，軋制力從零階躍上升為，并在軋制過程中持續(xù)波動(dòng)。軋制力主要由上支撐輥的支撐力平衡掉，迅速上升；與此同時(shí)，軋機(jī)彎輥液壓系統(tǒng)發(fā)揮作用，一方面要通過彎輥力補(bǔ)償工作輥?zhàn)冃?，另一方面因軋輥輥形變化，壓緊缸活塞桿被迅速壓迫微量回縮產(chǎn)生壓力脈沖。在軋機(jī)拋鋼瞬間，=0，上工作輥迅速恢復(fù)彈性形變，壓緊缸活塞桿回縮量減小，無桿腔壓力瞬間變小，恢復(fù)正常彎輥?zhàn)饔?，達(dá)到平衡狀態(tài):

=2

正向軋制時(shí)，上工作輥水平方向力平衡方程為

=+

式中：為軸向力;為軋輥和鋼坯間摩擦力;為軸向擋板阻力。逆向道次軋制時(shí)軸向力大小相等，方向相反。軋制力、軸向力和彎輥力變化如圖4所示。

圖4 正、逆向道次軋制力p、軸向力F和彎輥力N曲線

3 壓緊/彎輥液壓系統(tǒng)主要問題及解決方案

3.1 取消彎輥?zhàn)饔?/h3>

3.1.1 主要問題分析

壓緊缸彎輥液壓系統(tǒng)的工作壓力為31.5 MPa，核心控制元件為2個(gè)射流管式伺服閥。彎輥系統(tǒng)通過施加外力使工作輥產(chǎn)生正彎或負(fù)彎，以補(bǔ)償因軋制力導(dǎo)致工作輥?zhàn)冃味鴮?duì)鋼板板形產(chǎn)生的影響。但彎輥系統(tǒng)在實(shí)際使用中存在兩個(gè)問題：(1)工作壓力較高，壓力脈沖易造成液壓缸密封損壞、活塞桿壓堆等情況，對(duì)使用壽命不利；(2)對(duì)液壓油的清潔度要求較高、故障率較高，故障處理較為復(fù)雜且維護(hù)成本較大。

3.1.2 解決方案

在對(duì)中厚板產(chǎn)品定位分析的基礎(chǔ)上，決定取消彎輥?zhàn)饔谩?duì)因此而產(chǎn)生的對(duì)板形和同板差的影響，則通過兩條措施來彌補(bǔ)：(1)在軋輥磨削的過程中，取消異形輥，工作輥和支撐輥均采用平輥來改善對(duì)板形的控制；(2)將AGC(厚度自動(dòng)控制)液壓系統(tǒng)的蓄能器就近設(shè)置在軋機(jī)AGC液壓缸旁邊，提高AGC液壓缸的快速響應(yīng)速度，以實(shí)現(xiàn)軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)厚度偏差，控制響應(yīng)速度以滿足同板差要求。

通過技術(shù)改造取消了彎輥僅保留壓緊功能，系統(tǒng)控制方式由液壓伺服系統(tǒng)根據(jù)板形等因素進(jìn)行壓力瞬間補(bǔ)償?shù)姆绞秸{(diào)整變成約18 MPa的恒壓輸出模式，取消伺服閥，將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為普通電液換向閥，控制壓緊缸活塞伸出壓緊和收回松開動(dòng)作，降低系統(tǒng)故障率。取消彎輥?zhàn)饔煤髩壕o缸彎輥力變化如圖5所示。

由圖5可知：在取消彎輥?zhàn)饔煤?，軋機(jī)壓緊缸的工作壓力整體下降了約13 MPa，工況有了較大的改善。改造后系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 取消彎輥?zhàn)饔煤髩壕o缸正、逆向道次軋制時(shí)壓緊缸壓緊力變化曲線

圖6 取消彎輥?zhàn)饔煤筌垯C(jī)壓緊液壓系統(tǒng)原理

3.2 改造液壓缸控制油路

3.2.1 主要問題分析

原設(shè)計(jì)每個(gè)壓緊缸缸塊上集成有2個(gè)雙作用液壓缸，通過缸塊和集油塊，同一缸塊上2個(gè)液壓缸有桿腔對(duì)有桿腔、無桿腔對(duì)無桿腔兩兩互通并分別連接在同一根液壓油管上。除2根分別連通液壓缸有桿腔和無桿腔的液壓膠管外，液壓缸集油塊上還有1根膠管經(jīng)缸體直通液壓缸與工作輥接觸的滑板，為液壓缸滑板輸送潤滑脂以確保與工作輥滑板間的良好潤滑。軋機(jī)原設(shè)計(jì)壓緊缸裝配體剖面圖如圖7所示。

圖7 軋機(jī)原設(shè)計(jì)壓緊缸裝配體剖面圖

壓緊缸裝配體由缸塊和集油塊兩大部分組成，集油塊上3根油管兼顧了液壓缸壓力供給和外滑板潤滑功能，與快速接頭連接，故障或換輥時(shí)可實(shí)現(xiàn)膠管快速插拔。在實(shí)際使用過程中，只要同一缸塊上有1個(gè)液壓桿密封損壞漏油，拔掉該液壓塊的2個(gè)液壓膠管快速接頭后，另一個(gè)正常的液壓缸也可退出工作。這樣導(dǎo)致工作輥4個(gè)角壓靠力缺少了一個(gè)角，影響到軋機(jī)的正常軋制，只能被迫停機(jī)檢修。

3.2.2 解決方案

通過分析，工作輥上機(jī)后根據(jù)產(chǎn)量平均2～3個(gè)班次更換一次，因此，每次新工作輥上機(jī)使用前，備輥時(shí)在工作輥軸承包滑板上涂抹潤滑脂即可滿足使用期間潤滑需要。這樣3根膠管中的輸送滑板潤滑脂的膠管完全可以取消而改為液壓膠管。通過對(duì)集油塊內(nèi)部油路改造，實(shí)現(xiàn)同一缸塊上3根膠管中的2根分別向2個(gè)液壓缸無桿腔獨(dú)立供油，剩余1根膠管由2個(gè)有桿腔共用保持不變。當(dāng)某個(gè)油缸故障時(shí)，可以拔出該油缸無桿腔的快速接頭，另一個(gè)油缸還可維持正常工作。實(shí)踐證明無特殊情況單缸工作穩(wěn)定性也較高，特護(hù)使用條件下完全可以維持到檢修時(shí)間。上述優(yōu)化改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)無桿腔獨(dú)立供油，解決同一缸塊上單缸失效后仍可維持生產(chǎn)的問題。改造后壓緊缸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 改造后壓緊缸裝配體剖面

3.3 單雙作用液壓缸切換

3.3.1 主要問題分析

在軋制過程中，因壓緊缸活塞桿直接作用在軋機(jī)工作輥軸承包上，巨大的軋制沖擊力和軋輥軸向竄動(dòng)力會(huì)通過工作輥直接傳遞到壓緊缸的活塞桿上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)活塞桿的密封先于活塞密封損壞的情況?；钊麠U端密封損壞后，尤其是在換輥時(shí)，因有桿腔背壓從3 MPa切換到18 MPa，將出現(xiàn)端蓋液壓油呈噴射狀泄漏的情況。

3.3.2 解決方案

為解決不同位置密封使用生命周期不匹配的問題，通過分析，在軋制過程中，活塞缸有桿腔3 MPa的背壓起潤滑和穩(wěn)定活塞桿的作用。在換輥過程中，有桿腔壓力從3 MPa切換到18 MPa，無桿腔回油，活塞桿執(zhí)行縮回動(dòng)作。而實(shí)際換輥時(shí)，上壓緊缸活塞桿可靠上工作輥?zhàn)灾貕夯?，下壓緊缸活塞桿可靠下輥系抬升梁提升動(dòng)作壓回，故壓緊缸有桿腔在漏油嚴(yán)重的情況下，通過改造增加手動(dòng)換向閥，液壓缸可手動(dòng)切換到單作用柱塞缸的狀態(tài)，活塞桿靠換輥過程中輥系運(yùn)動(dòng)外力強(qiáng)制縮回。這樣，在活塞桿端蓋密封損壞而活塞密封正常的情況下，液壓缸仍可正常工作，避免端蓋密封泄漏消耗大量液壓油而必須停機(jī)處理的問題。壓緊缸有桿腔密封在正?；驌p壞漏油情況下，更換工作輥的工作流程如圖9所示。

圖9 更換軋機(jī)工作輥流程

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，正常狀態(tài)下壓緊缸作為雙作用液壓缸使用，手動(dòng)換向閥在SD2位置。有桿腔漏油后，手動(dòng)動(dòng)作換向閥切換到SD1位置切斷有桿腔供油，雙作用壓緊缸作為單作用缸使用，有桿腔直接回油后，即使在活塞桿端蓋密封損壞嚴(yán)重的情況下，軋輥冷卻水也不會(huì)通過液壓缸端蓋進(jìn)入液壓系統(tǒng)導(dǎo)致液壓油乳化。在輕微向有桿腔串油但能建立正常工作壓力的情況下，串到有桿腔的液壓油因不帶壓而不會(huì)從有桿腔液壓缸端蓋溢出，而是經(jīng)由有桿腔油管回油箱。即使在有桿腔漏油并向無桿腔輕微串油的情況下，壓緊缸仍然可以維持工作。針對(duì)下壓緊缸可在下輥系提升時(shí)強(qiáng)制縮回，但在后續(xù)換輥過程中可能因自重伸出影響換輥的情況，可給8個(gè)下壓緊缸增設(shè)復(fù)位彈簧，保證換輥過程活塞桿保持縮回狀態(tài)的可靠性。復(fù)位彈簧作為改造后如出現(xiàn)活塞桿被下輥系壓回后在自重下掉出的解決方案，但改造后使用過程中，活塞密封的阻力能可靠地保持活塞在縮回時(shí)狀態(tài)不變，因此如圖10中所示，彈簧為虛線，表示在該系統(tǒng)中擬實(shí)施但未予實(shí)施。改造后系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 取消彎輥?zhàn)饔貌?yōu)化有桿腔控制油路后軋機(jī)壓緊液壓系統(tǒng)原理

改造后系統(tǒng)主要控制元件型號(hào)如表2所示。

表2 優(yōu)化改造后軋機(jī)壓緊液壓系統(tǒng)主要元件

3.4 密封型式優(yōu)化改進(jìn)

3.4.1 主要問題分析

壓緊缸同一缸塊上如果出現(xiàn)某一液壓缸活塞與缸體間密封損壞無法工作，或集油塊與缸塊配合面上無桿腔O形密封圈損壞漏油，就必須在此液壓缸縮回狀態(tài)拔掉無桿腔快速接頭膠管，單缸工作。這種狀態(tài)下，在換工作輥背壓從3 MPa切換到18 MPa執(zhí)行縮回動(dòng)作時(shí)，如有桿腔向無桿腔密封失效串油，則活塞桿會(huì)在壓差作用下執(zhí)行反向伸出動(dòng)作。這時(shí)，就必須將無桿腔快速接頭插回，保持無桿腔正?；赜筒拍苁够钊麠U縮回，增加換輥時(shí)插回和再次拔出膠管快速接頭的操作。有桿腔端蓋和有桿腔封無桿腔的密封出現(xiàn)損壞，均可通過將液壓缸控制油路手動(dòng)切換到單作用狀態(tài)來解決，但某一無桿腔活塞密封一旦損壞，該液壓缸只能退出工作。由此可見，提高無桿腔密封可靠性，即可提高液壓缸工作可靠性，延長使用時(shí)間，增加有效生產(chǎn)時(shí)間。

3.4.2 解決方案

原設(shè)計(jì)活塞兩側(cè)為兩個(gè)階梯封，分別封有桿腔和無桿腔，活塞中間為導(dǎo)向套。為提高無桿腔工作可靠性，通過優(yōu)化，將封有桿腔的階梯封改為斯特封，既封有桿腔，也封無桿腔。這樣無桿腔密封由原來1道變成2道，有桿腔密封保持1道不變，整體使用效果得到較大提升。在此基礎(chǔ)上，為繼續(xù)提高壓緊缸密封使用效果，制定了活塞無桿腔再增加一道斯特封的方案，這樣，1道階梯封和2道斯特封用于封無桿腔。無桿腔密封將由最初的1道變成3道。2道斯特封封有桿腔，有桿腔密封由原來的1道增加為2道，大大改善了密封的使用效果。此方案因前期優(yōu)化改造使用效果較好，受后來產(chǎn)線停產(chǎn)等因素影響未能予以實(shí)施，具體方案如圖11所示。

圖11 壓緊缸活塞桿局部剖面圖

壓緊缸工作工況較為惡劣，此前因國產(chǎn)密封使用壽命非常短而不得不采用進(jìn)口艾志密封。通過對(duì)壓緊缸液壓系統(tǒng)不斷優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)改變密封型式，為國產(chǎn)密封上機(jī)使用創(chuàng)造了條件。國產(chǎn)密封采用了新型耐磨材料，主要成分有銅粉和纖維，替代進(jìn)口密封之后使用壽命與之相當(dāng)，甚至更加耐用，大幅節(jié)省了成本，提高了性價(jià)比。

4 結(jié)語

原設(shè)計(jì)產(chǎn)能在達(dá)產(chǎn)后仍不斷提高，設(shè)備負(fù)荷遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，運(yùn)行工況更為復(fù)雜、惡劣。為突破設(shè)備因素導(dǎo)致的產(chǎn)能拓展瓶頸，通過不斷優(yōu)化改造確保為生產(chǎn)提供有力的保障。首先，取消液壓系統(tǒng)彎輥僅保留壓緊作用，降低了工作壓力和系統(tǒng)維護(hù)要求，改善了壓緊缸的使用工況；在此基礎(chǔ)上，通過改造成功實(shí)現(xiàn)同一缸塊上兩個(gè)液壓缸無桿腔供油相對(duì)獨(dú)立；而后，在液壓缸有桿腔密封失效的情況下，利用換輥輥系動(dòng)作可回壓緊缸活塞桿取消有桿腔供油，液壓缸由雙作用切換為單作用工作模式；最后，根據(jù)實(shí)際使用需求調(diào)整活塞密封方向和布置，提高活塞測(cè)密封工作的可靠性。

以上措施是為了適應(yīng)新的產(chǎn)能要求而進(jìn)行的一系列優(yōu)化改造，大大提高了壓緊缸的使用時(shí)間，每年可大量節(jié)約液壓油和密封費(fèi)用，有利于解決中厚板熱軋軋機(jī)壓緊缸漏油一般性問題，尤其是在壓緊缸有桿腔密封損壞無法正?？s回的情況下，手動(dòng)切換換向閥，油缸由雙作用切換為單作用，利用上、下輥系運(yùn)動(dòng)外力壓回活塞桿，在實(shí)際生產(chǎn)中有較好的參考價(jià)值。也可據(jù)此在設(shè)計(jì)中探索利用輥系或彈簧實(shí)現(xiàn)壓緊缸活塞桿復(fù)位，研究單作用彎輥缸在中厚板熱軋軋機(jī)上的應(yīng)用。