1880熱軋SSP定寬機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

劉 松，廖永鋒

(寶鋼股份公司熱軋廠，上海 200941)

1 前言

目前，世界上生產(chǎn)的熱軋大側(cè)壓定寬機(jī)(SSP)主要由MH、IHI、SMSD三家公司生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各有不同。90年代中期，寶鋼1580熱軋是首次引進(jìn)日本IHI設(shè)計(jì)制造的大側(cè)壓定寬機(jī)，隨后在鞍鋼、武鋼等廠分別引進(jìn)了德國SMSD生產(chǎn)的大側(cè)壓定寬機(jī)。寶鋼1880熱軋引進(jìn)了日本MH(三菱日立生產(chǎn)的走停式大側(cè)壓定寬機(jī)，其結(jié)構(gòu)、功能等都與IHI、SMSD有很大不同。因此，本文對MH設(shè)計(jì)制造軋機(jī)的結(jié)構(gòu)包括牌坊定位、曲軸連接、減速機(jī)間隙控制進(jìn)行分析，制定維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2 SSP主要技術(shù)參數(shù)

側(cè)壓方式 走停式側(cè)壓方式

最大側(cè)壓量 350 mm

主馬達(dá) 1－AC3300 kW×550/650 r/min

最大軋制力 24.5 MN

側(cè)壓頻率 52次/min

最大板坯步進(jìn)長度 386.5 mm

減速機(jī)傳動比 1∶12.7

噪音 ＜95 dB

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 SSP牌坊

1880軋機(jī)SSP定寬機(jī)牌坊定位方式非常特殊，牌坊直接放置在底座上面，通過底座四塊止擋定位，無地腳螺栓固定。為預(yù)防牌坊斷裂故障發(fā)生，對牌坊定位的可行性進(jìn)行了理論分析，并對牌坊間隙提前加以跟蹤、控制。

出口側(cè)牌坊靠死牌坊底座止擋，入口側(cè)牌坊通過調(diào)整預(yù)留1～1.2 mm余量，保證牌坊熱脹冷縮變形。工作側(cè)牌坊靠死牌坊底座止擋，傳動側(cè)牌坊通過調(diào)整預(yù)留1～1.2 mm間隙，保證牌坊本體在軋制過程中的變形。

軋制力通過模塊、內(nèi)塊、外塊、曲軸完全作用在牌坊本體上，牌坊在軋制過程中發(fā)生彈性變形。假設(shè)牌坊結(jié)構(gòu)為實(shí)體，本體材料為SC450(JIS)，根據(jù)彈性變形階段虎克定律公式

式中，F(xiàn)為SSP牌坊在軋制過程中最大軋制力，F(xiàn)=24.5 MN;牌坊材料為SC450(JIS)，彈性模量E=206 GPa;L為牌坊長度，L=17.36 m;A為牌坊截面積，A=2.57×0.41=1.0537 m2。

計(jì)算得 ΔL=0.95 mm

SSP牌坊受力如圖1所示，牌坊在軋制過程中處于最大軋制力時，牌坊雙邊產(chǎn)生的變形量為0.95 mm。設(shè)備安裝時傳動側(cè)牌坊通過調(diào)整墊片預(yù)留1～1.2 mm間隙，而SSP牌坊通常軋制力為15 MN左右，所以SSP牌坊預(yù)留間隙是可以保證牌坊本體變形量的。由于定位擋塊安裝位置為牌坊中部，所以該部分預(yù)留間隙量并不考慮牌坊本體由于熱脹冷縮引起的變形量。

圖1 SSP牌坊受力圖Fig.1 Free-body diagram of stress for SSP housing

此種中間定位、兩邊控制牌坊變形量的控制方式，可以滿足軋機(jī)正常工作。同時此種牌坊在牌坊定位安裝間隙控制非常關(guān)鍵。如果間隙控制不良，將直接造成擋塊異常受力。

3.2 曲軸

曲軸組件由偏心軸、扇形齒、弧形板、連接臂、齒接手等幾個關(guān)鍵部件組成。曲軸通過連接臂、外塊、內(nèi)塊將大電機(jī)上的動力轉(zhuǎn)換成模塊的軋制力。曲軸弧形板、扇形齒是曲軸連接的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及受力情況分析非常重要。在外方某廠曾發(fā)生過由于尺側(cè)間隙控制不良，外塊弧形板異常磨損，造成扇形齒發(fā)生根切現(xiàn)象，并異常斷裂。有必要對曲軸弧形板、扇形齒的受力及運(yùn)動情況進(jìn)行分析，了解其受力及運(yùn)動特性，避免扇形齒根切情況發(fā)生。

3.2.1 弧形板、扇形齒結(jié)構(gòu)

弧形板、扇形齒結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為外塊往復(fù)直線運(yùn)動的關(guān)鍵部件，外塊弧形板與曲軸弧形板通過外塊平衡油缸緊緊貼在一起。在曲軸轉(zhuǎn)動過程中，由于兩弧形板之間的摩擦力存在，實(shí)現(xiàn)了曲軸連接臂由轉(zhuǎn)動向直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)化。

如圖2所示，兩邊弧形板之間的曲率分別為1792(外塊側(cè))和1408(曲軸側(cè))。扇形齒曲率與對應(yīng)弧形板曲率相等。扇形齒之間間隙通過碟簧調(diào)整，調(diào)整后在弧形板緊貼的情況下，保證扇形齒之間的間隙為0～0.858 mm。

圖2 扇形齒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sector gear

3.2.2 弧形板、扇形齒運(yùn)動分析

(1)擺動。在曲軸轉(zhuǎn)動過程中，由于弧形板摩擦力的存在，實(shí)現(xiàn)了曲軸連接臂由轉(zhuǎn)動向直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)化，而由于曲軸本身偏心量為86 mm，所以當(dāng)曲軸由上死點(diǎn)轉(zhuǎn)動到下死點(diǎn)的過程中，隨著曲軸弧形板上下擺動，曲軸扇形齒也做上下擺動往復(fù)運(yùn)動。按照相對運(yùn)動理論，曲軸弧形板相對于外塊弧形板做上下擺動。

(2)直線運(yùn)動。曲軸在左右死點(diǎn)交替轉(zhuǎn)動過程中，實(shí)現(xiàn)了整個部件的直線往復(fù)運(yùn)動。

(3)復(fù)合運(yùn)動。在曲軸轉(zhuǎn)動過程中，弧形板、扇形齒運(yùn)動為擺動與直線運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動。

3.2.3 受力分析

(1)軋制間歇中，弧形板之間由于外塊平衡油缸作用，產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)曲軸連接臂由轉(zhuǎn)動向直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)化。此時，弧形板之間僅僅承受摩擦力作用，扇形齒之間由于間隙的存在，本身并不承受力作用。受力分析如圖3所示。

式中，F(xiàn)a為外塊平衡油缸產(chǎn)生的作用力，壓力設(shè)定為10.8 MPa，經(jīng)過計(jì)算Fa=0～80 MN;f為弧形板之間摩擦系數(shù)，取0.1。

圖3 等鋼時弧形板受力簡圖Fig.3 Forced diagram of arc plate in idle interval

在軋制間歇，弧形板之間的摩擦力為FR=0.04 MN。

(2)軋制過程中，由于軋制力分力FP的存在(FP=Fa/2×sinγ)，導(dǎo)致弧形板之間可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。所以在弧形板之間設(shè)置扇形齒，其受力分析如圖4所示。

圖4 軋制過程中弧形板受力簡圖Fig.4 Forced diagram of arc plate in rolling period

(3)弧形板之間的滑動摩擦力

式中，F(xiàn)a1為油缸平衡力，假設(shè)油缸平衡力保持不變;Fa2為軋制力，最大軋制力為24.5 MN。單塊弧形板受力12.25 MN;

弧形板在軋制過程中承受的摩擦力為FR=1.23 MN。

(4)打滑條件

以最大軋制力作用為例，在軋制某瞬間軋制力產(chǎn)生的分力為

式中，sinγ=(0～86)/1270;取 sinγmax=0.0677。

弧形板之間的最大靜摩擦力(與滑動摩擦力近似相等)為FR=1.23 MN

弧形板發(fā)生打滑的條件為FP≥FR，所以弧形板之間的摩擦力保證了弧形板之間不發(fā)生打滑現(xiàn)象。

在軋制過程中，如果發(fā)生打滑現(xiàn)象，扇形齒的受力計(jì)算公式為

計(jì)算得扇形齒單齒受力0.205 MN

扇形齒在曲軸動作過程中并不承受軋制力作用，也不是保證曲軸動作轉(zhuǎn)化的主要部件，扇形齒之間的嚙合有效地制止了弧形板之間的打滑現(xiàn)象。由于弧形板本體存在磨損、擠壓失效形式，當(dāng)弧形板本體發(fā)生磨損、擠壓變形之后，扇形齒磨損會隨之加大(由于碟簧的存在扇形齒之間不會發(fā)生猛烈沖擊)，同時由于弧形板磨損后扇形齒間不斷靠近，甚至發(fā)生根切，所以制定弧形板磨損量為4 mm，同時制定扇形齒的磨損極限是0.7 mm。

3.3 主減速機(jī)

SSP主減速機(jī)通過兩級齒輪傳動，傳動總速比為1∶12.27，兩齒輪箱通過同步中間軸連接，同步軸兩端設(shè)置飛輪，減少扭振。基于1580軋機(jī)SSP定寬機(jī)主減速機(jī)在齒輪側(cè)隙方面的經(jīng)驗(yàn)，其噪音主要來自上部主傳動減速機(jī)，主要原因是主減速機(jī)齒側(cè)間隙過大。齒側(cè)間隙為0.8～1.6 mm。因此，熱軋主減速機(jī)設(shè)計(jì)時在齒輪制造精度、間隙的控制上進(jìn)行了改進(jìn)，確定齒輪精度為JIS 2級，齒側(cè)間隙按以下控制:傘齒輪0.48～1.00 mm;一級斜齒輪0.48～1.00 mm;二級斜齒輪0.60～1.00 mm。

4 結(jié)束語

(1)弧形板的失效形式主要有兩種，擠壓和磨損，兩種失效形式導(dǎo)致弧形板在使用過程中尺寸不斷減小。因此，在維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中制定弧形板的變形、磨損的極限是4 mm。

(2)針對設(shè)計(jì)方MH提供弧形齒在外方某廠發(fā)生斷裂的故障，寶鋼熱軋廠每年進(jìn)行解體檢查，檢查弧形板磨損量、扇形齒磨損痕跡確認(rèn)、扇形齒磨損量進(jìn)行控制，避免發(fā)生由于管控不到位造成扇形齒斷裂事故。

(3)1880熱軋SSP定寬機(jī)主減速機(jī)采用小側(cè)隙結(jié)構(gòu)，對于降低主減速機(jī)噪音、反打齒都起到良性作用，但小側(cè)隙結(jié)構(gòu)對于齒輪之間的潤滑要求較高。經(jīng)過兩年左右時間運(yùn)轉(zhuǎn)，對減速機(jī)解體檢查，發(fā)現(xiàn)該減速機(jī)情況良好。

［1］ 潭慶昌，趙洪志．機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2002，9．

［2］ 徐灝，余俊．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

［3］ 中國金屬學(xué)會熱軋板帶學(xué)術(shù)委員會．中國熱軋寬帶鋼軋機(jī)及生產(chǎn)技術(shù)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2002．