雙輥系高強度板冷矯直機設計

聶建輝，趙 崠，荊翠妮，張衛榮

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

0 前言

面對市場對普通板材需求飽和，高強度鋼板需求旺盛且利潤較高的現狀，武鋼二熱軋薄板廠計劃通過技術升級將普通鋼板生產線轉變為高強度鋼板（屈服強度最高1 200 MPa）生產線。該廠現有七輥矯直機作為該生產線機組最重要的設備，但此設計矯直能力不足，無法滿足高強度產品更新換代以及板材規格、板材材料和厚度范圍等參數的要求，存在“厚板矯不動，薄板矯不直”的現象。經過理論分析計算和現場考察得出，隨著板材強度的提高，由于矯直機輥子直徑和萬向軸強度限制，單臺矯直機無法滿足其3～25.4 mm厚度范圍的矯直性能要求，只能將厚度劃分為3～10 mm和10～25.4 mm利用九輥和十三棍兩臺矯直機實現矯直。但受車間空間限制，該生產線無法布置兩臺矯直機，經費預算也超出預期。因此，本文根據武鋼二熱軋HSM2－HFL工程相關技術要求和實際情況，對比多個國內外相關設計方案，研發設計了雙輥系高強度板冷矯直機，替代其原有七輥矯直機，解決了3～25.4mm厚度范圍高強度板材矯直問題。

1 設計方案與參數計算

矯直鋼板規格（厚 ×寬 ×長）：（3～25.4）mm×（900～2 130）mm×（2 000～16 000）mm；矯直鋼板溫度：20～100℃；矯直鋼板最大屈服強度：1200 N／mm2。

根據矯直鋼板參數，結合矯直理論和太原重工股份有限公司矯直機產品數據庫，利用該公司開發的矯直機參數計算軟件，經過多次的計算，最終確定了九輥和十三棍兩種輥系相結合的方案：九輥用于厚度為10～25.4 mm鋼板的矯直，十三棍用于厚度為3～10mm鋼板的矯直。表1為該矯直機方案確定后的最終計算結果，為矯直機的輥系、主傳動系統和換輥機構等設計提供關鍵數據。

表1 矯直機參數計算表

2 設備結構設計

2.1 主傳動系統

如圖1所示，傳動部分由主電機、減速機、齒輪機座及萬向接軸等組成。

由于采用雙輥系單傳動方案，主傳動裝置要適應兩套輥子數量和直徑都不同的輥系。根據表1中總扭矩14 056.8 N·m，單輥最大扭矩2 409.74 N·m，設計齒輪機座，以保證齒輪機座應有的強度。同時，根據十三輥輥系設計齒輪機座的輸出軸數量為13個，其中9個為共用輸出軸（三角區域），結構如圖2所示。再根據總功率439.4 kW、速比36.4932和矯直速度40 m／min確定出電機和減速機的參數和方案：中間五個輸出軸（多邊形內）使用一臺220 kW電機，兩邊四個輸出軸各分配一臺220 kW電機，再通過聯軸器→減速機→齒輪機座→萬向接軸→工作輥裝置，使設備轉動運行。

圖1 傳動裝置布置圖

圖2 雙輥系齒輪機座

兩套輥系輥徑不同，萬向接軸需要根據表1中參數“與接軸連接處輥徑”分別選取，并根據各輥系單輥最大扭矩校核。九輥輥系根據最大轉矩2 409.74 N·m選用JB／T5513 SWC200BH十字軸式萬向聯軸器，十三棍根據最大轉矩692.042 N·m選擇JB／T5513 SWC120BH十字軸式萬向聯軸器。齒輪機座輸出軸采用花鍵套和端面鍵形式聯接，這種結構形式有利于輥系互換時齒輪機座輸出軸準確方便的插入萬向接軸，2 h內實現輥系快速切換，能夠適應該生產線板材規格調整。

2.2 本體部分

本體部分由機架裝配、壓下裝置、活動橫梁、輥系、機架輥裝置、機上配管等組成。

2.2.1 機架裝配

根據兩套輥系中的最大總矯直力28.86 MN，設計的機架裝配由左右機架、上橫梁和下機架組成。左、右機架采用整體鑄造結構，設計剛度≥10 000 kN／mm，具有高強度板矯直所需的強度和剛度。

2.2.2 壓下裝置

壓下裝置采用四個帶位移傳感器的HAGC液壓缸實現輥縫調整動作。HAGC液壓缸安裝在機架上橫梁上，下部與對開梁連接。壓下速度0.5 mm／s，通過壓下缸同步調整或分組調整，可實現上輥系的垂直調整、擺動及傾斜調整，通過位移傳感器檢測矯直輥的開口度大小以及傾動量，壓力傳感器用于對設備載荷進行檢測，當設備過載時HAGC液壓缸使上輥系快速抬起，實現設備的過載保護。兩套輥系互換時，上輥系與活動梁脫開后，壓下裝置帶動活動梁快速抬起，是實現快速換輥的一個關鍵因素。

2.2.3 活動梁裝置

活動梁裝置由活動梁、平衡缸及上輥盒鎖緊螺栓等組成。為了避免高強板矯直時的沖擊，活動梁裝置中裝有液壓平衡機構，用以平衡上輥系及活動梁的全部重量，消除壓下螺母與絲杠之間的間隙，壓下過平衡系數為1.2～1.4。

2.2.4 輥系

如圖3所示，輥系由上下矯直輥、上下支承輥及上下輥盒等組成，是矯直機的核心。由于采用了雙輥系結構，輥系設計過程中需考慮與傳動系統、機架、活動梁的連接與互換性，因此兩套輥系除了輥子排布不同之外，上下輥盒的外形尺寸與連接尺寸必須一致。此外，兩套輥系矯直輥和支承輥組合結構一致，其上排矯直輥與下排矯直輥都交錯排列。矯直輥材質為60CrMoV，輥身表面硬度HRC 57～60，輥面具有硬度高、耐磨性好等特點。支承輥材質為GCr15SiMn，輥身表面硬度HRC 50～54，安裝在輥盒上，共有五排。十三棍采用倍徑支承輥布騎式布置，九輥采用等徑支承輥布騎式布置。支承輥軸承采用高承載能力的雙列球面滾子軸承，采用干油集中潤滑。上、下輥盒采用焊接結構件，其內安裝有支承輥及矯直輥。輥盒焊接結構件剛度大且不易變形，可以保證輥系檢修后支承輥及矯直輥的安裝精度。上、下輥盒分別與機架可靠定位，保證矯直過程的穩定性。

圖3 輥系示意圖

根據參數計算和結構約束，選定輥系參數。如圖4所示，九輥輥系矯直輥總數為9，其中上矯直輥4根，下矯直輥5根。矯直輥規格為φ230 mm×2250mm，最大矯直力為24 GN，矯直輥輥距140 mm。支承輥規格為φ240mm，支承輥排數為5排。如圖5所示，十三輥輥系矯直輥數為13，其中上矯直輥6根，下矯直輥7根。矯直輥規格為φ130 mm×2250mm，最大矯直力24 GN，矯直輥輥距140 mm。支承輥規格為φ240mm，支承輥排數為5排。

圖4 九輥輥系布置

圖5 十三輥輥系布置

2.3 換輥裝置

由于兩套不同的輥系采用的萬向接軸型號不同，需要隨輥系一起抽出更換。因此，該裝置與傳統換輥裝置存在明顯的不同之處。首先，其換輥架行程為10 m，以滿足輥系和萬向接軸一起抽出時的長度要求。其次，換輥裝置上還需設置移動式托架裝置。如圖6所示。

圖6 換輥系統

移動式接軸托架裝置用于換輥時將萬向接軸夾緊并準確定位，使齒輪機座與萬向接軸準確、迅速的連接與脫開。下托架通過手動升降，實現對萬向接軸的準確定位；上托架對萬向接軸進行夾緊，使得萬向軸與輥系一并拖出。換輥速度為5 m／min，能夠實現輥系快速更換。

2.4 雙輥系高強度板冷矯直機特點

雙輥系矯直機與單輥系矯直機相比較有以下特點：兩套輥系的互換性，可用以滿足不同板厚矯直要求；快速換輥裝置，將上、下輥系連同萬向接軸整體拉出，實現兩套輥系快速互換功能；十三棍采用倍徑支承輥布騎式布置，九輥采用等徑支承輥布騎式布置，提高了對高強度鋼板的矯直能力；對產品進行了細分，能夠根據板材規格選擇最優輥系，能夠實現單道次矯直，矯直過程中板材塑性變形率達60%～80%。

3 結論

通過雙輥系的互換性設計，既解決了車間場地限制又減少了HSM2－HFL工程預算。通過對板材的參數精細化分解，為各參數區間選擇合理輥系參數，設計出的雙輥系高強度矯直機，能夠實現高強度板的精細化生產，提高了高強度板材質量，為鋼鐵生產廠家產品更新換代提供技術支持。該矯直機能夠應用于板材的規格、材料和厚度范圍較大、矯直后的板型和殘余應力等性能要求高的場合。由于普通矯直機輥系是一用一備，本設備的雙輥系矯直機與其相比并不顯著增加成本，價格僅略高于單臺矯直機，但其性能相當于九輥和十三棍兩臺矯直機，具有較強的經濟性和實用性，市場應用前景十分廣闊。

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