粗軋機壓下螺母磨損影響的分析

王修全，楊永興

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

1 問題描述

2800 mm熱粗軋機是某鋁企鋁板軋制的關鍵設備之一，1970年由中國一重設計并制造，1989年由日本IHI公司改造，既可單獨生產厚板，也能與精軋聯合生產卷材[1]，至今已有50年。

該軋機通過兩側的電動壓下裝置調節輥縫，調節精度可達0.02 mm。電動壓下裝置主要由電動機、離合器、壓下減速機、壓下絲桿、壓下螺母等組成[1]。壓下裝置螺紋規格為S520 mm×48 mm，壓下絲桿材料為40Cr，壓下螺母材料為ZQAL9-4。該軋機因保養良好，從未更換，使用年限已達50年，并且近幾年由于軋制工藝需求，采用靜壓力軋制方式較多。靜壓壓下時，最大靜壓力達到700 t，是空載壓下時載荷的10倍以上。這導致壓下螺母磨損加劇，螺旋副摩擦因數降低，當量摩擦角減小，不滿足螺旋副自鎖條件。而粗軋機主要采用大壓下量軋制，瞬時沖擊載荷較大，出現明顯的輥縫回彈，輥縫精度無法保證，產品質量和生產效率均受到影響。考慮到除了壓下螺母磨損導致螺紋強度下降以外，設備還存在安全風險等因素，決定對其進行更換。

2 現象及數據

壓下螺母更換過程非常順利，成功消除了輥縫回彈。為進一步分析并總結壓下螺母磨損的影響，對更換前后的現象及數據進行了收集和整理。

結果表明：更換前，有輥縫回彈，且更換過程中螺母受重力作用在絲桿上出現打轉現象；更換后，無輥縫回彈，恢復了輥縫精度。

更換前后數據對比如表1所示。

表1 螺母更換前后數據對比

3 影響分析

根據上述現象及數據，本文從螺紋強度、自鎖性能、電流及靜壓力3個方面對壓下螺母磨損的影響進了分析。

3.1 螺紋強度

與壓下絲桿相比，壓下螺母材料質地較軟，可忽略壓下絲桿磨損，根據表1數據，可近似認為舊壓下螺母磨損量Δ=7 mm-1.4 mm=5.6 mm。

新壓下螺母螺紋牙的剪切應力τ和彎曲應力σ的計算公式[2]為：

式中：F為螺紋受到的軸向載荷；D為螺母螺紋大徑；b為螺紋牙根部寬度，鋸齒形螺紋b=0.74 P；n為螺紋旋合圈數；h為螺紋牙型高度。

由于舊壓下螺母磨損，其螺紋牙根部寬度減少。考慮到未發生嚴重的發熱問題及產生大量銅膜，采用圖1所示的均勻磨損模型來進行分析。

圖1 均勻磨損模型

根據磨損量，可近似計算出磨損后的螺紋牙根部寬度b′：

帶入強度計算公式，可得舊壓下螺母螺紋牙的剪切應力τ′=1.19τ和彎曲應力σ′=1.41σ。

由此可知，在其他參數均不變的情況下，只考慮壓下螺母均勻磨損的情況，其螺紋牙的剪切應力是新壓下螺母的1.19倍，彎曲應力是新壓下螺母的1.41倍。若考慮磨損不均勻及壓下螺母受附加力作用等因素，則剪切應力和彎曲應力還將更大。舊螺母的螺紋強度已明顯下降，而軋機大壓下量咬入時，瞬時沖擊載荷較大，在極端情況下可能崩牙。

3.2 自鎖性能

梯形螺紋具有自鎖性能，其螺旋副自鎖條件[2]為：

式中：α為螺紋升角；φ為螺紋當量摩擦角。

螺紋磨損與接觸面應力有關，與空載壓下只克服過平衡力相比，靜壓壓下時，壓下螺母螺紋所受的負載是過平衡力的數倍，這導致壓下絲桿與螺母之間接觸應力增大，摩擦力增大[3]。這些情況加劇了壓下螺母磨損，使螺旋副摩擦因數減小，當量摩擦角φ減小，不能滿足上述自鎖條件。而熱粗軋機主要采用大壓下量軋制，軋件咬入時，瞬時沖擊載荷較大，螺旋副無法自鎖，出現明顯的輥縫回彈。

拆下的舊螺母由于自身重力作用，會在壓下絲桿上打轉，這一現象又進一步證實了螺旋副無法自鎖的觀點。

3.3 電流及靜壓力

壓下絲桿下降所需的力矩M計算公式如下[2]：

式中：F為螺紋受到的軸向載荷；d1為球面墊直徑=435 mm；μ為壓下絲桿與球面墊間的摩擦系數=0.1；d2為壓下絲桿平均直徑=520-0.68×48 mm=487.4 mm；α為螺紋升角；φ為螺紋當量摩擦角。

對于新壓下絲桿，其螺紋當量摩擦角取設計尺寸φ=5°43′（摩擦因數0.1）。

對于舊壓下絲桿，考慮壓下螺母磨損，螺紋當量摩擦角減少。根據自鎖性能的分析，可認為該螺旋副不滿足自鎖條件，取φ′=α=1°45′來進行計算分析。

空載壓下時，絲桿克服過平衡力的能力下降，過平衡力由主平衡缸提供，由于重錘蓄能器的重力勢能可以保壓，故螺紋受到的軸向載荷一定。將以上參數帶入力矩計算公式，可得新、舊壓下絲桿下降所需的力矩M=4.64F和M′=2.94F。

壓下絲桿的力矩折算到電動機軸上的力矩T：

式中：i為總傳動比；η為總傳動效率。

對于他勵直流電動機則采用下列公式計算[4]：

式中：CT為電動機的轉矩常數；Φ為主磁極的磁通；Id為電動機的電樞電流。

由上述公式可知，在其他參數不變的情況下，Id和M成正比關系。

則新、舊壓下絲桿、螺母的壓下電流比值x為：

根據表1數據，計算出實際測量的平均電流比值為x′=1.61。

對輥壓靠時，壓下電機處于堵轉狀態，最大電流一定，產生的扭矩一定。新、舊壓下絲桿、螺母螺紋受到的軸向載荷的比值y為：

對輥壓靠時，螺紋受到的軸向載荷由過平衡力和靜壓力兩部分組成，過平衡力為59.5 t。根據表1數據計算可知，實際測量的平均軸向載荷比值為y′=0.61。

電流及靜壓力的計算值與實際測量值相比有一定差距。但若考慮新壓下絲桿、螺母配合面存在凹凸不平導致附加力矩、摩擦因數較大等情況，則計算值與實際測量值將更加接近，因此該計算分析與實際情況比較符合。

針對2800 mm熱粗軋機出現的輥縫回彈問題，經查閱相關資料，對回彈現象進行了分析，確定了根本原因為壓下螺母磨損嚴重。通過脫開平衡缸，釋放絲桿與螺母的間隙，測量絲桿下降位移并與圖紙比對，確定了實際的磨損量[5]，進一步證實了壓下螺母磨損嚴重的觀點，并通過磨損量對螺紋強度進行了分析。考慮輥縫回彈問題以及螺紋強度下降帶來的隱患，制定了更換壓下絲桿和螺母的方案。備件尺寸復核后，對其進行了更換，成功消除了輥縫回彈現象，恢復了輥縫精度，同時也降低了設備的安全隱患。在此基礎上收集整理了更換前后的現象及數據，并對壓下螺母磨損的影響進行了分析，為解決同類問題總結了技術經驗。

4 結束語

結合某廠2800 mm軋機出現的壓下螺母磨損情況，得出以下3點壓下螺母磨損影響的結論：

（1）螺紋剪切強度和彎曲強度降低，彎曲強度降低較為明顯，極端情況下可能崩牙。

（2）當量摩擦角減小，超過臨界范圍時，螺旋副無法自鎖。

（3）負載一定時，電機電流降低；電機電流一定時，壓靠靜壓力增大。可根據電流及靜壓力變化趨勢評估螺紋磨損情況。

當壓下螺母磨損造成輥縫回彈時，通過更換兩側壓下裝置的絲桿和螺母即可消除該問題，有效恢復輥縫精度。以上結論均與實際現象及數據相符，對同類型設備的使用和維護具有一定的參考價值。