特鋼廠液壓剪前立輪改造分析

白曉東

本鋼特鋼廠 遼寧本溪 117000

為了提高產品性能和質量，本鋼對特鋼廠大棒作業區進行了升級改造，并于2019年6月完成。改造后整條軋制線主要設備有：1150開坯機、3架850連軋機、液壓剪、熱鋸、臺架、冷床、收集裝置等。主要產品規格為φ20-φ300圓鋼，年設計生產能力達到80萬噸。

在生產中發現該區液壓剪剪前立輪經常不能轉動，使鋼材表面被立輪劃傷。經檢查發現是由于滾動軸承因受力過大而損壞，造成立輪滾動摩擦失效而變成滑動干摩擦。這是該液壓剪剪前立輪結構設計不當、軸承受力不合理引起的。

為了避免造成熱停事故、以及軋件產生劃道影響產品外形及表面質量，本文對剪前立輪裝置的結構進行技術分析、改進。使剪前立輪的結構更加合理，減小軸承的受力，同時增大結構的強度和承載能力。改進后的生產實踐表明，新設計結構不再發生軸承損壞事故，同時立輪不再停轉造成產品劃傷，從而使生產的產品很好地滿足了客戶的需求。

1 液壓剪前立輪的結構形式及工作原理

液壓剪剪前立輪位于液壓剪前，其作用是將軋件對準液壓剪中心線，并使之導入液壓剪進行剪切。

該剪前立輪如圖1所示。其裝置由立輪本體和輥道蓋板兩大部分組成。立輪本體由立輪、軸承、端蓋、軸組成；輥道蓋版是焊接框架結構，同時為立輪提供固定支撐。

圖1 液壓剪前立輪示意圖Fig.1Schematic diagram of hydraulic shear front vertical wheel

工作原理是：軋件通過兩側雙立輪中間，正確地對準將要進入的液壓剪。立輪邊轉動邊將軋件送入液壓剪。由于軋件與立輪之間形成滾動摩擦，可防止軋件出現劃道等鋼材質量問題。

但生產中經常出現因立輪不轉而造成設備熱停事故。據特鋼廠調度室報表顯示：僅2018年10月14日一天，就累計熱停4小時55分；產生的鋼材劃傷共計600多噸。

2 液壓剪前立輪存在問題及改進方案分析

2.1 存在問題

如圖2所示，該立輪為單支撐懸臂結構，懸臂結構受力點到支撐處的力臂為124mm。兩個球軸承的軸承座鑲嵌在一側輥道蓋板框架之中，兩個球軸承的中心距只有67mm。

圖2 改造前剪前立輪斷面圖Fig.2Sectional view of the former shear and vertical wheel

假設單側立輪受力為P，那么就在根部產生P*67mm的力矩。該力矩由距離67mm的兩個球軸承產生反力矩來抵消。假設一個球軸承受力為P1，可知P1=（124/67）P=1.85P。

可見，這種單支撐懸臂結構使每個球軸承所受的力接近于單側立輪受力P的兩倍。這就能解釋球軸承經常損壞的原因[1]。

在軋件與立輪接觸時，軋制力產生力矩，并將力矩傳遞至雙軸承處，由于雙軸承距離較小，導致軸承受力放大，造成造成損壞、立輪不轉，發生設備熱停。使軋件產生劃道影響鋼材產品質量（見圖4）。對框架而言，不但受到P力的作用，還同時受到單支撐軸承座所傳遞的附加力矩，容易引起框架變形。

圖4 鋼材劃傷示意圖Fig.4Schematic diagram of steel scratches

2.2 改進方案分析

2.2.1 整體構思

為了滿足軋線生產以及縮短檢維修時間、滿足產品質量的要求，設計人員考慮采用新的立輪結構。新立輪設計改懸臂結構為簡支梁結構，使軸承的受力更加合理；同時考慮加強立輪零件強度，從而增強了整體強度；還將立輪軸承座設計成可拆卸形式，方便檢修；同時配置了高效的軸承潤滑系統[2]。

2.2.2 立輪結構改進及強度設計

新設計將原立輪單支撐改為雙支撐，變為兩側支撐座，如圖3所示。對框架而言，將框架受力P由一處分解為二處，支撐點1受力（87/220）P=0.4P，支撐點2受力（133/220）P=0.6P；框架支點受力減小的同時還不受附加力矩的作用，有效避免了框架的變形。

圖3 改造后剪前立輪斷面圖Fig.3Sectional view of the modified shear front vertical wheel

分析軸承受力可知，P力正好作用于兩個軸承中間位置，所以每個軸承受力為P1=0.5P，比改造前每個軸承受力1.85P降低了近4倍。

新結構不但減少了立輪和框架的受力，而且加強了立輪等零件強度，使整體剛性大大加強。例如，原立輪輥面直徑130mm，現加大輥面直徑至200mm；原有軸承型號為深溝球軸承6211，現軸承型號采用調心滾子軸承22216E；軸承內外徑及厚度從55*100*21改為80*140*33；原支撐軸由φ55加大到φ80（圖5）；為了保證框架在受到軋件傳遞的力時不變形不彎曲，也對框架強度進行了加強。現場通過上述改進手段，較好地滿足了現場使用要求，如圖6。

圖5 立輪軸示意圖Fig.5Diagram of vertical wheel shaft

圖6 改造后立輪示意圖Fig.6Schematic diagram of the vertical wheel after modification

2.2.3 檢維修設計

因為原有立輪軸承鑲嵌在輥道蓋板框架內，拆卸非常困難。現采用上面支撐座用螺栓固定在輥道框架上，下面支撐座與輥道蓋版框架結合為一體，軸承鑲嵌在輥面內，在發生軸承損壞或更換立輪情況下，只需拆卸軸承座，將輥面拿出更換軸承即可。

將立輪軸承座設計成可拆卸形式，既方便了檢修，又可以用最短的時間更換備件保證生產順行。

2.2.4 潤滑系統設計

為了滿足立輪軸承正常運轉對潤滑的需求，在支撐軸上端設計有兩個注油孔。兩個注油孔分別通向兩端軸承。定期注油可保證設備穩定運行，避免發生因潤滑不佳而產生軸承損壞事故。

3 結語

特鋼廠通過對液壓剪剪前立輪的改進，有效地提升了軋件表面質量，同時降低了備件及維護費用。只有對所維護設備有更深刻的了解，才能在此基礎上進行大膽的技術革新，加上一流的管理手段，才能取得更好、更顯著的效果，這也是今后我們在設備管理和維護上需要進一步努力的方向。