高剛度軋機(jī)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的小型、線材軋機(jī)工作機(jī)座為適應(yīng)精密軋翩拔術(shù)發(fā)展的需要。其自身結(jié)構(gòu)型式發(fā)生了巨大變革。實(shí)現(xiàn)軋制成品尺寸及形狀的高精度化具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。它可使收得率提高5~10%，為拉拔等后序深加工提供精密坯，提高拉拔成品質(zhì)量和拉模壽命，甚至實(shí)現(xiàn)以軋代拔制，革除拉拔工序。

成品的高精度化主要取決于軋機(jī)工作機(jī)座的機(jī)型與必備水平。傳統(tǒng)中小型、線材軋機(jī)只能提供具有普通精度公差的成品。Hans.G in等人早已指明軋機(jī)工作機(jī)座的剛度是受力元件截面積和長(zhǎng)度兩者的函數(shù)。旨在提高軋機(jī)工作機(jī)座的剛度而出現(xiàn)的備類預(yù)應(yīng)力軋機(jī)雖可減少?gòu)椞?但正如Ormer等人的證明，增加剛度是有限的。擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的束縛而出現(xiàn)的短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)，革除了普通軋機(jī)的高大牌坊，軋制力平衡回線短，將軋機(jī)縱向剛度提高到目前的最高水平，推動(dòng)了精密軋制技術(shù)的發(fā)展。

最早的短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)是40年代中期瑞典中央莫格斯哈馬公司研制的P500型無(wú)牌坊軋機(jī)，由三角架固定在地基上，于60年代末被我國(guó)長(zhǎng)城鋼廠引進(jìn)使用。第二代高剛度軋機(jī)-瑞典中央奠格斯哈馬公司的P60。型軋機(jī)于6O年代問(wèn)世，我國(guó)80年代初出現(xiàn)的GY型短應(yīng)力線軋機(jī)就是參考此軋機(jī)的原理設(shè)計(jì)的。同一時(shí)期，意大利的Porrdnl Parrel公司研制了"紅圈"軋機(jī)，"紅圈"指軋制力平衡回線。我國(guó)參考"紅圈"軋機(jī)結(jié)構(gòu)原理隨后在80年代中期研制了SY型高剛度軋機(jī)，其特點(diǎn)是革除了三角架。增設(shè)了旨在提高軸向剛度的方柱結(jié)構(gòu)。

目前，國(guó)產(chǎn)的短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)主要用于取代橫列式軋機(jī)的成品機(jī)座及成品前機(jī)座而廣泛應(yīng)用在近一半的小型、線材軋機(jī)上，為精密化技術(shù)改造發(fā)揮了積極作用。但是，正如冶金部有關(guān)文件所指出的，上述高剛度軋機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐表明，重載滾子軸承壽命低甚至發(fā)生燒熔;軸向竄動(dòng)量大影響產(chǎn)品精度;軸向調(diào)節(jié)與固定系統(tǒng)事故頻繁 這些隱患降低產(chǎn)品質(zhì)量，影響軋機(jī)作業(yè)率，阻礙新機(jī)型發(fā)揮預(yù)期效能。

本研制針對(duì)短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)所存在的軸承負(fù)荷特性、軸向固定與調(diào)節(jié)性能等問(wèn)題，應(yīng)用彈靜定機(jī)構(gòu)自位原理 振動(dòng)理論及其測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，在開發(fā)其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了三鉸拉桿方柱型高剛度軋機(jī) 。

目前，國(guó)內(nèi)外使用的短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)陳了極少數(shù)緊湊式超負(fù)荷高剛度軋機(jī)外，普遍采用四列短圓柱滾子軸承傳遞軋制負(fù)荷。實(shí)踐表明，軸承的工作壽命和異常損壞及軸向竄動(dòng)大已成為當(dāng)今高剛度軋機(jī)正常工作和進(jìn)一步推廣使用的嚴(yán)重障礙。

唐鋼第一鋼廠作用的原短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)四列短圓柱滾子軸承，在額定軋制負(fù)荷下頻繁發(fā)生燒熔事故。對(duì)原軋機(jī)軸承的軋翩力回線所在的平面彈性靜定自位機(jī)構(gòu)分析看出，實(shí)現(xiàn)各列均勻受載是不可靠的。上下兩個(gè)軋輥軸線所在平面上，將位于平行平面上的拉扦和方柱的軸線重迭在一起簡(jiǎn)化成軋輥(視為彈性彎曲杼)、軸承座、拉桿、球面墊及方柱相對(duì)于底座的平面彈性桿系。軋輥與軸承座之間只有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。限于平面彈性桿系的分析?？砂褍烧咭暈橐惑w。球面墊在軸承座鏜孔內(nèi)，設(shè)計(jì)成允許軸向位移2~3mm，可視為滑塊。

球面墊球心因拉桿與螺母聯(lián)結(jié)而位于拉桿軸線的某一位置上。軸承座滑槽與方柱相聯(lián)接1形成滑副。當(dāng)軸承座滑槽和方柱間無(wú)間隙時(shí)，彈性桿系的桿件數(shù)為2，低副數(shù)為3，高副數(shù)為0，故軸承座自由度為0，亦即軸承座不能傾斜轉(zhuǎn)角而成為剛性支座 若當(dāng)軸承座滑槽和方柱同留有間隙或松動(dòng)，此滑副作用便會(huì)失效，減少了一個(gè)低副，軸承座自由度變?yōu)?，軸承座成為軸向來(lái)固定狀態(tài)，影響成品精度與真圖度的實(shí)際竄動(dòng)量在不計(jì)止推軸承游隙情況下也會(huì)超過(guò)一個(gè)輥竄動(dòng)量的兩倍。由此可見，從自位機(jī)構(gòu)上講不可能實(shí)現(xiàn)軸承座的軸向固定和可靠的自位作用，并且自位和軸向固定互相對(duì)立，兩者不可能同時(shí)得到保證。

三鉸拉桿方柱型高剛度軋機(jī)在原短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)的基礎(chǔ)上配置了確保軸承自位的三鉸一滑副機(jī)構(gòu)取代原一鉸二滑副機(jī)構(gòu)。

當(dāng)軋輥受軋制力而產(chǎn)生彎曲變形時(shí)，軸承座跟隨軋輥軸線的傾斜擺動(dòng)，軋輥卸載時(shí)靠軋輥的彈性恢復(fù)使軋輥軸線為水平線，軸承座跟隨恢復(fù)原位，確保軸承座內(nèi)的四列短圓柱滾子軸承各列均載，從而提高了軸承的工作壽命。這種結(jié)構(gòu)由于軋輥軸承座滑槽鉸鏈的安裝間隙靠強(qiáng)化緊頂螺釘?shù)靡韵涂刂?，故具有軋輥軸向高剛度性能當(dāng)軋輥受軋制力作用而處于彎曲時(shí)，軸承座隨著輥頸的傾斜而轉(zhuǎn)角的能力稱自位性能，它決定了軋機(jī)軸承的負(fù)荷特性 為了證實(shí)不同的負(fù)荷特性，對(duì)唐鋼第一軋鋼廠的原高剛度軋機(jī)和本軋機(jī)進(jìn)行了離線和在線兩種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

在上軸承座外端垂直面上白上而下選擇3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，側(cè)出直到對(duì)應(yīng)軋制力P一143.26kN的軸向變形量。原高剛度軋機(jī)軸承座的上部?jī)牲c(diǎn)變形量在受載范圍內(nèi)一直保持為0。下部測(cè)量點(diǎn)的變形雖不大，但同上部?jī)牲c(diǎn)連接起來(lái)沒有形成轉(zhuǎn)角變形. 因此下部測(cè)量點(diǎn)的變形時(shí)只能考慮為輥頸傾斜引起的彈性變形。另外，在軋輥受載范圍內(nèi)軸承座相對(duì)方柱的滑移量測(cè)量值為0。然而，在同一負(fù)荷和測(cè)試條件下，本軋機(jī)的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)變形量連成一條直線且相對(duì)垂直線旋轉(zhuǎn)一定角度 上述測(cè)量結(jié)果足以證明原高剛度軋機(jī)在軸向固定場(chǎng)合下不具有自位性能。與此相反，本軋機(jī)確保了自位性能 。

軋機(jī)一般都具有軋輥軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以調(diào)整孔型。同時(shí)，軋輥與軸承座之間必須軸向固定以確保必要的軸向剛度。為了重點(diǎn)闡明軋機(jī)的軸向剛度，對(duì)原軋機(jī)和三鉸拉桿方柱型高剛度軋機(jī)進(jìn)行了固有頻率和振型的理論計(jì)算與測(cè)試。

最終將元件的單元傳遞矩陣按高剛度軋機(jī)力學(xué)模型裝配成總體傳遞矩陣，根據(jù)已知的邊界條件求解狀態(tài)變量。兩種高剛度軋機(jī)振動(dòng)的前幾階固有頻率計(jì)算值示于附表。很明顯，三鉸拉桿方柱型高剛度軋機(jī)的垂直和軸向振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原高剛度軋機(jī)。原高剛度軋機(jī)的軸向振動(dòng)一階固有頻率只有38.276rad/s，低于軋輥轉(zhuǎn)速頻率60.16rad/s，說(shuō)明容易受激發(fā)生軸向共振現(xiàn)象。對(duì)于兩種高剛度軋機(jī)的振動(dòng)特性還進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其結(jié)果與計(jì)算值 相一致，證明本軋機(jī)的研制是嚴(yán)格和精細(xì)的。

(1)對(duì)當(dāng)前推廣使用的短應(yīng)力線高剛度軋機(jī)普遍存在而長(zhǎng)期得不到解決的軸承燒熔和軸向竄動(dòng)大的問(wèn)題，建立彈性桿系自由度分析和三維彈性接觸邊界元法相結(jié)合的軋機(jī)自位理論，并研制成功具有可靠自位機(jī)構(gòu)的三鉸拉桿方柱型高剛度軋機(jī)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)離線和在線的自位性能測(cè)試及在線振動(dòng)特性測(cè)試，證明了理論和關(guān)鍵技術(shù)成果的可靠性。本軋機(jī)已獲國(guó)家發(fā)明專利。

(2)原存在的軋輥軸向調(diào)節(jié)螺紋機(jī)構(gòu)易脫扣事故，因自位問(wèn)題得到解決而自行消失 。