舞阳4200mm宽厚板轧机指针反转分析改造

摘要：舞阳钢铁公司4200mm宽厚板轧机采用电动压下，自AGC改造投产，出现指针反转异常现象。我们从机械传动、平衡、液压、电控等系统进行分析讨论，最终创造性的解决了问题，为今后解决高速快压下可逆轧机的“丝杠”回松提供了新的思路。

Abstract: Wuyang iron and steel company's 4200mm wide and heavy plate mill is die-casted by electromotion. Since the AGC transformation and putting into operation, there appeared the abnormal pointer phenomenon. We discussed this problem from the aspects of mechanical transmission, balance, hydraulic lubrication and electrical control and finally found the solution creatively which provided the new idea for the solving of the screw loosing problem of non-reversing mill at high speed and fast casting.

关键词：自锁性；摩擦系数；过平衡

Key words: self locking performance; friction coefficient; overbalance

中图分类号：TH17文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0013-01

1 现状概况

指针反转现象冬季尤为明显，从咬钢瞬间开始并持续有几秒钟时间，严重时辊缝值变化会超过5mm。技术人员多次实验证明，咬钢过程中指针反转不是由电机带动的，而是源于轧制力的反作用力。

2 指针反转原因理论分析

轧机压下由压下丝杠、压下螺母、止推平垫和上轴承座组成。

转动压下丝杠所需的总静力矩包括止推轴承的摩擦力矩，过平衡力在螺纹处产生的摩擦力矩。折算到蜗杆轴上的总摩擦阻力矩M为：

M=（M1+M2）/（iη1η2η3）

M1―丝杠与压座间摩擦力矩；M2―螺纹间摩擦阻力矩 i―总传动比；η1―蜗轮轴承效率；η2―轴承总效率；η3―蜗轮副啮合效率

M1=μPd/3

μ―丝杠、平垫间摩擦系数；P―丝杠所受的压力；d―平垫直径

M2=Pdtg（ρ－α）/2

ρ―丝杠丝母间的摩擦角；α―丝杠螺纹升角

由公式可以看出，静力矩与丝杠直径、止推轴承直径、作用在丝杠上的力、传动比、机械效率和摩擦系数等有关。

影响摩擦系数的主要因素有：摩擦副材料、表面粗糙度、状态、环境温度、冲击、震动等。其它条件不变，主要从状态改变和环境温度、冲击方面进行分析：轧机在咬钢瞬间，丝杠受到冲击突加载荷的影响，摩擦系数会变得很小或瞬间消失，使得传动系统中静摩擦制动力矩变小，轧制力的反作用力克服阻力矩引起丝杠反转，由静摩擦转变为滑动摩擦，反转过程中在巨大轧制压力作用下，压下丝杠与螺母之间状态由混合状态逐步过渡到边界状态。

在状态的转变过程中，因摩擦系数的减小致使丝杠螺纹升角大于摩擦角，从而可能不能满足丝杠与螺母的自锁条件，外观表现为指针的反转。下面从丝杠、丝母的自锁性、温度变化影响、过平衡影响等几个方面对指针反转原因进行分析。

2.1 压下丝杠、丝母的自锁性验算

由公式知：ρ=arctgf

ρ―丝杠螺母螺纹间的摩擦角；f―螺纹间的摩擦系数（f取0.1）

ρ= arctgf=6.345

由螺纹升角公式：α＝arctgs/πd

α―螺纹升角；s―导程；d―压下丝杠与螺母的螺纹中径

α＝arctgs/πd=1.96

由验算可知α＜ρ该系统完全是自锁的，不应该出现指针反转现象。但以上计算中摩擦系数f=0.1的选择是建立在常温、常压下静摩擦理论基础上的，一旦静摩擦条件发生变化，比如丝杠在咬钢瞬间消除各部件之间累积间隙（包括油膜厚度的变化过程）产生的巨大冲击力时获得初速度，原来的静摩擦条件就转变成动摩擦条件，摩擦系数就产生了根本性变化，新的动摩擦系数将远远小于原来的静摩擦系数0.1，造成摩擦角变小，从而使得螺纹升角接近或大于摩擦角 ，克服丝杠丝母自琐，造成丝杠反转。

2.2 轧机平衡系统对压下丝杠、丝母间摩擦系数影响分析。

根据：P＝nπD2P1η/4

P1―系统压力200bar；n―液压缸数：4；D―柱塞直径：255mmη-效率：0.9

由此：P=4×3.14×25.5×25.5×200×0.9/4=367，521kg/cm2

被平衡零件重：Qmax=310，000kg

过平衡系数：K=P/Qmax=367521/310000=1.185

由此可看出，经过AGC和四辊高压水除鳞改造后（被平衡零件重量增加17000kg-20000kg）过平衡系数K=1.185比最初设计Kmin=1.27减小约7%，再加上液压系统不稳定和压力损失，实际的过平衡系数更小。以下简单推出保证过平衡系数K≥1.2时的液压缸工作压力P最小为：

P1min=4QK/nπD2η=202.44kg/cm2

泵站系统压力在180-200bar之间，考虑到管路沿程阻力损失， 局部阻力损失，高度差产生的阻力损失。平衡缸处的压力波动测试数据在30-50bar（在平衡缸快速提升时）。平衡缸处的实际工作压力应为170bar左右。冬季，油液温度降低，动力粘度增大，液流速度减小，单位时间内流入平衡缸的流量减少，导致平衡缸上升速度减慢，造成压下机构抬升与平衡力不匹配，系统有瞬时失压现象。加上丝杠、丝母间摩损间隙，轧制过程中，轧件咬入时的巨大冲击力引起摩擦阻力矩的瞬时减小，不足以抵抗轧制反作用力矩，造成丝杠反转。

综上所述，四辊轧机指针反转的主要原因是由于环境温度的变化引起平衡系统压力波动过大，造成轧制瞬时冲击力过大使状态发生改变，摩擦系数减小，致使摩擦阻力矩减小至不足于抵抗轧制力的反作用力矩时造成丝杠回升，指针反转。

3 改进措施

4200mm轧机液压站存在问题：系统压力波动大，工作状况不稳定；管路压力损失大，快速抬升、轧制力冲击时存在瞬间失压现象。

为解决以上矛盾，在4200mm轧机液压站内增加1个气罐和1个液罐，这样总计有3个气罐和两个液罐。另外，考虑到泵站距离四辊压下平衡缸太远，在离四辊压下平衡缸10m左右增加2-4个与平衡缸容积相匹配的蓄势器，对缓解平衡缸部位的压力波动起到了直接作用。上述改造方案实施后4200mm宽厚板轧机指针反转现象消失。

参考文献：

[1]机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]轧钢机械[M].北京：冶金工业出版社，1988.

[3]第二重型机械厂[Z].舞阳4200mm轧机计算书.