铝带热轧转向辊内冷结构优化设计

时间：2024-09-03

黄涛

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

当前主流的铝带材热轧生产线，主要包括单机单卷取和双卷取热轧机、1+1粗-精轧、1+3热连轧(如图1)、1+4热连轧、1+5热连轧以及连续铸轧生产线等。热轧生产线的卷取机与精轧机之间，都配置有转向辊，通过转向辊改变铝带的运行方向，使得带材与轧辊和卷取机卷筒均形成一定的包角和张力，减少跳动划伤带材表面，且保证精轧出口端带材稳定运行和卷取精度。因此转向辊的设计、加工、安装、转速控制精度以及热凸度变形等对热轧铝带产品精度的控制起到了至关重要的作用，然而转向辊内冷结构设计直接决定了其热凸度变形情况以及转向辊的运行状况。在多个铝热轧生产线中，都出现了因内冷结构设计，不能满足复杂工况而导致转向辊故障频发，增加了维护成本，影响了生产节奏和产品精度。

图1 典型1+3热连轧工艺布置Figure 1 The typical 1+3 hot rolling process arrangement

1 故障原因分析

1.1 故障现象

根据现场调研发现，与转向辊内冷结构有关的故障现象主要包括：

(1)内冷却效果不好，辊子表面温度高，导致粘铝加剧，卷取精度受影响。

(2)转向辊转动过程中旋转接头摆动幅度大，导致密封和轴承频繁烧损，甚至抱死。

(3)转向辊内冷进水管堵死，与旋转接头脱落，导致冷却水无法起到冷却效果，内部水沸腾。如图2所示为某铝厂出现的转向辊故障。

1.2 故障原因分析

如图3和图4所示，转向辊多为焊接式空心辊，辊子操作侧轴头有一个∅40 mm的通孔，一根轴向均布多个∅6 mm小孔的细长进水管，从操作侧插入到传动侧轴头内侧支撑套内，进水管操作侧接口与把合在操作侧轴头上的旋转接头采用螺纹连接。冷却水由操作侧旋转接头进水口通过内部进水管充入辊子内腔，对辊身进行内部冷却，再由回水口排出内腔，水的循环流动起到了带走热量的作用。

1—法兰连接 2—回水口 3—进水口 4—螺纹连接 5—旋转接头 6—内冷进水管 7—空心辊身 8—进水管传动侧内部支撑

1—回水口 2—进水口 3—螺纹连接 4—内冷进水管 5—旋转接头 6—螺纹连接 7—空心辊身 8—进水管传动侧内部支撑

从以上两种转向辊辊子结构中旋转接头连接形式(如图5所示)以及动作原理来分析，中间细长进水管一端与旋转接头进水管螺纹连接，为固定不动形式，另一端与内侧支撑套连接，因辊子转动，与进水管支撑点存在相对转动摩擦，然而进水管中部没有支撑，由于重力产生的挠度变形以及可能存在的冷却水杂质和锈蚀问题而导致摩擦力加剧，极容易导致旋转接头出现偏载而摆动、密封和轴承损坏、螺纹连接脱落等故障。

1—法兰连接 2—回水口 3—进水口 4—螺纹连接 5—旋转接头 6—内冷进水管 7—空心辊身

经过对多起转向辊故障现象以及损坏旋转接头的拆解分析，发现损坏情况均基本类似，确认该结构在频繁启停、高速运转、冷却水质较差、辊子较长、高温等复杂工况下，不能满足可靠生产的要求。因此考虑从结构上进行改进优化。

2 优化设计方案

2.1 改进方案

如图6所示，根据之前的分析，本次改进将内冷进水管分成两部分，插入辊身部分通过法兰盘连接与辊子一起转动；另一部分，采用新的旋转接头结构，内置短进水管采用滑动支撑，可以与旋转接头相对转动，通过其本身的精度和相关件的加工精度，更好地保证装配后运动部件的同轴度，有效避免细长进水管自身变形对旋转接头的影响。改进后的冷却结构，大大改善了旋转接头的运行平稳性，提高了轴承、密封的使用寿命，不再出现进水管脱落现象，辊身冷却效果稳定。

1—法兰连接 2—回水口 3—进水口 4—滑动支撑 5—旋转接头 6—短进水管 7—内冷进水管 8—空心辊身图6 改进旋转接头选型和连接方案Figure 6 Improved rotating joint model selection and connection project

1—回水口 2—进水口 3—内冷进水管 4—空心辊身 5—进水管支撑铜合金套

2.2 降本优化方案

如图7所示，从降低成本和提高运行可靠性的角度出发，对转向辊内冷结构采取优化设计方案。通过端盖法兰盘连接将中间进水管进行固定，同时加大管径，提高刚性和冷却能力；在进水管末端装有铜合金或自润滑衬套作为采用旋转支撑，插入传动侧轴头内孔。此方案具有结构简单、制造成本和备件成本低、故障率低、维护简单的特点。另外此结构必须注意密封选型设计以及排水通畅，避免冷却水进入轴承。