双辊系高强度板冷矫直机设计

聂建辉，赵 岽，荆翠妮，张卫荣

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

0 前言

面对市场对普通板材需求饱和，高强度钢板需求旺盛且利润较高的现状，武钢二热轧薄板厂计划通过技术升级将普通钢板生产线转变为高强度钢板（屈服强度最高1 200 MPa）生产线。该厂现有七辊矫直机作为该生产线机组最重要的设备，但此设计矫直能力不足，无法满足高强度产品更新换代以及板材规格、板材材料和厚度范围等参数的要求，存在“厚板矫不动，薄板矫不直”的现象。经过理论分析计算和现场考察得出，随着板材强度的提高，由于矫直机辊子直径和万向轴强度限制，单台矫直机无法满足其3～25.4 mm厚度范围的矫直性能要求，只能将厚度划分为3～10 mm和10～25.4 mm利用九辊和十三棍两台矫直机实现矫直。但受车间空间限制，该生产线无法布置两台矫直机，经费预算也超出预期。因此，本文根据武钢二热轧HSM2－HFL工程相关技术要求和实际情况，对比多个国内外相关设计方案，研发设计了双辊系高强度板冷矫直机，替代其原有七辊矫直机，解决了3～25.4mm厚度范围高强度板材矫直问题。

1 设计方案与参数计算

矫直钢板规格（厚 ×宽 ×长）：（3～25.4）mm×（900～2 130）mm×（2 000～16 000）mm；矫直钢板温度：20～100℃；矫直钢板最大屈服强度：1200 N／mm2。

根据矫直钢板参数，结合矫直理论和太原重工股份有限公司矫直机产品数据库，利用该公司开发的矫直机参数计算软件，经过多次的计算，最终确定了九辊和十三棍两种辊系相结合的方案：九辊用于厚度为10～25.4 mm钢板的矫直，十三棍用于厚度为3～10mm钢板的矫直。表1为该矫直机方案确定后的最终计算结果，为矫直机的辊系、主传动系统和换辊机构等设计提供关键数据。

表1 矫直机参数计算表

2 设备结构设计

2.1 主传动系统

如图1所示，传动部分由主电机、减速机、齿轮机座及万向接轴等组成。

由于采用双辊系单传动方案，主传动装置要适应两套辊子数量和直径都不同的辊系。根据表1中总扭矩14 056.8 N·m，单辊最大扭矩2 409.74 N·m，设计齿轮机座，以保证齿轮机座应有的强度。同时，根据十三辊辊系设计齿轮机座的输出轴数量为13个，其中9个为共用输出轴（三角区域），结构如图2所示。再根据总功率439.4 kW、速比36.4932和矫直速度40 m／min确定出电机和减速机的参数和方案：中间五个输出轴（多边形内）使用一台220 kW电机，两边四个输出轴各分配一台220 kW电机，再通过联轴器→减速机→齿轮机座→万向接轴→工作辊装置，使设备转动运行。

图1 传动装置布置图

图2 双辊系齿轮机座

两套辊系辊径不同，万向接轴需要根据表1中参数“与接轴连接处辊径”分别选取，并根据各辊系单辊最大扭矩校核。九辊辊系根据最大转矩2 409.74 N·m选用JB／T5513 SWC200BH十字轴式万向联轴器，十三棍根据最大转矩692.042 N·m选择JB／T5513 SWC120BH十字轴式万向联轴器。齿轮机座输出轴采用花键套和端面键形式联接，这种结构形式有利于辊系互换时齿轮机座输出轴准确方便的插入万向接轴，2 h内实现辊系快速切换，能够适应该生产线板材规格调整。

2.2 本体部分

本体部分由机架装配、压下装置、活动横梁、辊系、机架辊装置、机上配管等组成。

2.2.1 机架装配

根据两套辊系中的最大总矫直力28.86 MN，设计的机架装配由左右机架、上横梁和下机架组成。左、右机架采用整体铸造结构，设计刚度≥10 000 kN／mm，具有高强度板矫直所需的强度和刚度。

2.2.2 压下装置

压下装置采用四个带位移传感器的HAGC液压缸实现辊缝调整动作。HAGC液压缸安装在机架上横梁上，下部与对开梁连接。压下速度0.5 mm／s，通过压下缸同步调整或分组调整，可实现上辊系的垂直调整、摆动及倾斜调整，通过位移传感器检测矫直辊的开口度大小以及倾动量，压力传感器用于对设备载荷进行检测，当设备过载时HAGC液压缸使上辊系快速抬起，实现设备的过载保护。两套辊系互换时，上辊系与活动梁脱开后，压下装置带动活动梁快速抬起，是实现快速换辊的一个关键因素。

2.2.3 活动梁装置

活动梁装置由活动梁、平衡缸及上辊盒锁紧螺栓等组成。为了避免高强板矫直时的冲击，活动梁装置中装有液压平衡机构，用以平衡上辊系及活动梁的全部重量，消除压下螺母与丝杠之间的间隙，压下过平衡系数为1.2～1.4。

2.2.4 辊系

如图3所示，辊系由上下矫直辊、上下支承辊及上下辊盒等组成，是矫直机的核心。由于采用了双辊系结构，辊系设计过程中需考虑与传动系统、机架、活动梁的连接与互换性，因此两套辊系除了辊子排布不同之外，上下辊盒的外形尺寸与连接尺寸必须一致。此外，两套辊系矫直辊和支承辊组合结构一致，其上排矫直辊与下排矫直辊都交错排列。矫直辊材质为60CrMoV，辊身表面硬度HRC 57～60，辊面具有硬度高、耐磨性好等特点。支承辊材质为GCr15SiMn，辊身表面硬度HRC 50～54，安装在辊盒上，共有五排。十三棍采用倍径支承辊布骑式布置，九辊采用等径支承辊布骑式布置。支承辊轴承采用高承载能力的双列球面滚子轴承，采用干油集中润滑。上、下辊盒采用焊接结构件，其内安装有支承辊及矫直辊。辊盒焊接结构件刚度大且不易变形，可以保证辊系检修后支承辊及矫直辊的安装精度。上、下辊盒分别与机架可靠定位，保证矫直过程的稳定性。

图3 辊系示意图

根据参数计算和结构约束，选定辊系参数。如图4所示，九辊辊系矫直辊总数为9，其中上矫直辊4根，下矫直辊5根。矫直辊规格为φ230 mm×2250mm，最大矫直力为24 GN，矫直辊辊距140 mm。支承辊规格为φ240mm，支承辊排数为5排。如图5所示，十三辊辊系矫直辊数为13，其中上矫直辊6根，下矫直辊7根。矫直辊规格为φ130 mm×2250mm，最大矫直力24 GN，矫直辊辊距140 mm。支承辊规格为φ240mm，支承辊排数为5排。

图4 九辊辊系布置

图5 十三辊辊系布置

2.3 换辊装置

由于两套不同的辊系采用的万向接轴型号不同，需要随辊系一起抽出更换。因此，该装置与传统换辊装置存在明显的不同之处。首先，其换辊架行程为10 m，以满足辊系和万向接轴一起抽出时的长度要求。其次，换辊装置上还需设置移动式托架装置。如图6所示。

图6 换辊系统

移动式接轴托架装置用于换辊时将万向接轴夹紧并准确定位，使齿轮机座与万向接轴准确、迅速的连接与脱开。下托架通过手动升降，实现对万向接轴的准确定位；上托架对万向接轴进行夹紧，使得万向轴与辊系一并拖出。换辊速度为5 m／min，能够实现辊系快速更换。

2.4 双辊系高强度板冷矫直机特点

双辊系矫直机与单辊系矫直机相比较有以下特点：两套辊系的互换性，可用以满足不同板厚矫直要求；快速换辊装置，将上、下辊系连同万向接轴整体拉出，实现两套辊系快速互换功能；十三棍采用倍径支承辊布骑式布置，九辊采用等径支承辊布骑式布置，提高了对高强度钢板的矫直能力；对产品进行了细分，能够根据板材规格选择最优辊系，能够实现单道次矫直，矫直过程中板材塑性变形率达60%～80%。

3 结论

通过双辊系的互换性设计，既解决了车间场地限制又减少了HSM2－HFL工程预算。通过对板材的参数精细化分解，为各参数区间选择合理辊系参数，设计出的双辊系高强度矫直机，能够实现高强度板的精细化生产，提高了高强度板材质量，为钢铁生产厂家产品更新换代提供技术支持。该矫直机能够应用于板材的规格、材料和厚度范围较大、矫直后的板型和残余应力等性能要求高的场合。由于普通矫直机辊系是一用一备，本设备的双辊系矫直机与其相比并不显著增加成本，价格仅略高于单台矫直机，但其性能相当于九辊和十三棍两台矫直机，具有较强的经济性和实用性，市场应用前景十分广阔。

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