精轧机工作辊抬升轨道装置结构分析及改进

陈忠良 张伟亮 崔永军

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川610000)

在轧钢生产中，轧辊工作一定时间后表面会受到不同程度的磨损，而轧辊的磨损将会导致荒管包络线发生变化，进而影响轧制效果。因此及时、准确地换辊对提高产品质量和生产效率有着极其重要的意义[1]。为了提高工作辊的更换速度，提高轧制生产率，热连轧精轧机组中普遍设有工作辊抬升轨道装置，其布置在精轧机组内部，用于配合快速换辊装置完成工作辊的更换。

1 结构分析

1.1 主要技术参数

工作辊抬升缸：4-∅125 mm/∅90 mm×75 mm

工作压力：16 MPa

移动速度：20 mm/s

接轴托架重量：2000 kg

工作辊配对重量：38 050 kg

1.2 结构及工作原理

工作辊抬升轨道装置主要用于辅助完成工作辊更换，采用液压升降式结构。在轧机正常工作时，抬升轨道处于最低位，为辊系的上下运动让出空间；换工作辊时，抬升液压缸活塞杆伸出，将抬升轨道及下工作辊装配抬升至工作位置，使机内轨道与机外轨道接平，利用装在轴承座上的行走轮通过电动小车或推拉液压缸将旧辊拉出，新辊拉入，完成工作辊的更换。

该装置属横梁结构，主要由出入口轨道、接轴托架、抬升液压缸、滑板、导向滑块等组成，如图1所示。沿轧制线垂直方向布置在机架窗口内的出入口端，轨道上布置有平滑板和锥滑板，便于轧辊更换时进出机架，同时可以防止轧辊更换过程中跑偏。轨道的升降运动由固定在牌坊外侧的4个抬升液压缸实现。轨道与机架间布置有4处垂直导向面，由固定在机架上的导向滑块、衬板、压板等完成。

1—抬升轨道 2—接轴托架 3—固定平台 4—抬升缸 5—导向块 6—滑板 7—机架 8—工作辊装配 9—万向接轴图1 抬升轨道装置结构Figure 1 Configuration of lifting track device

接轴托架为焊接结构，随着轨道的升降而升降，用螺栓固定在轨道传动侧上。接轴托架的入、出口上安装有弧型的上、下夹块，分别用于工作辊更换时托住上、下工作辊鼓形齿接轴。

2 现场存在问题

自设备投入生产后，工作辊抬升轨道装置始终存在一些问题，影响正常轧钢的进行，主要有：

(1)抬升轨道与机外换辊轨道不平行

换辊过程中，当旧辊拉出机架后，上、下工作辊鼓形齿接轴作用在接轴托架上，液压保持锁定状态，等待新辊装入，现场发现机内抬升轨道面在抬升到工作位时出现不平行现象。现场测量传动侧轨道下降约10 mm，操作侧轨道上升约10 mm。这一升一降造成操作侧轨道与机外横移轨道产生高度差，导致新辊推入机架时受阻，并且影响传动侧接轴扁头定位精度，进而影响换辊的进行。

(2)抬升轨道无法正常下降

换辊完成后，抬升缸靠自重下降到最低位，避免承受轧制力。当抬升缸无杆腔泄压后，抬升轨道下降时容易出现卡阻，影响换辊的进行。

3 原因分析

在现场进行了多次换辊实验，从机械设备结构和液压原理进行分析，造成上述问题的主要原因是：

3.1 抬升平衡力计算校核

在换辊过程中，传动侧抬升轨道出现下沉现象，首先应校核抬升缸的选型是否合适。在计算抬升平衡力时，被平衡零件重量应包括抬升轨道重量G1、上下工作辊装配重量G2、上下工作辊鼓形齿接轴重量G3，因此被平衡总重量G为：

G=(G1+G2+G3)(1+μ)=69 745 kg

式中，G1=7100 kg；G2=38 050 kg；G3=8500 kg；μ为过平衡系数,取μ=0.3。

Dy=SQRT{4×G×10/[nπP(1-k)]}=124.1 mm

式中，Dy为抬升缸缸径；n为抬升缸数量，取n=4；k为液压缸内部摩擦系数，取k=0.1。

圆整后取Dy=125 mm，活塞杆外径：当P≥16 MPa时，d=0.7Dy=87.5 mm，圆整后取d=90 mm。

从上述计算结果可知，选择的抬升缸大小基本合适，能够满足设备使用。

3.2 抬升轨道装置受力分析

换辊过程中，工作辊抬升轨道传动侧轨道承受力远远大于操作侧，存在偏载现象。将整个抬升轨道装置简化为一外伸梁，分析外伸梁在抬升力F1、F2作用下的稳定性。简化受力图如图2所示。F1为传动侧抬升力，F2为操作侧抬升力，S1为F1距重心距离，S2为F2距重心距离。

图2 简化形式的重心变化图Figure 2 Simplified mode of center of gravity shifting

抬升轨道装置在换辊过程中其重心一直变化。在空负载抬升过程时，由于接轴托架的重量，抬升轨道装置重心并不在机架中心线上，而是偏向传动侧，重心偏移量为935 mm；当下轧辊装配作用在抬升轨道上时，重心偏移量为860 mm；当抬升轨道上升到工作位，上下轧辊装配均作用在抬升轨道上时，重心偏移量为630 mm；当上下轧辊装配向操作侧拉出500 mm，重心偏移量为290 mm；随着轧辊不断向操作侧拉出，整个重心也向机架中心趋于重合。当上下轧辊装配拉出机架后，传动侧轨道承受上、下工作辊鼓形齿接轴约一半的重量，致使整个装置重心急剧向传动侧偏移，偏移量达到2120 mm，此时传动侧轨道处于严重偏载状态。

4个抬升缸分别布置在传动侧和操作侧机架外侧，机架内侧设计有机械挡块，用于限制抬升轨道在工作位继续上升。原设计中抬升力的作用点与机械挡块作用点不一致，偏移量达840 mm。抬升缸在工作位还有10 mm的余量行程。由静力学平衡方程可知：F1×S1=F2×S2。此时力的作用点不一致，两端力的大小应该也不一样。由后面液压原理分析可知，4个抬升缸均由一个换向阀控制，抬升缸实际推力F1=F2，重心偏移导致F1和F2对其重心的力矩不平衡，而机械挡块不能完全约束住轨道运动，所以轨道就产生自由扭转，出现不平行现象。

换辊完成后，抬升轨道不能下降到正常位置。由图1可知，抬升轨道装置为便于现场装配，将传动侧轨道与导向滑块端面间隙设计为0，操作侧轨道与导向滑块端面间隙为5 mm。传动侧轨道由于偏载先下降，端面处传动轨道卡口处与传动侧导向滑块发生卡阻，导向滑块为铸铜件，致使传动侧导向滑块出现不均匀切痕，传动侧轨道卡口处内侧被导向滑块切痕卡住，使抬升轨道无法下降到正常位置，影响正常轧钢的进行。

3.3 液压系统分析

抬升轨道装置的液压系统由换向阀、减压阀、节流阀、液压锁等组成。其液压原理见图3所示，4个抬升缸的升降由1个换向阀控制，传动侧和操作侧抬升缸的出力大小一样，不能进行单独调整。电磁铁021Y205b**得电，抬升缸上升；电磁铁021Y205a**得电，抬升缸下降。通过受力分析可知，两侧液压缸最好可以单独进行控制，但改造该液压系统成本较高，不利于进行本次改造。在今后的设计中，机械设计时，可以要求将两侧液压缸分开控制，同时提出同步要求。液压控制原理图如图3所示。

图3 液压控制原理Figure 3 Principle of hydraulic control

4 解决方案

经上述分析，在设备结构允许的范围内，对机械设备进行优化设计，来满足设备使用。

4.1 抬升缸位置重新布置

通过以上分析，原有结构抬升缸的选型大小和数量均能满足设备使用要求。但原有抬升轨道装置重心的变化及抬升力位置不合理，容易产生不平衡力矩，使轨道产生扭转。因此根据受力分析，现场调整原有四个抬升缸位置。将操作侧两个抬升缸布置在机架中心内侧，使机械限位和抬升缸布置在同一中心线上，约束抬升轨道在不平衡力矩下发生扭转，在工作位保持水平稳定性。将传动侧两个缸移至接轴托架中心线处，加长传动侧抬升缸把和支架，使整个抬升轨道装置受力更合理。如图4所示。

图4 改进后抬升缸布置图Figure 4 Distribution of improved lifting cylinder

换辊过程中，受力的合理性直接影响设备的使用稳定性。在液压系统不能更改状态下，两端抬升缸的力比值越趋近于1，设备的受力就越合理。图5表示随着重心的偏移，F1与F2的比例关系。原有结构中，在重心偏移290～900 mm的过程中(轧辊未拉出机架过程中)，直线斜率较平缓，此时F1∶F2=2∶1；当重心偏移为2120 mm时(轧辊拉出机架)，直线斜率急剧上升，高达F1∶F2=24∶1。改进后的结构重心偏移为290～900 mm(轧辊未拉出机架过程中)，F1∶F2=1，斜率较平缓；当重心偏移2120 mm(轧辊拉出机架)，F1∶F2=4∶1。此时虽然存在理论受力大小不一致。但

图5 改进前后两种结构受力曲线图Figure 5 Force curves of structures before and afterimprovement

由于传动侧机械挡块的约束，轨道不会产生自由扭转。

4.2 抬升轨道及抬升缸结构改进

1—抬升缸 2—抬升轨道 3—导向滑块图6 抬升轨道及抬升缸改进图Figure 6 Improvement of lifting track and the cylinder

换辊过程完成后，抬升缸无杆腔泄压，由于自重，抬升轨道下降到最低位。由于偏载的影响，传动侧导向滑块与轨道卡口处间隙过小，容易出现卡阻。因此，如果能够施加一个向下的力，将抬升

轨道拉回到最低位，是很有必要的。因此，利用原有抬升缸的有杆腔作用，将两侧抬升轨道作用点处加工成T型通槽，具体改进结构见图6。抬升液压缸活塞杆头部也设计成T型头，在活塞杆下降时，利用活塞杆头部T型头与轨道止口形成配合面，对轨道施加向下拉力，使轨道下降。

5 结语

通过介绍工作辊抬升装置的工作原理及结构特征，为抬升装置的故障分析提供了理论基础。结合现场故障分析进行改进，最终解决了工作辊换辊不顺的问题。在使用过程中，改进后的结构运行稳定，故障率低，满足了热连轧更换工作辊的要求，提高了轧线生产率。