粗轧机压下螺母磨损影响的分析

王修全，杨永兴

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

1 问题描述

2800 mm热粗轧机是某铝企铝板轧制的关键设备之一，1970年由中国一重设计并制造，1989年由日本IHI公司改造，既可单独生产厚板，也能与精轧联合生产卷材[1]，至今已有50年。

该轧机通过两侧的电动压下装置调节辊缝，调节精度可达0.02 mm。电动压下装置主要由电动机、离合器、压下减速机、压下丝杆、压下螺母等组成[1]。压下装置螺纹规格为S520 mm×48 mm，压下丝杆材料为40Cr，压下螺母材料为ZQAL9-4。该轧机因保养良好，从未更换，使用年限已达50年，并且近几年由于轧制工艺需求，采用静压力轧制方式较多。静压压下时，最大静压力达到700 t，是空载压下时载荷的10倍以上。这导致压下螺母磨损加剧，螺旋副摩擦因数降低，当量摩擦角减小，不满足螺旋副自锁条件。而粗轧机主要采用大压下量轧制，瞬时冲击载荷较大，出现明显的辊缝回弹，辊缝精度无法保证，产品质量和生产效率均受到影响。考虑到除了压下螺母磨损导致螺纹强度下降以外，设备还存在安全风险等因素，决定对其进行更换。

2 现象及数据

压下螺母更换过程非常顺利，成功消除了辊缝回弹。为进一步分析并总结压下螺母磨损的影响，对更换前后的现象及数据进行了收集和整理。

结果表明：更换前，有辊缝回弹，且更换过程中螺母受重力作用在丝杆上出现打转现象；更换后，无辊缝回弹，恢复了辊缝精度。

更换前后数据对比如表1所示。

表1 螺母更换前后数据对比

3 影响分析

根据上述现象及数据，本文从螺纹强度、自锁性能、电流及静压力3个方面对压下螺母磨损的影响进了分析。

3.1 螺纹强度

与压下丝杆相比，压下螺母材料质地较软，可忽略压下丝杆磨损，根据表1数据，可近似认为旧压下螺母磨损量Δ=7 mm-1.4 mm=5.6 mm。

新压下螺母螺纹牙的剪切应力τ和弯曲应力σ的计算公式[2]为：

式中：F为螺纹受到的轴向载荷；D为螺母螺纹大径；b为螺纹牙根部宽度，锯齿形螺纹b=0.74 P；n为螺纹旋合圈数；h为螺纹牙型高度。

由于旧压下螺母磨损，其螺纹牙根部宽度减少。考虑到未发生严重的发热问题及产生大量铜膜，采用图1所示的均匀磨损模型来进行分析。

图1 均匀磨损模型

根据磨损量，可近似计算出磨损后的螺纹牙根部宽度b′：

带入强度计算公式，可得旧压下螺母螺纹牙的剪切应力τ′=1.19τ和弯曲应力σ′=1.41σ。

由此可知，在其他参数均不变的情况下，只考虑压下螺母均匀磨损的情况，其螺纹牙的剪切应力是新压下螺母的1.19倍，弯曲应力是新压下螺母的1.41倍。若考虑磨损不均匀及压下螺母受附加力作用等因素，则剪切应力和弯曲应力还将更大。旧螺母的螺纹强度已明显下降，而轧机大压下量咬入时，瞬时冲击载荷较大，在极端情况下可能崩牙。

3.2 自锁性能

梯形螺纹具有自锁性能，其螺旋副自锁条件[2]为：

式中：α为螺纹升角；φ为螺纹当量摩擦角。

螺纹磨损与接触面应力有关，与空载压下只克服过平衡力相比，静压压下时，压下螺母螺纹所受的负载是过平衡力的数倍，这导致压下丝杆与螺母之间接触应力增大，摩擦力增大[3]。这些情况加剧了压下螺母磨损，使螺旋副摩擦因数减小，当量摩擦角φ减小，不能满足上述自锁条件。而热粗轧机主要采用大压下量轧制，轧件咬入时，瞬时冲击载荷较大，螺旋副无法自锁，出现明显的辊缝回弹。

拆下的旧螺母由于自身重力作用，会在压下丝杆上打转，这一现象又进一步证实了螺旋副无法自锁的观点。

3.3 电流及静压力

压下丝杆下降所需的力矩M计算公式如下[2]：

式中：F为螺纹受到的轴向载荷；d1为球面垫直径=435 mm；μ为压下丝杆与球面垫间的摩擦系数=0.1；d2为压下丝杆平均直径=520-0.68×48 mm=487.4 mm；α为螺纹升角；φ为螺纹当量摩擦角。

对于新压下丝杆，其螺纹当量摩擦角取设计尺寸φ=5°43′（摩擦因数0.1）。

对于旧压下丝杆，考虑压下螺母磨损，螺纹当量摩擦角减少。根据自锁性能的分析，可认为该螺旋副不满足自锁条件，取φ′=α=1°45′来进行计算分析。

空载压下时，丝杆克服过平衡力的能力下降，过平衡力由主平衡缸提供，由于重锤蓄能器的重力势能可以保压，故螺纹受到的轴向载荷一定。将以上参数带入力矩计算公式，可得新、旧压下丝杆下降所需的力矩M=4.64F和M′=2.94F。

压下丝杆的力矩折算到电动机轴上的力矩T：

式中：i为总传动比；η为总传动效率。

对于他励直流电动机则采用下列公式计算[4]：

式中：CT为电动机的转矩常数；Φ为主磁极的磁通；Id为电动机的电枢电流。

由上述公式可知，在其他参数不变的情况下，Id和M成正比关系。

则新、旧压下丝杆、螺母的压下电流比值x为：

根据表1数据，计算出实际测量的平均电流比值为x′=1.61。

对辊压靠时，压下电机处于堵转状态，最大电流一定，产生的扭矩一定。新、旧压下丝杆、螺母螺纹受到的轴向载荷的比值y为：

对辊压靠时，螺纹受到的轴向载荷由过平衡力和静压力两部分组成，过平衡力为59.5 t。根据表1数据计算可知，实际测量的平均轴向载荷比值为y′=0.61。

电流及静压力的计算值与实际测量值相比有一定差距。但若考虑新压下丝杆、螺母配合面存在凹凸不平导致附加力矩、摩擦因数较大等情况，则计算值与实际测量值将更加接近，因此该计算分析与实际情况比较符合。

针对2800 mm热粗轧机出现的辊缝回弹问题，经查阅相关资料，对回弹现象进行了分析，确定了根本原因为压下螺母磨损严重。通过脱开平衡缸，释放丝杆与螺母的间隙，测量丝杆下降位移并与图纸比对，确定了实际的磨损量[5]，进一步证实了压下螺母磨损严重的观点，并通过磨损量对螺纹强度进行了分析。考虑辊缝回弹问题以及螺纹强度下降带来的隐患，制定了更换压下丝杆和螺母的方案。备件尺寸复核后，对其进行了更换，成功消除了辊缝回弹现象，恢复了辊缝精度，同时也降低了设备的安全隐患。在此基础上收集整理了更换前后的现象及数据，并对压下螺母磨损的影响进行了分析，为解决同类问题总结了技术经验。

4 结束语

结合某厂2800 mm轧机出现的压下螺母磨损情况，得出以下3点压下螺母磨损影响的结论：

（1）螺纹剪切强度和弯曲强度降低，弯曲强度降低较为明显，极端情况下可能崩牙。

（2）当量摩擦角减小，超过临界范围时，螺旋副无法自锁。

（3）负载一定时，电机电流降低；电机电流一定时，压靠静压力增大。可根据电流及静压力变化趋势评估螺纹磨损情况。

当压下螺母磨损造成辊缝回弹时，通过更换两侧压下装置的丝杆和螺母即可消除该问题，有效恢复辊缝精度。以上结论均与实际现象及数据相符，对同类型设备的使用和维护具有一定的参考价值。