修磨机磨头振纹产生的原因及控制方法

2024-01-04刘博

机械管理开发 2023年11期

刘博

（中国宝武太钢集团不锈冷轧厂，山西太原 030003）

0 引言

不锈钢因其较高的耐蚀性及装饰性而得到广泛的应用，尤其在医疗用具、食品工业用具、餐具、厨房用具等方面得到普及与推广。太钢冷轧厂2 号修磨机组生产的抛光板在电梯装饰板、地铁车厢装饰板、冰箱面板等方面得到了广泛的应用。但振纹引起的表面缺陷，成了影响带钢表面的重要问题。结合笔者的实际经验探讨修磨机振纹产生的原因，以及从设备维修方面提出对振纹的控制方法。

1 研究对象说明

太钢不锈冷轧厂2 号修磨机组是太钢唯一的1 台对冷轧退火酸洗后的不锈钢成品钢带进行抛光研磨的机组，可生产AISI NO.3 和AISI NO.4 等级表面的不锈钢抛光板或发纹板。其主要配备开卷机，焊机，2 台下表面磨头，4 台上表面磨头，发纹机，脱脂、卷取机以及修磨油过滤器等。磨头，是该机组的关键设备，由美国HILL ACME 公司生产。

作为抛光研磨的核心部件磨头，就是利用砂带的高速旋转来修磨或抛光带钢表面的设备，其结构如图1 所示，其中摆动辊、接触辊、被压辊垂直排列，偏导辊位于出入口侧。

图1 磨头结构

它的各个组成部分的功能说明如下：

1）摆动辊：在其驱动侧配有一摆动气缸，配合砂带对中系统来控制摆动辊往复摆动，达到砂带前后摆动的目的。另外，摆动辊两端由大直径立柱来支撑，通过其上下的运动来崩紧砂带，通过其后部的气缸运动来保证砂带的张力恒定。当砂带张力变化时，气缸就运动，直到产生的砂带张力克服了气缸内气体的压力为止，气压维持砂带的张力恒定，即使由于砂带被拉长而引起砂带长度的变化，张力也保持不变。钢辊规格尺寸为Φ403 mm×1 473 mm。

2）接触辊：其高速旋转带动砂带高速运动来完成对钢带表面的修磨。接触辊配有驱动电机，经过V 带传动接触辊主轴，主轴带动接触辊旋转。接触辊的操作侧有一个向下摇摆的轴承支撑架。这个支撑架在修磨的过程中确保稳定支撑，向下摇摆用于快速更换砂带。胶辊规格尺寸为Φ216 mm×1 422 mm。

3）被压辊：可以平行和横向调节，其上下运动由液压缸来完成，其上下运动可以使钢带产生倾角张力，以贴紧砂带。依据磨削压力可调节被压辊轴承座，通过伺服电机来控制。钢辊规格尺寸为Φ203 mm×1 472 mm。

4）偏导辊：安装在每台修磨机的进口端与出口端，其上下运动调节可以使钢带产生0°～20°的倾角，倾角越大，带钢修磨程度越大，大的倾角用于修磨（如20°的倾角），而小的倾角用于抛光（如5°～10°的倾角），胶辊规格尺寸为Φ305 mm×1 370 mm。

5）砂带自动对中系统：当修磨砂带运转时，一套气动对中系统可以确保砂带在一定控制范围内运动。砂带对中系统是利用一个可以产生压力的“气眼盒”来检测砂带的边缘，当砂带在辊道上运转，其边缘通过空气喷射管和2 个铜片之间，当砂带位于中央时，砂带就会挡住喷向后边铜片的空气，而不会挡住空气对前面铜片的冲击，前边的铜片与一个常闭微动开关相联，这个微动开关闭合，此时，微动开关发出一个信号使一个气动电磁换向阀换向，使压缩空气进入摆动辊后部的气缸内，气缸运动使摆动辊向后摆动，这样砂带就会向后运动，重新对中；一旦砂带又重新对中，此时常闭微动开关又打开，电磁阀不动作，一个弹簧机构使托辊的后部复位，气缸回到中间位置；如果砂带向后运功，空气喷射到后边铜片，使常闭微动开关闭合，使气动电磁换向阀换向，气缸运动使摆动辊向前摆动，从而确保砂带在一定控制范围内运动。

2 振纹产生的原因

因为抛光板多用于一些装饰面板上，所以表面的缺陷对于钢板来说就成了致命缺陷。振纹，就是带钢表面出现一种明暗相间、与带钢运动方向垂直的条纹，是由板面振波由于对光的不同反射角度而引起的一种视觉现象[1]。

振纹的产生就是由于设备的振动，通过与钢板接触的接触辊传导到钢板表面，从而产生明暗相间的视觉效果。所以想要控制振纹，就是要控制设备的振动。但是由于磨头部分，包含机械、电气、液压和控制等多个组成部分的复杂系统，凡是能对系统造成冲击或引起作用力变化的因素都可能导致振动的发生[2-3]。

3 振动排查和控制方法

振动源的查找利用排除法来完成。具体分为以下几个步骤：

1）降低机组运行的线速度，如果振动有改善，说明被压辊出现故障，可检查辊子轴承是否良好、辊子平直度、辊轴两端同轴度等。经长期的观察，这种故障情况很少，并且可以通过换辊马上排除故障。

2）单机空载旋转时，可通过拆下砂带比较振动情况，如果振动有改善，基本可以肯定是由于摆动辊故障产生的，可主要检查以下几个方面：一是摆动辊本体有故障的前提下，可检查轴承是否良好。更换轴承或者更换辊子即可排除故障。二是修磨油进入辊筒内，摆动辊高速旋转时，由于油液产生的附加离心力破坏了辊子平衡，会造成振动。这种故障均是由于辊子轴头油封损坏造成的，排出辊体中的油液，更换密封即可排除故障。三是摆动辊的升降是为了保证砂带的张力恒定，如果张力不恒定，也会带来振动。如图2所示，摆动辊A 是由气缸B 拉动齿条，由齿条驱动齿轮，再由齿轮驱动摆动辊两端带有齿条结构的立柱来实现升降的。所以想要保持张力恒定，必须保证气缸无泄漏，并且气源压力稳定。另外，还要检查机械结构传动无卡阻。四是砂带自动对中时，摆动辊摆动冲击过大，造成振动。摆动辊的摆动是由一个装在摆动辊驱动侧的单作用气缸与弹簧的结构来完成摆动的。这时可调整气缸节流阀，降低摆动的换向速度，以达到减小冲击、减轻振动的目的。

图2 摆动辊结构

3）单机空载旋转时，通过拆下砂带比较振动情况，如果振动没有改善，可判断是接触辊故障产生的，可主要检查以下几个方面：一是如图3 所示，接触辊与主轴的连接是靠辊端的锥头与主轴端的锥母紧密配合，才能使辊子与主轴同轴。如果同轴情况稍有偏差，在高速运转中就会引起振动。所以锥体部分必须为50 号的7∶24 锥度体，并且锥度体结合面要有较小的粗糙度、较高的硬度。在每次更换接触辊前都应该用标准环规检查接触辊锥头锥度，用干净的布子擦拭外锥面，用风管吹扫主轴内锥母，保证无磨屑黏附后方可安装。二是螺栓要有足够的预紧力。足够的预紧力，也是为了辊子和主轴的锥度体有紧密的配合，从而防止振动的产生。三是接触辊操作侧轴承型号是NU312ECM，NU 型号轴承是内圈无挡边滚子轴承，轴承滚动体可以相对于轴承内套在轴向方向移动。这样要求轴承内套必须是过盈配合，安装需热装，保证在运转时轴承内套与辊轴无相对运动。该轴承为油雾润滑，必须保证润滑可靠，可通过观察透明的油雾润管道中油雾的流动情况，来判断润滑量是否足够。四是如图4 所示接触辊操作侧轴承座与外侧支撑必须同为60 号的7∶24 锥度体且螺栓锁定可靠。五是传动皮带恰当的张紧力，能够起到过载保护和隔绝主电机振动的作用。在修磨机抛光作业时，磨削力相对较小，可以适度减小张紧力。六是主轴操作侧的径向圆跳动必须控制在0.03～0.05 mm 之间，传动侧的径向圆跳动必须控制在0.10～0.15 mm 之间。这是由于前端轴承（7222）为两盘背靠背安装的角接触轴承，可以用丝圈调整微量游隙。但后端轴承（N319）为外圈无挡边的滚子轴承，该轴承游隙略大，且不能调整。如果跳动量超过控制范围要求，需要拆下主轴轴承箱，检查轴及轴承有无磨损等的失效形式。轴承损坏，需一次性全部更换4 盘轴承，不能只更换失效轴承。主轴磨损，一般在前端轴承内圈处，可使用热辐射影响较小的激光焊堆焊，然后再磨削至原始尺寸，安装后基本可以满足圆跳动需求。

图3 接触辊结构

图4 接触辊润滑部位结构

4）其他方面：同样为了隔绝振动，可以选用辊面为邵氏硬度55、接触面为宽10 mm×10 mm、倾角45°的接触辊。并在1 800 r/min 转速下转动平衡；钢带稳定的张力，可以减少振动的产生；修磨油的喷射压力稳定，喷射均匀。良好的润滑也可以减少振动的产生；接触辊主动电机需要有较好的动平衡，较小的振动；为了提高轴承箱的装配精度，装配需采用定向装配的方法，可参考车床主轴的装配；轴承箱的轴承选用，需P5 及以上精度等级轴承。

4 对设备的改进

1）因为原有螺栓预紧力不足，操作工经常发现有振纹产生，这样就需要重新紧固螺栓。针对这一设备的不足，研发人员设计了“修磨接触辊锁定装置”，如图5 所示。该设计选用M24×1215 的双头螺柱，M24×2RH 的液压螺母（amtec H-9405）。利用液压螺母+双头螺柱替代原有螺栓，用液压顶力替代了传统的扭力螺纹锁紧，受力压环产生轴向的顶紧力，实现了无耗件、低维护。另外，为减少高速运转下液压螺母自身带来的跳动，在距离液压螺母约20 mm 处专门设计一个8 mm 宽凸起的小台阶，与轴承箱主轴孔紧密配合，在如此短距离下，由于液压螺母的压力很大，即使在高速运转下也可以让液压螺母与双头螺柱、轴承箱处于相对静止状态，最大限度地减少因自身重量造成的振动。此装置使接触辊锥面与轴承箱主轴锥面配合更紧密，稳定性更高，解决了原先由于螺栓松动而引起的两锥度配合轴线不共线的问题，使振动得到了有效控制。此装置已经在太钢不锈冷轧厂2 号修磨机组的6 台磨头上安装使用，使用后证明此装置安全可靠，同时缩短了劳动时间，提高了产品质量和成材率。此装置已于2013 年3 月获得专利——《修磨接触辊锁定装置》（专利号：ZL201220398675.2）。

图5 改进后的接触辊装置结构

2）如图6 所示，接触辊的操作侧有一个向下摇摆的轴承支撑架。这个支撑架在修磨的过程中可以确保稳定支撑，向下摇摆用于快速更换砂带。支撑架经常需要拆装，螺栓使用频繁，使接触辊轴承座的螺栓孔“脱扣”。针对这一问题，研发人员对轴承座端盖进行了改造：如图6 所示，用镶套法对原有端盖进行了改造，在原有端盖M24 孔位上扩孔后攻一个M48 的内丝。再另外加工一个内丝为M24、外丝为M48 的高强度丝套。然后把丝套旋入端盖，增加了丝扣的强度，加大了端盖承受扭力，这样端盖螺栓就不会轻易产生松动，外支撑架能够与轴承座紧密配合，减少了振动。本方案已经在太钢不锈钢冷轧厂2 号修磨机组6 台磨头上投入使用，经过历时28 个月实际运行，使用情况正常良好。

图6 轴承支撑架

3）原有摆动辊的摆动缸为单作用缸，回程靠弹簧复位。复位时摆动冲击过大，会带来额外的振动冲击，并且弹簧频繁压缩，经常需要更换，频繁地造成停车，严重影响了机组的生产效率。针对这一问题，研发人员设计了“修磨机摆动辊的驱动装置”，如图7 所示。利用现有的安装位置，制作支架和拨头，把风缸1 安装在摆动辊支撑座上方，利用原有风缸2推出，用风缸1 代替原有弹簧复位，实现纯气动控制，取消了原有的弹簧，实现了无耗件、低维护。另外，在两个风缸的入口处增加了节流阀，可以方便地控制换向速度，减小了换向冲击，降低了产生振动的可能。此装置已经在太钢不锈冷轧厂2 号修磨机组的6 台磨头上安装使用，经过使用后验证了此装置安全可靠，同时能够缩短劳动时间，明显提高产品质量和成材率。