浅析高刚度短应力线轧机，轧机技术（63）

　伴随着世界冶金技术的飞跃发展，在“降本增效”思潮的引领下，为实现高产优质低耗的目标，目前我国现代化的小型棒材、线材以及窄带钢轧钢车间普遍采用了高刚度短应力线轧机，该机型以其机架刚度大、产品精度高、设备重量轻、辊缝对称调整、操作简单、工作可靠、投资低等优点，已成为世界各钢铁企业配置的主流机型。

　1、高刚度短应力线的原理

　所谓短应力线，是指与传统的牌坊式轧机相比，该机型缩短了应力回线。应力回线是指轧机在轧制力的作用下机座各受力件的单位内力所联成的回线，简称应力线。由于取消了牌坊和压下螺丝，明显缩短了轧制应力回线。根据胡克定律，轧机的弹性变形量与应力回线长度成反比，应力回线越短，所产生的弹性变形量越小，则轧机的刚度越高。如图1(a)、(b)分别为传统牌坊轧机和短应力线轧机的应力回线图。

　从图1中可以明显看出，短应力线轧机的轧制应力线更短，分布区域更宽，故具有较高的刚度。其实这种高刚度也是相对传统轧机而言的，是限定在一定轧辊辊身长度和轧制力范围内的，故该机型仅适用于中小棒线型材领域，对于大轧制力或较宽的带钢轧机还需采用有牌坊式的闭口轧机。

　2、高刚度短应力线轧机的突出优势

　20世纪40年代，瑞典摩根沙玛公司推出第一台新型轧机，旨在提高轧制负荷和轧机刚度，同时减小轧机重量和外形尺寸。这种属于无牌坊轧机，结果在其被推出的几十年内，在棒线材领域内，几乎完全将原有的老式牌坊轧机取代，而且近些年还被广泛应用在窄带钢生产线上。之所有如此广泛的市场，是因为其本身具有比传统牌坊轧机显著的优势：

　（1）承受轧制负荷方式不同。传统牌坊式轧机由牌坊承受轧制负荷，而短应力线无牌坊轧机由4根拉杆承受轧制负荷，由于传递路径短，大范围的保护了设备。

　（2）辊缝调整方式不同。由拉杆结构决定了短应力线轧机的轧制线为固定线，辊缝调整为对称调整，比传统牌坊轧机的单向压下操作简单、精准。这一特点对连轧机来说尤其重要。

　 （3）刚度与重量比不同。由于其较短的应力回线，带来了高刚度特性，导致在同样刚度系数的情况下，这种轧机的重量仅为传统牌坊轧机的1/3。

　（4）轧制力在轴承上分布角不同。由于短应力线轧机取消了压下螺丝，变集中载荷为分散载荷，与传统的牌坊轧机相比，其轧制力分布在滚动轴承内一个更广的包角(大于150°)，单位载荷的峰值减少一半以上，显著延长了轴承座和滚动轴承的寿命。如下图2所示，轧制负荷在轧辊轴承上的分布图。

　（5）轴承座抗变形能力不同。与传统牌坊轧机不同，由于短应力线轧机轴承座内配置了的浮动球面垫，如图3所示，这样可确保轴承座在任何方向上能自由地适应轧辊变形，避免了荷载的边部集中，延长了轴承和轴承座的寿命。

　（6）轴承座平衡方式不同。与传统牌坊轧机轴承座采用液压平衡结构不同，由于短应力线轧机轴承座是通过拉杆上的铜螺母悬挂在拉杆上，螺纹间隙将直接影响成品精度，故其轴承座采用机械式平衡系统(蝶型弹簧或者弹性阻尼体)进行平衡。如图4所示，由于平衡力的方向与轧制力方向一致，该系统可消除拉杆和拉杆铜螺母之间的所有间隙，确保辊缝调整的精度和可靠性。

　（7）换辊方式不同。与传统牌坊轧机采用在线换辊不同，由于短应力线轧机取消了轧机牌坊，采用离线整体更换机芯的方式，可将换辊时间压缩到10min以内。旧机芯吊到磨辊间进行换辊、清洗等工序，而新的机芯中轧辊和导卫已经在磨辊间经过预先设定，安装在轨座上即可进行轧制，节省了大量调整时间，显著地提高了生产效率。

　从20世纪40年代，瑞典摩根沙玛公司推出第一台短应力线轧机后，短应力线轧机就受到各个钢企的青睐，同时冶金市场也先后推出几种其他类型的短应力线轧机，经过市场多年优胜劣汰，目前全世界范围内，意大利达涅利公司的“SHS第5代无牌坊短应力线轧机”(如图5所示)和Pomini公司的“ＲedＲing第4代短应力线轧机”(如图6所示)以其绝对的优势成为该领域的主流机型。而像德国SMSMeer的HL、STEM以及国内北京钢铁学院开发的SY、中冶京诚开发的Ceri和中冶南方开发的WHL短应力线轧机等均是在上述两种机型上，根据冶金市场不同需求升级改造的短应力线轧机机型。

　纵观短应力线轧机的发展历程，以及横向对比各主流机型的结构，总结出短应力线轧机本体主要由如下结构组成：

　机架装置、辊缝调整装置、拉杆装置、辊系装置和导卫架装置组成。而加上动底座装置、轨座装置、接轴托架装置以及传动装置便构成了一套短应力线轧机机列布置结构，如图7所示。下文将以上述两种主流机型为蓝本，详细介绍短应力线轧机的结构组成及各部件的功能。

　3．1机架装置

　机架装置的主要功能是为整个短应力线轧机提供一个主体框架，同时承受压下装置、辊系装置、拉杆装置以及导卫架等装置的重量，并将这些重量通过动底座和轨座传递到基础上。由4个机架、上横梁、防轧辊轴向窜动等部件组成，如图8中黄色部分所示。

　该框架上直接安装拉杆、动底座以及导卫架等装置，机架装置提供了3种安装接口：

　①4个与拉杆连接的孔；

　②与导卫架连接的孔；

　③与动底座连接的键槽和销孔。

　此外，该装置上还设置了防止轧辊轴向窜动装置。总的来说，机架装置的主要功能是提供短应力线轧机主体框架。

　如图8所示，左边为Danieli式机架，右边为Pomini式机架。两者主要区别在以下3方面：

　①拉杆间距，Danieli机型的拉杆间距A相对Pomini机型更加紧凑，故应力线更短、轧机刚度更高；

　②开口度滑动面，Danieli机型的开口度滑动面长度相对Pomini机型较大，导致其开口度范围有较大的优势；

　③机架与动底座接触面距轧制中心线距离L，Danieli机型的L值相对Pomini机型较大，这也导致其轧制时的倾翻力矩较大，同时也减少了动底座的高度即重量。总的说来，两种机架各有所长，Danieli式机架结构紧凑、重量轻。

3．2辊缝调整装置

3．2辊缝调整装置

辊缝调整装置也称压下装置，主要功能是调整轧辊辊缝，由常规的传动齿轮和箱体组成。辊缝调整的具体传动路径：马达驱动拉杆做旋转运动，带动与拉杆螺纹配合的铜螺母做上下直线位移，进而拖动双侧轴承座的升降运动，由于同一拉杆上下部分螺纹的相反旋向，最终实现轧辊辊缝的对称调整。辊缝调整装置设有离合功能，既能传动侧和操作侧同步调整，又可以单侧调整，确保避免楔形压下。此外，由于短应力线轧机通常采用磨辊间离线粗调与轧制前在线精调辊缝相结合的方式，辊缝调整装置还具有手动调整的功能。

如图9所示，分别为Daniel式和Pomini式压下装置主流结构形式示意图，两种机型的传动路径形式略有不同，Danie-li型传递路径：液压马达-蜗杆-蜗轮-齿轮轴1-同时驱动两个齿轮轴2-通过花键驱动拉杆旋转;Pomini型传递路径：液压马达-蜗杆-蜗轮-伞齿轮1-伞齿轮2-通过双键驱动拉杆旋转。总的来说，两种传递形式各有利弊，出于齿轮轴1分度圆不能太大的考虑，Daniel式适于中小型轧机，Pomini式适于中大型轧机，也可根据实际情况灵活调整。

但对于中小型轧机，尽量避免采用Pomini式，因为该形式采用了大量的伞齿轮，会给加工制造和日常维护带来诸多不便。

　3．3拉杆装置

　拉杆装置的主要功能是将压下装置的动力传递到铜螺母上，铜螺母安装在轴承座内，进而驱动轴承座升降，最终实现轧辊辊缝的调整。由4个拉杆、铜螺母、自适应球面垫、压盖以及辊系平衡系统等部件组成，其中每个拉杆上下端部设置有旋向相反的梯形螺纹，用于安装相同旋向的铜螺母，每2个拉杆穿起2片轴承座，4个拉杆穿起4片轴承座，组成操作侧和传动侧，双侧的上下轴承座内装配轧辊，如图10所示。

　从结构特点来说，拉杆装置在整个轧机中起着承上启下的作用，具体体现在如下7个方面：

　①拉杆顶部设置有花键或双键，负责将压下装置的动力传递下来，驱动拉杆旋转；

　②拉杆上下端部的梯形螺纹与铜螺母配合，通过压盖螺钉将轴承座乃至整个辊系悬挂在拉杆上；

　③拉杆中间的轴肩将其他部件的重力传递到机架装置和动底座，最终传递给设备基础；

　④拉杆装配还设置有辊系平衡系统，该系统提供大于整个上辊系重量的反力，使拉杆和铜螺母间无螺纹间隙，确保轧制精度。

　两种主流机型的平衡原理也不相同，一种是通过内置碟簧、弹簧或者弹性阻尼体实现，另一种是通过外置弹性阻尼体或柱塞缸实现，详见图11所示。由于外置式弹性阻尼体的反力和轧机开口度大小成反比，当开口度较小时，弹性阻尼体压缩量往往很大，导致内部胶体压坏，而用户为了增加轧辊在线利用率，往往会要求尽可能小的开口度，这便导致外置式弹性阻尼体平衡方式市场占有率不高。

　⑤拉杆承受着整个短应力线轧机的轧制力，轧制力通过轧辊传递到轴承以及轴承座，轴承座同时将轧制力传递到铜螺母上，铜螺母直接传递到拉杆上，由于拉杆的上下对称设计，拉杆会受到一对大小相等方向相反的轧制力，最后通过拉杆将轧制力消化。

　⑥拉杆还设置有铜螺母防旋转功能，这样才能确保拉杆旋转时上下对称布置的铜螺母分别作对称上下移动，进而带动轴承座和轧辊移动实现辊缝的对称调整，保证轧制线不变。两种主流机型的防止铜螺母旋转结构也不相同(见图10)，Danieli采用定位销实现防止铜螺母旋转功能，而Po-mini则在铜螺母外侧设置齿轮通过销齿固定来实现防止铜螺母旋转功能；

　⑦拉杆与轴承座之间设置有球面垫，确保轧制过程中轴承座的变形能够自适应，避免出现边部应力集中，延长轴承和轴承座的寿命。

　可见，压下装置、辊系装置、机架装置以及动底座装置在拉杆装置的连接作用下，实现了相互关联，构成了短应力线轧机的基本结构形式。

　3．4辊系装置

　辊系装置的主要功能是将操作侧和传动侧的轴承座连接，利用轧辊完成对轧件的轧制，由轧辊、轴承、轴承座以及轴向调整装置组成，如图12所示。由于短应力线轧机常用于型钢和棒线生产线，轧辊上设有孔槽，而孔槽的位置精度决定着成品的精度，故设有上辊轴向调整装置，一般调整量为±3．0～4．5mm［7］，以确保上下孔槽的位置精度。轴向调整装置采用人工手动调整，通过蜗杆驱动斜齿轮旋转，进而带动梯形螺纹套旋转，螺纹副的旋转产生了轴向位移，由推力轴承带动轧辊产生正负轴向位移。

　如上文所述轧辊有轴向窜动的要求，辊系装配采用了四列圆柱滚子轴承，其承载能力大轴承寿命长，属于轧机专用轴承，但由于其只能承受径向力，不能承受轴向力，故操作侧轴承座内设置了双列角接触球轴承来承受轴向力。由于四列圆柱滚子轴承的外圈可以自由脱出，这样内圈就可以事先套在轧辊辊颈上，外圈则可先装入轴承座内，将轴承座推到辊颈上与内圈配合，轴承座与轧辊的装配就变成了轴承本身的自装配。从该装配可以看出，轴承和轴承座受力情况好，且由于该轧机取消了集中载荷的压下螺丝，轧制力分布包角大，加上采用四列圆柱滚子轴承以及球面垫的自适应功能，使轴承受力均匀，应力降低，故与牌坊式轧机相比轴承寿命有显著的提高。

　3．5导卫架装置

　导卫架装置的主要功能是固定入出口导卫，并可调整导卫位置，使其与轧辊孔槽在一条线上，确保轧件的顺利轧制，此外还轴向连接传动侧和操作侧机架，增加了轧机轴向刚度。由入出口导卫架、燕尾座、压紧装置、丝杠、连接机构等组成，如图13所示。导卫通过燕尾座固定在导卫架上，通过压紧装置调整压紧的强度。燕尾座与铜螺母连接，人工手动旋转丝杠使得铜螺母带动燕尾座上的导卫在导卫架上左右横移，进而实现入口和出口导卫位置的调整。此外，在燕尾座的内侧还设置有轧辊孔槽的冷却水装置，用于冷却轧槽保护轧辊。

　两种主流机型的导卫位置调整原理一致，均采用丝杠和螺母结构，但其轴向连接操作侧和传动侧机架的方式不同，导致两者的轴向刚度相差较大：Danieli机型将导卫架装置与机架通过螺栓和定位销完全连接起来(导卫架高度不可调)，增加轧机轴向刚度的同时完成了导卫架的功能，当换辊时只需将传动侧的螺帽拆掉，便可将传动侧和操作侧分开，此时导卫架仍固定在操作侧机架上，但不影响其在换辊机械手上的换辊工序;而Pomini机型导卫架则是通过具有一字孔结构的螺栓连接在机架上，其导位架高度可灵活调节，但是对增加轧机轴向刚度的贡献很小，当换辊时需要将导卫架整体拆掉才可完成换辊工序。

　可见，虽然Pomini机型导卫架高度可调带来了操作上的便利，同时却削弱了轧机轴向刚度，但其轧机本身的重量和外形均比Danieli轧机略大，从刚度和截面积大小成正比来讲，pomini轧机的整体刚度会相应的得到一定补偿。另外值得一提的是，Pomini机型在机架横梁上还额外的设置有导卫上压紧装置，该装置会配合导卫架压紧装置，确保导卫在较大的咬钢冲击和机架间张力等工况下的稳定性，确保轧制安全可靠。

　此外，还有一种落地旋转导卫架也是常见的形式［9］，该形式主要优点是导卫架是固定在轧机入口和出口的基础上的，无需调整导卫位置，导卫永远布置在轧制中心线上，但是该形式导卫架在更换导卫时，或者更换机芯时，都需要将导卫架旋到轧线外，给操作带来不便，具体采用何种形式导卫，可根据用户的实际情况灵活配置。

　3．6其他装置

　上述5个部件仅构成了短应力线轧机的机芯，除此之外，轧机还包括动底座和轨座两个部件，这两个部件主要功能是将短应力线轧机机芯安装在轧线上，辅助轧机完成轧制任务。而两种主流机型的设计理念相同，设备结构也大同小异，在此不再赘述。

　4、结论

　综上所述，高刚度短应力线轧机由于其缩短了应力回线，提高了轧机刚度，加上其本身设计紧凑，轴承寿命长，重量轻，投资少，操作方便等特性，已成为型棒线领域的佼佼者，引领着钢铁设备的飞速发展。文中介绍的两种主流机型也随着科技的发展和用户更新的要求，发生着与时俱进的升级和改进，相信在世界钢铁行业工程师们的创新开拓下，在不久的将来还会推出更好更快更高效的轧机，同时也会进一步推广到机械行业的其他领域。

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来源：云轧钢