数控轧辊磨床相关缺陷分析及维修

摘要：WS 600/450－16×5000型数控轧辊磨床存在床头箱启动力偶矩不够、磨削后轧辊圆度超标、磨削表面产生振痕。对相关缺陷分析，进行改善维修。

宝钢热轧厂现有HERKULES公司产WS600/450一16×5000型数控磨床一台，承担带轴承箱的Fl一7精轧工作辊的磨削。该磨床zui大加工直径1.2m，zui大加工重量16t，zui大加工长度5m。该类磨床在国内钢铁业冷热轧生产线中广泛应用，采用其自己开发的HCC数字控制系统，软件运行稳定，人机界面友好。但磨床整体刚性略显得不够（针对宝钢2050热轧辊来说）。特别宝钢热轧线大量投入使用Fl一3高速钢工作辊后，使得该磨床状态在高负荷下性能欠佳。

    一、床头箱启动力偶矩不够

    大直径热轧辊在启动时的驱动力偶矩很大，原设计的床；箱一级传动皮带打滑。大负荷时实测，75kW的床头箱直流电毛启动电流在208A时，电机皮带盘打滑。

    1．托架两托瓦分布形式不合理（图1）

    宝钢2050热轧精轧工作辊的zui大重量约为10t，两个轴承座每个约重3t，后者已由两个液压软支撑承担了。因此，作用在轧辊静态时的受力分析如下：
    假定重力W=9.81×104N
    底瓦支撑力F_b＝W/cosl6. 5°= 1. 04 W, N
    侧瓦支撑力F_s＝W•tgl6.5°=0.296W, N
    轧辊旋转时（底瓦处的摩擦因数为μ1，侧瓦处为μ₂）则：
    底瓦处摩擦力＝F_bμ₁＝1.04 Wμ₁ ，N
    侧瓦处摩擦力＝F_sμ₂=0.296 Wμ₂  ，N
    从而可知，床头箱驱动轧辊旋转的驱动力FD为：
    F_D （摩擦力之和）=（1.04μ₁十0.296μ₂） W, N
    托架的圆弧半径R=0. 315m，因此轧辊旋转的驱动力偶距T为：
    T= F_D•R＝0.315（1.04μ₁＋0.296μ₂）W，N•m     （1）
    如图1，由于HERKULES公司的轧辊磨床托架采用的托瓦形式为90°侧瓦（与垂直线夹角为90°）和较小倾斜角底瓦（与垂直线的夹角为16.5°）。可见，轧辊重量主要的依靠底瓦承担。如（1）式结果，阻碍轧辊转动的力偶矩集中在底瓦摩擦力偶距上。这是造成床头箱启动力偶矩不够的一个因素。而德国WALDRICH公司生产的同类轧辊磨床，其托架两托瓦分布形式为侧瓦（与垂直线的夹角为65°）和底瓦（与垂直线的夹角为25°见图2。两片托瓦同时承担轧辊重力F_s= W/cos25°=0.91 W, N；F_s= W/sin25°=0.42W,N；阻碍轧辊转动的力偶距分散在两片瓦上，便于轧辊启动。

 

    另外，HERKULE公司90°侧瓦的结构形式，造成托瓦润滑油在瓦的表面很难集聚，而不易与辊颈间形成油膜，因此在实际生产过程中（1WS600/450轧辊磨床性能失效分析和维修式中的μ₂  值将很大；16.5°底瓦使用的是干油润滑，与稀油推滑相比（1）式所示的μ₁ 值也将很大。这也是造成床头箱启动力矩不够的一个因素。而WALDRICH公司的托瓦形式有利于托瓦表面形成油膜，同时两托瓦均采用稀油润滑，减小了启动力偶矩。

    2．床头箱传动级数不够
    HERKULES公司该型号磨床床头箱采用二级传动结构，一级为皮带传动，二级为链条传动。各级传动轮之间的直径值相差很大，但传动轴之间距离却很近，造成皮带的包角很小，损失了一部分转矩。因此，虽然床头箱电机功率为75kW，但传动比过小，传递到花盘的转矩不够，是造成床头箱启动力偶矩不够的另一个因素。而WALDRICH公司生产的同类轧辊磨床，床头箱采用三级皮带传动结构。床头箱电机功率虽为50kW，但其传动比大，传递到花盘的的转距反而大很多。 

    3．改善维修
    轧辊驱动力偶矩不够，的解决办法是：在三角皮带的松边增加一套压紧轮装置（压紧轮直径l00mm）如图3所示，使电机皮带的包角增加到180°，并将原XPA3000的三角皮带更换成XPA3150，可以有效提高传动效率，避免启动时电机打滑现象。

    同时改变原托架托瓦的出油方式，有效地降低（1）式中μ₁和μ₂的值，从而降低轧辊启动时的阻力矩。采取的措施是：（1）将原托瓦外部滴油方式改为瓦内出油方式并开油槽，以提高润滑油的滞留时间，便于形成油膜降低摩擦力。（2）增加油管，将原底瓦干油润滑方式改为稀油润滑。

    二、轧辊磨削圆度超标

    磨削后轧辊传动侧的圆度偏差远大于轧辊辊颈圆度偏差。当轧辊辊颈圆度不佳时，磨削后轧辊传动侧圆度偏差容易超过0.1mm（同类轧辊磨床该值一般<0.05mm），且圆度偏差曲线始终呈椭圆形规律（如图4）。

 

    1．分析
    为确定磨不圆的根源，在转动轧辊时，对支撑轧辊托架各主要部位用百分表来测量振幅，参照图1，其结果为：A为0.02mm；B为0.02mm；C为0mm；D为0.02mm；E为0.06mm。这些都是辊振动的来源。
    轧辊支撑辊颈圆度是轧辊磨削时的基准，该圆度直接影响轧辊磨削后的圆度。而左右托架刚度和与辊径接触精度也将直接影响轧辊的磨削圆度。从检查的结果看，左右托架的刚性和精度是较差的。而E处的振幅是轧辊圆度误差的主要来源。这与HERMES磨床90°侧瓦，底瓦仅为16.5°斜角的结构有关。磨床花盘夹头为扁平夹头，驱动时与轧辊扁头点接触，两头垫有多片碟形弹簧，缓冲驱动力。因此必然产生一对驱动作用力偶，向左的力偶基本由侧瓦抵挡，而向右的力偶只有底瓦来抵挡。托架与床身的间隙、侧瓦丝杆的间隙、瓦面的弧度等都将影响E处的振幅大小。可见，驱动力偶会使轧辊每旋转一周作两次向右的振摆。实测E处振幅数值达0.06mm，直接造成轧辊磨削后圆度超标。另外，椭圆形的磨后轧辊圆度偏差曲线，也印证了E处振幅偏大（一般磨后轧辊圆度偏差曲线应呈偏心不规则圆型）。

    2．改善维修
    为提高圆度，采取以下措施：（1）铲刮磨床床身导轨面与托架接触面，要求每25mm ×25mm面积上的接触点均匀地达到12点。（2）铲刮巴氏合金托瓦，改善托瓦的弧面和轧辊辊颈的接触面。通过带轧辊旋转，检验铲刮效果。（3）更换侧瓦丝杆，并校验新丝杆自由间隙。修磨侧瓦压板内表面，确保侧瓦稳定固定。（4）更换花盘夹头碟形弹簧，合理调整夹头与轧辊扁头间隙。
    经过以上维修后，实测E处的振幅降低到0.01～0.015mm。使连续磨削了12件轧辊后，轧辊圆度有了较大提高，圆度误差在0.03mm以内和0.05mm以内的各有6件。

    三、磨后轧辊表面容易产生振痕

    1．分析
    磨削过程中，往复台振动明显，轧辊表面容易产生振痕。外圆磨床加工工件，表面产生振痕一般与砂轮主轴的刚性和轴承间隙有关。因此检查砂轮主轴的轴向和径向间隙。发现砂轮主轴与轴承的径向间隙达0. 25mm。该值明显偏大（出厂要求为0.1mm），这正是产生振痕的主要根源。

    2．改善维修
    解体砂轮主轴，在精密外圆磨床上对主轴的前后轴颈处作超精磨加工（磨削量0. 05mm），磨后圆度和圆柱度误差都在0.002mm以内，表面粗糙度为Ra0.02μm。另用胶木研磨轴，长度为前后轴颈总距离再加250mm，也在精密磨床上精磨两个轴颈处，其尺寸为砂轮主轴轴颈精加工后实测尺寸加0.08mm。然后，调整主轴轴承的内孔，使其尺寸比实际主轴轴颈尺寸小0.05mm。逐步刮研主轴承的内孔，使研磨轴与轴承内孔的接触点数每25mm×25mm在12点以上。此时轴承与砂轮主轴的实际间隙在0.lmm以内。zui后，用煤油*清洗轴承内孔及全部轴承副，至少洗两次，以保证间隙之间没有任何异物。装上两条皮带后转动砂轮主轴，每挡速度开动半小时，逐步上升至工作转速，温度平衡后，可以增加皮带数后开始试磨轧辊。
    为防止带负荷磨削时主轴咬死，在装砂轮前先用80mm×80mm×1500mm的木料，垫在砂轮主轴前端，人为作用约1000N外力（相当于在主轴前端作用了约10000N的阻力），让主轴按加工速度旋转一段时间。如果一切正常，说明主轴的动力已可以承受10000N外力下的摩擦力，也就是说主轴及轴承的动力已可担负砂轮主轴磨削时的磨削力了。重新测量此时砂轮主轴及轴承径向空间间隙为0.11mm，已基本修复到出厂时的技术要求。再磨削轧辊时，振痕已有改善。