开坯机压下装置螺纹强度设计及寿命改善方法

曹明辉，柴达明

（1.中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京 210019；2.河北鑫达集团500H型钢厂，河北唐山 063000）

0 引言

开坯机的辊缝调节主要采用电动压下和液压微调的两种方式来实现。由于轧钢厂的订单来自不同客户，更换品种必然导致压下装置频繁启动和制动，为适应这种要求，要求压下系统具有小惯性、较高的传动效率及两侧位置精度高的特征。电动压下装置是开坯机上最常用的辊缝快速调整机构，位于开坯机两个机架牌坊的上部，主要由电机、联轴器、蜗轮蜗杆减速箱、压下丝杆、压下螺母、回松装置等零部件组成。目前，国内一些中型型钢车间所用开坯机压下装置中的压下丝杆和螺母裸露在充满水蒸气和粉尘颗粒环境中，加剧了压下丝杆和压下螺母的螺纹磨损，大大降低了压下丝杆、螺母的寿命，亦发生螺纹副卡死现象。其原因一方面选型不合理，另一方面是润滑不足造成的。为了避免上述情况，车间需要操作工频繁对压下丝杆和压下螺母进行润滑以减小磨损，避免卡死，其效果不佳。严重影响轧钢车间的生产效率，同时还要求生产车间准备大量压下螺备件更换，增加了车间的成本。本文从合理选型的角度出发，提出压下丝杆和螺母理论设计参考依据。从避免卡死及环境污染的角度出发，提出把原人工开放式加油润滑改为闭式循环润滑系统，使得压下丝杆、压下螺母寿命大幅提升，且减小了环境污染。对实际生产节能降耗具有大面积推广意义。

1 压下丝杆螺纹外径的确定

从强度观点分析，压下丝杆外径与轧辊的辊颈承载能力都与各自直径的平方成正比关系，二者均承受同样大小的轧制力，因此，经验证明二者之间有一定的关系，可按公式进行初步选型[1]，D=（0.55～0.62）dg，其中，D 为压下丝杆大径，mm，dg为轧辊轴颈直径，mm。D确定后可根据自锁条件再确定压下丝杆的螺距 t，t=πDtanα，其中，t为螺纹螺距，mm，α 为螺纹升角，（°）。按自锁条件要求 α≤2°30′，则 t≤（0.12～0.14）D。经验证明从精调和生产的角度出发，开坯机压下丝杆螺纹升角α取1°时，即t≈0.0017D时，对于中型型钢开坯机生产能力和产品质量得到大幅提升。当D和t确定后，可参考有关螺纹标准来确定压下丝杆的有关螺纹长度，并且必须根据压下螺母的高度及轧辊的最大提升量来确定。

2 压下丝杆螺纹的强度计算校核

2.1 最大载荷的确定

首先正常轧制时压下丝杆受到的载荷应为P0=Pz+P1，其中，Pz为轧钢时作用在轴颈上（压下丝杆）的总轧制力，P1为上辊平衡的过平衡力。对于开坯机而言，上辊平衡装置需要平衡的主要部件包括上辊、压下丝杆、回松装置、轴承座。另外平衡梁、部分衬板、导板的自重及万向轴的部分自重导致上辊平衡装置产生过平衡力，由于过平衡力远远小于轧制力，故忽略不计。因此设计压下丝杆时只需考虑总轧制力。

2.2 压下丝杆的挤压强度校核

压下丝杆直径和轧制力之间是非线性关系。由于压下丝杆的丝杆长度比丝杆直径往往大很多，其比值在（3，5）区间的，不满足材料力学的压杆失稳特征，故不需要进行其稳定性校核。根据材料力学的强度校核公式确定丝杆小径D1[1]，见式（1）。

式中Pz——轧钢时作用在轴颈上（压下丝杆）的总轧制力，N σb——压下丝杆许用应力，压下丝杆一般采用合金钢（40Cr，40CrMo，40CrNi），其抗拉强度为 σb=600～750 MPa，取安全系数n=6时，许用应力σb=100～125 MPa。

由于压下丝杆只有螺纹及位于推力轴承内部的部分才承受轧制力，故作抗挤压核算时不考虑压下丝杆上部的渐开线花键部分，只需压下丝杆小径满足强度要求即可。

2.3 压下螺母强度校核

当压下丝杆的螺纹小径D1、螺距t及螺纹形状确定后，压下螺母的螺纹小径d1、螺距t及螺纹形状自然也可以确定了。压下螺母的材料通常选用青铜，因此这种材料的薄弱环节是较软，因此只需要校核螺母螺牙的挤压强度和抗剪强度。由于螺母每一圈螺牙受力是不同的，沿螺母高度方向，最上端受力最大，承受最大载荷的第一圈螺牙的载荷为[1]Pmax=（Pzt）/H，其中，H为压下螺母高度，mm。压下螺母配合压下丝杆一起工作，其高度取决于配合螺纹的圈数，压下螺母高度不能影响压下丝杆的运动及相关机架的空间，由生产实践可知通常取H=（1.2～2）D。若将螺母沿螺旋线方向（螺纹大径d处）展开，则可看作的悬臂梁，悬臂梁的长度为πd，高度为螺牙齿根厚度b，每圈螺纹受力面上所承受的单位挤压力最大值为Pmax，其作用的位置是以d2的为直径的圆周上（图1）。

图1 压下螺纹形状及螺母展开

根据材料力学弯曲应力计算公式，则螺纹牙危险截面的弯曲应力为式（2）。

式中Pmax——作用在压下丝杆上的最大载荷，N

d——螺纹大径，mm

b——螺牙根部厚度，mm

h1——载荷相对于固定端的力臂，h1=0.5（d-d2），mm

d2——螺纹的公称直径，mm

螺牙的剪切应力：

式中[τ]——许用剪切应力，MPa

螺牙的挤压应力见式（4）。

式中[σj]——许用挤压应力，可取[σj]=30～40 MPa

d2——螺母螺纹内径，mm

2.4 渐开线花键的强度确定

花键的强度校核[2]见式（5）。

式中T——花键需要传递的最大转矩，N·mm

φ——各齿载荷不均匀系数，一般取φ=0.7～0.8

z——齿数

L——齿的工作（配合）长度，mm

dm——平均圆直径，渐开线花键dm=D=mz，mm

D——对于渐开线花键，为分度圆直径，mm

m——模数

h——键齿工作高度，对于渐开线花键压力角α=30°时，h=m

PPP——许用压强，对于不在载荷作用下移动的动连接，取 20～30 MPa

由于开坯机的生产环境较为恶劣，再加上操作工维护压下丝杆不及时以及润滑油污染，导致压下丝杆经常出现卡死的故障，进一步导致电机发生堵转，而电机的堵转扭矩通常是额定扭矩的1.5～2倍，发生堵转时全部堵转扭矩将全部加在一个压下丝杆花键上，压下丝杆花键最大扭矩 Tmax=2×（1.5～2）T=（3～4）T。因此花键在选型时需要考虑发生堵住的情况。

3 提高开坯机压下装置寿命的途径

由于传统开坯机压下装置中压下丝杆和螺母采用开式润滑，其所在环境中存在大量氧化铁皮粉尘颗粒，易进入压下丝杆和螺母形成的螺纹副的油膜中，致使压下螺母磨损加剧，导致压下螺母使用寿命大大缩短，并且极易发生压下丝杆会卡死的现象，导致停机检修、维护的时间和更换频率大幅提升，而且频繁的更换压下螺母严重影响开坯机的生产使用效率，且车间还需要准备大量的压下螺母。造成企业的生产成本大幅增加，其根源就是润滑不良造成的。本文所述压下装置中的压下丝杆和螺母的润滑采用密闭的稀油润滑循环系统，而且在压下丝杆的下方设置回松装置。密闭的稀油润滑循环系统主要由防尘罩、喷油管、蜗轮减速机、机架、压下丝杆、压下螺母、油液保护罩组成，防尘罩的一侧设置喷油管，润滑油通过喷油管进入压下丝杆、螺母，花键副部位润滑，油液保护罩下面设有回油管，润滑油通过回油管回到油箱。另外在压下螺母螺纹大径圆周上，轴向钻有2～4个深油孔均布与各圈螺纹齿根贯通，润滑油可通过油孔送入各圈螺纹根部，从而保证供油路程较短，油膜连续不断，这种方式不仅克服开式润滑的弊端，而且还能防止润滑油污染环境。压下螺母随着时间的推移，其螺纹出现磨损，回松装置可调节压下压下丝杆和压下螺母的配合间隙。回松装置主要由缸体和活塞组成，在回松装置的缸体上单独装有进油管和回油管供油，通过进油回油的方式调整活塞，以调整压下丝杆和压下螺母之间配合间隙，防止压下螺母卡死。从某型钢厂的实际使用情况来看，取得了较好的效果。

4 结论

根据轧制力如何设计开坯机的压下丝杆和压下螺母进行探讨，为工程技术人员提供理论参考依据。在不大幅度改变开坯机紧凑结构尺寸的情况下，解决了压下丝杆和压下螺母之间螺纹副的润滑、压下螺母卡死的现象。在实际使用过程中取得了良好的效果。