高可靠性轧机用对中导尺设备

马江涛

(大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁 大连 116013)

0 前言

导尺(又称推床)是中厚板、带钢、炉卷等轧制生产线上的重要设备，常布置于主轧机前后，其作用是将轧件对准轧制中心线，防止轧件跑偏，为轧件顺利通过轧机提供保障。导尺在工作过程中，通过调整两侧推板的开口度，来控制不同规格、不同宽度的轧件与轧制中心线对中，可有效降低轧件两侧的轧制力偏差，有利于提升产品的产量和质量。

当前，国内外的主轧机前、后导尺常采用电动和液压传动两种型式。

(1)导尺设备以电动机为动力，将电动机的旋转运动转化为推杆的直线运动。而电动机输出的转速经过蜗轮蜗杆减速后，再由齿轮齿条传动时，推板的直线运动速度提升空间有限。由于传动方式是机械传动，在对中过程中轧件对导尺设备冲击力较大，推板在长期冲击作用下磨损变形严重，推板与推杆间窜动大，致使两侧推板对中性能差，或行程控制不当导致齿条脱落等现象时有发生，最终造成设备故障率高，对工作效率和产线产能带来不利影响[1-2]。

(2)导尺设备动力采用液压传动，在工作辊道单侧设置液压缸，通过液压缸驱动并辅助使用支撑轮、导尺、导卫梁等部件，并最终由两侧推板完成轧件的对中轧制。由于夹钢轧制负载较大，考虑到主轧机的巨大拉力和液压缸推板的夹紧力，导尺设备工作时承受的倾翻载荷较大[3-4]，导尺设备与底座间连接螺母易松动脱落，固定状态失稳。为安装检修方便，用户要求将导尺底座设计成整体型式，且地脚螺栓用混凝土浇铸以增强稳定性，后期施工难度大，需将混凝土破坏凿开，拆卸耗时长。此外，液压缸活塞杆端靠近炽热态轧件，其密封系统高温下易老化失效，影响使用寿命，且密封系统失效后，易发生泄油喷油现象，污染设备和工作环境，存在安全隐患。

通过对比分析导尺设备的两种结构型式，采用液压传动作为动力系统，将是未来一段时间内导尺设备的首选方案。在提高设备抗冲击性、增强工作稳定性的前提下，综合考虑现场环境和生产实际，从提升工作效率、降低维护时间、提高设备安全性能等方面着手，设计了一种高可靠性轧机用对中导尺设备，突破产能瓶颈，以满足热轧生产线的实际应用需求。

1 高可靠性轧机用对中导尺设备

1.1 导尺设备布置

本导尺设备的动力由液压传动提供，如图1所示为主轧机前、后导尺布置示意图，轧机前导尺、轧机后导尺相对于轧机中心线对称布置，且分别位于主轧机前、后工作辊道两侧，两侧可单独驱动，每侧均作为一套独立的单元。

图1 主轧机前、后导尺布置示意图

1.2 结构功能

无论是精轧机前导尺，还是精轧机后导尺，在工作辊道的每一侧均设置两组液压缸，推板悬挂固定在两根推杆上，每根推杆各有一组液压缸提供驱动力，推杆位于箱体内，且通过齿轮齿条机构推拉推板以实现两侧开口度的调整。单侧两个箱体之间由连接梁焊接固定以提升抗冲击性能，左右两个箱体内推杆下部设计齿轮轴，用一根同步轴连接，可实现两根推杆的同步运动。液压缸内部均设有内置位移传感器，用于控制推板的行程，最终完成轧件相对于轧制中心线的对中任务。

1.3 主要性能参数

根据导尺设备布置型式和实际需求，主要技术参数见表1。

表1 导尺设备的主要性能参数

2 导尺设备的抗冲击性能研究

2.1 导尺工作状态下的受力分析

2.1.1 技术难点概述

轧钢生产线在可逆轧制过程中，导尺用来保证轧件对中轧制中心线后顺利通过主轧机。因此，该设备对轧件的成品质量有直接影响。顺轧轧制时，轧件由工作辊道传送至轧机入口侧附近区域后，工作辊道停止转动，轧机前导尺驱动两侧推杆，由推板夹持轧件沿工作辊道中心线滑动，实现轧制对中，再驱动工作辊道输送轧件至轧辊完成轧制，待轧件头部通过轧辊后，精轧后导尺的推板夹持轧件，待轧件尾部完全通过轧辊后，工作辊道停止转动。逆轧轧制时，轧件由工作辊道传送至轧机出口侧附近区域后，工作辊道停止转动，轧机后导尺驱动两侧推杆带动推板，夹持轧件进行对中操作，此后过程与顺轧轧制保持一致。

而实际轧制一段时间后，导尺的推板因受力面磨损程度不均，或推板夹持轧件后，辊道误操作而转动，致使推板带载工作。因此，现场作业时，常存在的问题：

(1)推板受力面磨损后，夹持轧件时，会有一个水平方向的分力，造成地脚联接紧固件旋转松动，导尺设备固定失稳。

(2)导尺推板夹持轧件后，辊道误操作而转动，在水平方向的分力作用下，地脚联接紧固件旋转松动，导尺设备固定失稳。

2.1.2 正常轧制条件下的受力分析

轧机前、后导尺是轧件轧制时的重要设备，轧机前导尺沿轧制方向位于入口侧区域，轧机后导尺布置在出口侧区域，轧机前导尺和轧机后导尺共同协调动作，完成轧件的多道次可逆轧制。因此，需要对导尺工作时的受力进行分析，有助于从根本上解决设备失稳的关键技术难题。

正常轧制条件下，无论顺轧轧制还是逆轧轧制，推板夹持轧件均沿工作辊道中心线方向滑动，推板对轧件的作用力F垂直于轧件，且指向轧制中心线(如图2a、图2c所示)；相对应地，轧件对推板的反作用力F′垂直于轧件，且背离轧制中心线。导尺底座上分布的T形头地脚螺栓的受力方向F′(与轧件受力方向一致)均为垂直于轧件，且背离轧制中心线(如图2b、图2d所示)。

图2 轧件及导尺底座受力分析图

2.1.3 极端轧制下的受力分析

根据导尺工作特点，并结合作业工况，实际轧制一段时间后，导尺推板因受力面磨损程度不均，或导尺推板夹持轧件后，辊道误操作而转动，其受力状况又不同于正常轧制状态：

(1)轧机前导尺(轧机后导尺)的推板因受力面磨损程度不均，如图3所示，使得开口度尺寸：入口侧>出口侧。顺轧时，轧机前导尺(轧机后导尺)的推板已经夹持住轧件，但因误操作致使辊道转动，如图4所示，使轧件产生向前运动(自左向右)的趋势，致使推板夹持轧件带载工作。

图3 开口度(入口>出口)不等时轧件受力分析图

图4 顺轧时(辊道误操作旋转)轧件受力分析图

(2)轧机后导尺(轧机前导尺)的推板因受力面磨损程度不均，如图5所示，使得开口度尺寸：出口侧>入口侧。逆轧时，轧机后导尺(轧机前导尺)的推板已经夹持住轧件，但因误操作致使辊道转动，如图6所示，使轧件产生向后运动(自右向左)的趋势，致使推板夹持轧件带载工作。

图5 开口度(出口>入口)不等时轧件受力分析图

图6 逆轧时(辊道误操作旋转)轧件受力分析图

2.2 改变螺栓布置形式提升设备的抗冲击性能

根据T形头地脚螺栓的受力分析，掌握其非正常工作状态下的旋转趋势，打破原有T形头地脚螺栓的单一旋向布置型式，如图7、图8所示，将T形头地脚螺栓的螺纹设置成左旋、右旋两种型式，且沿导尺底座呈间隔布置状态。

图8 T形头螺栓螺纹旋向布置图(轧机后导尺)

T形头地脚螺栓按此种布置型式，即便出现推板受力面磨损，或者辊道因误操作而转动等极端情况，总有50%的T形头地脚螺栓正常工作来固定导尺设备，可有效解决非常态下的紧固件旋转松动、设备失稳等技术难题，提升导尺设备的抗冲击性能。

3 防倾翻导尺设备及安全性液压装置

3.1 传统技术的缺陷

目前国内外以液压缸作为驱动装置的轧机前、后导尺设备，如图9所示，通过齿轮齿条机构驱动推杆，以此来带动推板完成轧件的夹持和对中。但在实际工作时，常存在的问题：

图9 轧机导尺的液压缸驱动工作示意图(改进前)

(1)轧机导尺在最小开口度b位置时，液压缸处于最大工作行程，推板夹持轧件时，活塞杆伸出过长，箱体重心分布存在较大的倾翻力矩，受力状态不稳。

(2)液压缸活塞杆端靠近炽热轧件，杆端密封系统高温下易老化失效，发生泄油喷油现象，污染设备和工作环境。泄油喷油一旦触及炽热态轧件，易发生蹿火现象，安全隐患较大。

3.2 液压传动系统结构优化

针对现场实际状况和安全隐患进行技术改进，对液压缸进行重新布置，液压缸活塞杆端远离工作辊道，避免了炽热轧件对液压缸密封系统的直接烘烤，延长了使用寿命，同时也降低了泄油蹿火的安全隐患。改进后轧机导尺的液压缸驱动工作示意图如图10所示。

图10 轧机导尺的液压缸驱动工作示意图(改进后)

通过结构优化后，活塞杆端远离工作辊道侧，与传统技术大相径庭，当轧件处于最小开口度b位置时，活塞杆端处于收缩状态，伸出长度最小，夹持轧件时受力状态最为稳定。

轧件处于最大开口度a位置时，活塞杆端处于拉伸状态，伸出长度最大，整个推杆重心在箱体内(与传统技术的推杆重心在箱体外对比)，沿推杆长度方向的载荷分布更为均匀，不用考虑因重心导致的倾翻力矩，设备受力较传统技术也更为稳定。

4 可快速更换的导尺底座

用户现场为了方便安装，经常将箱体与导尺底座设计成整体型式，其地脚螺栓用混凝土浇铸以增强稳定性，但后期拆卸难度加大，需将混凝土破坏性凿开，维检时间长。

针对地脚螺栓拆卸难度大，维检耗时长等难题，将箱体与导尺底座设计成分体型式，导尺底座上部设置焊接挡块，既方便箱体的拆装吊运，又能增强箱体的抗冲击性能；箱体与导尺底座之间采用T形头地脚螺栓联接，且导尺底座下方焊接混凝土防护槽，可将T形头地脚螺栓与混凝土地基隔开，避免因混凝土结构的破坏性拆除而增加施工难度，大幅提升维检效率。改进后的导尺底座结构如图11所示。

图11 导尺底座结构示意图

T形头地脚螺栓的安装步骤：

(1)准备工作(T形头地脚螺栓安装前的布置状态)。每个长形孔下面设置两组小挡块，沿长形孔的长边呈对角线布置；混凝土防护槽焊接在导尺底座的下部，且靠近长形孔区域。如图12所示：长形孔的长边为A，短边为B，边角倒圆为R；T形头地脚螺栓的头部长度为a，宽度为b；其中：A>a，B>b。

图12 安装前的准备工作

(2)放入T形头地脚螺栓。将T形头地脚螺栓对准长形孔，如图13所示，轻轻晃动使其头部接触防护槽底部后，松开T形头地脚螺栓；逐个放入八组T形头地脚螺栓，此时从T形头地脚螺栓顶部向下看，切口标记线Q水平布置，与长形孔的长边平行，与长形孔的短边垂直。

图13 放入T形头地脚螺栓

(3)旋转T形头地脚螺栓。手持T形头地脚螺栓的螺杆端部，向上提升一定高度，确保T形头地脚螺栓头部的上表面，高于小挡块的下表面；如图14所示，逐个将T形头地脚螺栓逆时针旋转90°(顺时针旋转时，将被小挡块卡死)，从T形头地脚螺栓顶部向下看，切口标记线Q竖直布置，与长形孔的长边垂直，与长形孔的短边平行。

图14 旋转T形头地脚螺栓

最后，将箱体吊装至导尺底座的上方，箱体的底板安装孔与导尺底座的八组T形头地脚螺栓分别对正，箱体自T形头地脚螺栓的螺杆顶部穿过后，落在导尺底座的顶部钢板上表面，调整好位置。逐个检查T形头地脚螺栓的切口标记线Q，确保与长形孔的长边垂直，与长形孔的短边平行，将所有的T形头地脚螺栓用连接紧固件旋紧固定。

5 结束语

(1)对导尺在极端条件下(推板受力面磨损或者辊道因误操作而转动)的工作状态进行受力分析，掌握了非正常工作状态下，T形头地脚螺栓的旋转趋势，将其螺纹设置成左旋、右旋两种间隔布置型式，有效解决了紧固件旋转松动、设备失稳等技术难题，提升导尺设备的抗冲击性能。

(2)对液压缸进行重新布置，液压缸活塞杆端远离工作辊道，延长了密封系统的使用寿命，同时也解决了泄油蹿火风险。液压缸处于最大工作行程时，推杆重心在箱体内，其载荷分布更为均匀，消除了箱体倾翻的安全隐患。

(3)箱体与导尺底座采用分体型式，且导尺底座下方的混凝土防护槽，完全将T形头地脚螺栓与混凝土地基隔开，降低了施工难度，大幅提升了维检的工作效率。

新研制的轧机导尺设备已在国内某用户现场投产两年多，彻底告别了轧件冲击力大、设备故障率高等不良工作环境。该设备工作性能稳定，抗冲击性能强、开口度调整精度高、拆装检修效率高，实现了导尺设备的低速启动、高速运行、动作平稳及开口度精准限位等性能要求，轧件尺寸控制良好，产品质量明显改观，是高可靠性的轧机导尺设备。