热连轧粗轧机压下丝杆和压下螺母急剧磨损原因分析及对策

14 2014 年第 37 卷第 2 期 探讨 热连轧粗轧机压下丝杆和压下螺母急剧磨损 原因分析及对策 高 原 （攀钢集团西昌钢钒有限公司） 摘 要：针对某热连轧板带生产线在试生产后不久，粗轧机压下装置中的压下丝杆及压下螺母急剧磨损损坏现象，对配合尺寸进行测量，分析损坏原因是：压下螺母内凸面垫的球冠球心未落在凸面垫底面中心线上导致压下螺母发生偏磨；丝杆的油涵及未按要求加工、凹面垫螺栓沉孔棱边未倒光滑产生切削磨损。针对此问题提出了修复方案，并制定了防止类似事故发生的预防措施。 关键词：压下装置；压下丝杆；压下螺母；偏磨 0 引言 热连轧粗轧机的作用是将 230 的板坯通过多道次轧制成 30 60 中间坯，供后续加工。常用的四辊粗轧机一般由轧机机架装配、轧辊装配、轧机压下装置、轧辊平衡装置、轧线高度调整装置、轧机导卫、冷却与除鳞装置、机架辊装配、轧机主传动、轧机换辊装置等组成。其中轧机压下装置主要用于工作辊辊缝的设定和调节，以实现不同厚度中板的轧制，是粗轧机最重要的组成部分之一。 2011 年 12 月，某热连轧板带生产线试生产不久，其粗轧机压下装置发生了急剧磨损损坏事故。现场表现为压下装置中的压下丝杆接油盘处出现大量的铜屑，其稀油润滑系统的回油过滤器堵塞严重也堵塞频率很高。对压下装置解体后发现，压下装置操作侧和传动侧凸球面垫上表面的油槽已磨平（见图 1）；压下螺母螺纹磨损约 等，呈现典型的偏磨现象（见图 2）；压下丝杆螺纹表面出现严重龟裂（见图 3） 。由于粗轧机压下装置本身价值较高（每套丝杆及螺母价值约 200 多万元），加之结构较为复杂，设备加工及安装精度要求高，机械、电气、自动化、介质系统等设备集中其周围，解体检查处理的时间很长，带来的生产产量损失也很大。查清急剧磨损损坏的根本原因并整改，预防类似事故再次发生，具有重要的意义。 压下凸面垫上的油槽已磨光 图 1 压下凸面垫磨损情况螺母工作段螺纹牙厚磨损约 1 2 压下螺母螺纹磨损情况 丝杆螺纹表面龟裂 图 3 丝杆螺纹表面龟裂 攀 钢 技 术 151 压下装置工作原理和结构 粗轧机压下系统由操作侧和传动侧电动压下和液压 下组成。两侧电动压下传动装置安装在轧机顶部平台上，通过电磁离合器相连。由电机、联轴器、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆减速器通过花键传动，带动压下螺丝上、下运动，实现对辊缝的调节。螺母安装于牌坊窗口顶部。止推板通过螺栓把合在压下螺丝上。压下装置中设有位置传感器。液压 缸布置在压下螺丝头部和上支承辊轴承座之间，与机械压下系统叠加。用于辊缝调零、轧辊压靠和卡钢时的回松。每侧压下油缸上都装有位置传感器，检测油缸活塞的位置。压下螺丝采用合金锻钢，压下螺母为铜件，止推板为合金钢件。 压下减速器为蜗轮蜗杆式，减速器轴承为双列圆锥滚子轴承。蜗轮为铜钢组合件，蜗杆为合金锻钢件，箱体采用焊接结构件，联轴器采用鼓形齿式，离合器为电磁式齿式联轴器。支座为焊接结构件。 体、柱塞杆和缸盖为合金锻钢件，并装配有特殊密封。缸盖上装有保护罩。 当需要进行仿真或轧钢时, 工作辊先通过其平衡缸与支撑辊压靠，压下装置电气控制系统接收到自动化的启动指令，电机得电后通过传动机构驱动螺杆沿垂直方向移动, 通过 、上支承辊推动上工作辊向下移动，当辊缝值与目标值比较接近时( 差值在 5，通过启动液压系统，使 动作进行辊缝精调。直至辊缝值到达设定值。 2 压下丝杆和压下螺母急剧磨损损坏的原因分析 初步分析 压下螺母采用铜基合金(作，硬度 130 150。此次铜螺母的异常损坏多以铜屑方式出现，类似于机床车削形状，与螺纹接触面正常摩擦产生的铜粉末差别很大，说明压下丝杆与螺母的螺纹面工作进处于异常接触状态。同时，沿长度方向铜螺母螺纹磨损量差别较大，呈现出明显的斜角磨损状态（接近上下表面的对侧螺纹磨损较重，中部的螺纹较均匀），表明丝杆不仅仅承受旋转力矩的作用，而且承受了一定的横向力，导致上下螺纹面接触应力不一致，出现了不同程度的磨损。异常磨损产生的铜屑堵塞了螺母的进油口，导致润滑油无法供给，丝杆与螺母的干摩擦进一步加剧了铜螺母的磨损。 压下丝杆采用 42钢件制作，调质热处理后硬度 241286，其中螺纹部分进行了渗氮处理，其表面硬度 达 550650。由于丝杆其表面硬度高出接触的螺母硬度许多，因而其磨损极少。丝杆螺纹表面出现严重龟裂，是丝杆渗氮层激热、激冷引起的热裂纹。由于螺母进油孔堵塞后导致螺纹工作表面润滑不良，丝杆转动进接触面发生干摩擦，温度会迅速升高，导致接触面材料变形加大，产生金属粘结或胶合，从而运转时接触面产生短时高温。由于压下装置属于短时断续工作制，当停止运转时丝杆一方面通过金属热传导迅速冷却，同时通过中心孔流过的润滑油把热量较快带走，从而使渗氮层在激热激冷中产生了热裂纹。 凸面垫也采用铜基合金(作，硬度 130150。与铜螺母损坏现象相似，凸面垫表面产生了刮削加工效应，形成大量铜屑甚至铜皮，深度 2.4 明凹面垫与凸面垫之间产生了异常接触和磨损。 螺母和凸面垫发生切削磨损的原因分析 加工质量分析 经查阅相关图纸技术参数及要求，发现如下问题：压下螺丝工作面油涵与螺纹交界处未按设计图纸要求加工 圆角，实物为钝角棱边存在；凹面垫螺栓沉孔棱边未倒光滑；设备出厂时凸面垫和凹面垫的配研未达到设计图纸的技术要求。 切削磨损的原因分析 由于螺母工作面硬度（50 ）比丝杆螺纹工作面硬度（50650 ）小很多，当两者以一定压力接触时，由于有油涵凹坑的存在，螺母必然向油涵方向产生一定挤压弹性形变，因而在油涵区域螺母与丝杆工作面形成错位切削状态。由于螺丝工作面油涵与螺纹交界处未按设计图纸要求加工 圆角，实物为钝角棱边存在，螺母变形部分与螺纹面由于存在厚度错位，转动时油涵与螺纹面的棱边就形成对螺母的切削，导致了压下螺母迅速损坏。同理，由于凹面垫螺栓 16 2014 年第 37 卷第 2 期沉孔棱边未倒角，加之凸面垫与其硬度相当较大，挤压产生的变形也导致了凹面垫螺栓沉孔棱边对凸面垫的切削作用，导致了凸面垫迅速损坏。 压下螺母发生偏磨的原因分析 初步分析 从结构和工作原理看， 压缸及其中心的凸面垫悬挂在丝杆端部，在非工作状态时压下凹面垫与凸面垫之间存在约 10 右的间隙，当工作时（包括标定及仿真）通过平衡缸带动支承辊和 压缸由下而上进行压靠，凹面垫与凸面垫紧密接触。当需要一定辊缝时，再通过压下电动机及 压缸的启停实现辊缝调整（整个过程采用伺服控制）。通过压下丝杆传动链及工作原理分析，导致丝杆与螺母偏心接触可能来自于两方面原因：一是传动输入端（压下电机至压下螺母）安装偏差过大导致丝杆与螺母的轴线偏斜，二是由于从上支承辊到丝杆底部连接的凹面垫（以下简称工作端）工作在工作中发生偏摆或不当接触导致了丝杆偏斜。 压下离合器、电机、减速器、丝杆及螺母的安装位置及连接尺寸均在设计时按公差配合进行了精确定位，若存在影响丝杆及螺母配合的偏差，则主要出自于零部件加工误差和安装偏差。 丝杆中下部与螺母是间隙配合，最大配合间隙为 1 杆上部的外花键与压下减速器输出蜗轮内花键配合，压下减速器通过输出轴线上的接油盘和定位键实现中心及周向固定。螺母通过定位键及牌坊安装孔实现其周向及中心定位。 从结构上分析，导致丝杆与螺母中心线偏斜的可能因素有：压下减速器安装后输出中心线存在偏斜；油盘及定位键的安装存在位置偏差，导致减速器其输出端中心线与螺母安装中心线存在偏斜；牌坊螺母安装镗孔中心线与压下减速器输出中心线存在偏斜；凹面垫在压下丝杆端部的安装位置偏差，导致球心与压下丝杆中心线偏差较大；凹面垫加工误差导致其球心与压下丝杆中心线偏差较大。 传动端分析 对操作侧及传动侧压下镗孔和牌坊窗口中心的偏差、操作侧及传动侧牌坊镗孔 950 作侧及传动侧牌坊顶部水平度偏差、压下减速机各部中心线测量及操作侧及传动侧压下减速机各部轴承检测等。通过认真测量、检查、复核和分析，确认上述偏差均在技术要求范围内，不会导致丝杆与螺母的中心线不会在工作明显偏斜，不会造成螺母明显的偏斜磨损的后果。 工作端分析 从结构和工作原理上看，支承辊轴承箱衬板与轧机牌坊衬板之间的单侧间隙约为 1.5 垂直方向尺寸达 1 m 左右，支承辊在抬升时有电控系统及液压系统保证操作侧和传动侧同步动作，即便有一定差异，由于机械结构的限制，两侧不同步的差值也很小，对支承辊上平面的倾斜影响微不足道，因而可基本排除此原因。进一步检查 及凸面垫的定位，安装位置符合技术要求，偏差在允许范围内。最后对凸面垫本身进行了检查，发现操作侧凸面垫的球冠部分未沿底面中心线对称分布，两侧弦高差约 0.2 明球冠的球心未落在凸面垫底面中心线上。 凸面垫球冠球心偏移的影响分析 由于凸面垫是固定在 上的，通过连接板、卡环悬挂在凹面垫的上平面上，凹面垫通过螺钉固定在丝杆的下端头，两者均不能自由调节。当凸面垫随着 沿垂直方向向上运动与凹面垫接触时，球心不在同一垂直线的凹凸球面接触时，必然是偏离对称线的一侧有一小部分先接触, 由于平衡压力较大，这一小部分的接触力会产生较大的水平分力。 与支承辊悬挂 L 梁、 L 梁与轧机窗口衬板、 吊挂卡环与丝杆轴颈之间均存在 12 间隙。由于这些间隙的存在，水平分力使 偏向一侧，最终出现了 定位半卡环出现偏磨的情况出现；同时也给丝杆一个水平方向的推力，使得丝杆与丝母中心出现交叉，进而导致丝杆与螺母呈现不均匀接触，丝杆与丝母接触应力呈斜线逐渐增大或减小（长度中线截面应力为最小）。接触应力大的区域磨损较快较严重，接触应力小的区域则磨损轻微些。当支承辊平衡力撤销时， 则在弹性力的作用下回复原位，这也正是 在支承辊上衬板上有移动痕迹的原因。最终出现丝母沿高度方向中心呈对角偏磨的实际结果。 凸面垫球冠球心偏移量对压下装置影响的计算分析如下： 攀 钢 技 术 17如图 4 所示，由于存在弦高差，当凸面垫与凹面垫接触时必然发生偏斜，丝杆所受的过平衡力由竖直向上的力 时丝杆在力2、。 图 4 丝杆实际受力示意 丝杆所受的过平衡力P 为工作辊压靠支撑后的过平衡力与支撑辊过平衡力之和2，计算如下： P=（A 工平缸 + 上支平 +=112785（ N）其中: L螺母的高度，L =900 母上顶面至至凹面垫下沿的距离，按最小辊缝时计， 800 指平衡缸的工作压力， 16四个上工作辊平衡缸的面积和，其直径为180 上支承辊平衡缸的面积，其直径为 420 上支承辊平衡装置的重力，241 000 N； 上工作辊装配重力，G 工辊 =472 250 N； 上支撑辊装配重力，G 工辊 900 000 N； 轧机导卫及除鳞水重力, G 导卫及除鳞 = 572 040N； 两侧压下丝杆的重力, G 丝杆 =131240N； 两侧 缸及辅件装置的重力，209 380 N; 计算时k 取 工作辊及支承辊与轧机牌坊衬板的摩擦阻力系数）； 6 母螺纹高度，其接触高度）；78 纹中径）。 当凸面垫球冠球心落在底面中心线上时，偏心距 A=0，此时螺纹所受轴向力就是过平衡力，其螺纹应力为： 此凸面垫材质为 用应力p =175过平衡力 F 为 50 000 N，凸面垫球冠球心线与底面中心线偏移 A 为 ，螺纹表面接触应力接近于许用应力p 值。换言之，在此偏差限度及过平衡力范围内，当润滑等其它外部条件正常时，螺母的磨损处于正常状态。 力 力 P 力 1L 从现场实际检测结果看，操作侧凸面垫的球冠部分未沿底面中心线对称分布，两侧弦高差约0.2 时调试的过平衡力在 50 000 时螺纹的表面应力不低于 469 大于许用的 175 螺纹异常损坏的直接原因。由于横向力而螺纹的实际应力值也逐渐变化，从而导致了偏磨现象的出现。 压下螺母偏磨的原因确定 从现场实际检测结果看，操作侧凸面垫的球冠部分未沿底面中心线对称分布，两侧弦高差约0.2 试的过平衡力在 50 000 时螺纹的表面应力不低于 469 大于许用的175 螺纹异常损坏的直接原因。由于横向力而螺纹的实际应力值也逐渐变化，从而导致了偏磨现象的出现。 3 压下丝杆和压下螺母急剧磨损损坏的整改和预防措施 整改措施 根据以上分析，导致压下装置异常损坏的原因包括：丝杆的油涵及未按要求加工；凸面垫球冠球心与底面中心线存在偏移；凹面垫螺栓沉孔棱边未倒光滑。结合各零部件实际损坏情况，整改措施如下： 1）针对丝杆螺纹工作面的油涵及凹面垫螺栓沉孔未按图纸要求加工过渡圆弧角的问题，采用抛光砂轮对丝杆及螺栓沉孔棱角处进行打磨，使油涵与螺纹面的交界圆滑过渡，有利于从螺母油孔流出的润滑油从丝杆油涵随着旋转带到螺纹工作面上，改善工作状态，降低摩擦系数，减少螺母及丝杆的磨损。 2）针对压下凸球面垫球冠的实际球心不在凸面垫底面中心线上及偏磨情况较重的问题，以底面垂直中心线为基准，对球冠不对称的高出部分进行打磨（由于检测困难，需要在后续使用中对偏磨部分进行多次打磨纠正才行），随后与凹面垫进行配= 18 2014 年第 37 卷第 2 期研。对失去储流油功能的油槽重新开磨，同时开设多条辅助油槽（见图 5） 。同时，为了改善球面垫接触面的润滑状况，在回油沟增设挡板，使回油时球面垫接触面大部分处于润滑油浸泡状态（见图 6、图 7） 。大大改善了球面垫之间的润滑状态，减少了球面垫之间的磨损，降低摩擦阻力。 图 5 凸面垫表面开辅助油槽 图 6 回油沟增设挡板 图 7 改进后凸面垫的润滑状态 3）针对丝杆螺纹工作面存在较重表面龟裂的问题，但龟裂深度很小，渗氮层未被全部破坏，表面硬度仍在技术要求范围内，故采用人工将其表面砂光，避免表面粗糙而增大摩擦阻力。 4）针对铜屑已进入粗轧整个稀油润滑系统会导致各润滑部位运动部件磨损加重的问题，采取对管路和润滑部件冲洗、更换滤芯、更换油箱润滑油的方式处理，避免铜屑进入润滑系统加重运动部件的磨损。 预防措施 1）保证稳定可靠的润滑：润滑系统本身供油充足，具有一定的压力。定期清洗或更换滤芯，减少油中杂质的存在。设置润滑油进油及回油流量、压力的监测连锁装置，避免各零件在无油或供油不足时工作。 2