軸承鋼管廠創(chuàng)新重器助高線軋機(jī)升級(jí)換代

    由哈爾濱哈飛工業(yè)有限責(zé)任公司、江蘇永鋼集團(tuán)有限公司、北京科技大學(xué)、天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司（以下分別簡(jiǎn)稱哈飛、永鋼、北科大、先導(dǎo)倍爾）協(xié)作攻關(guān)研發(fā)的達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的雙機(jī)架減定徑機(jī)組，于2015年12月8日在永鋼一次試產(chǎn)成功，至今已運(yùn)行近3年，取得了明顯效果：終軋溫度由950℃降到850℃以下，細(xì)化了晶粒，提高了產(chǎn)品性能；終軋速度由85m/s提高到105m/s,生產(chǎn)效率提高20%；尺寸精度由±0.25mm提高到±0.10mm；穿水后盤條表面不生銹；達(dá)到了降本增效和升級(jí)換代的目的。 

    據(jù)哈飛雙機(jī)架減定徑機(jī)組項(xiàng)目第一完成人丁長(zhǎng)文總工介紹，該機(jī)組共有六大創(chuàng)新點(diǎn)。 

創(chuàng)新點(diǎn)一：結(jié)合國(guó)情領(lǐng)先國(guó)際的新潮設(shè)計(jì) 

    該項(xiàng)目結(jié)合國(guó)情，因地制宜并創(chuàng)新地提出了雙機(jī)架雙檔調(diào)速減定徑機(jī)組技術(shù)的設(shè)計(jì)思想，制造了國(guó)內(nèi)首套雙機(jī)架減定徑機(jī)組并在永鋼成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度的線材軋制。 

    在國(guó)內(nèi)近500條高速線材生產(chǎn)線中，90%的產(chǎn)品規(guī)格為?準(zhǔn)5.5mm~?準(zhǔn)16mm，雙機(jī)架兩檔變速完全能滿足上述產(chǎn)品的連軋工藝要求。國(guó)外4機(jī)架減定徑機(jī)組為9檔以上變速，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)和功能過剩，故障率高，價(jià)格昂貴。雙機(jī)架兩檔減定徑機(jī)組與4機(jī)架多檔減定徑機(jī)組相比，技術(shù)上同屬于第六代水平，但成本更低，價(jià)格只相當(dāng)于后者的1/5，軋制速度可達(dá)105m/s，完全滿足軋制C級(jí)以上精度產(chǎn)品的要求。 

創(chuàng)新點(diǎn)二：傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 

    軸承鋼管廠現(xiàn)代高速線材正沿著增加軋機(jī)小時(shí)產(chǎn)量、提高軋機(jī)利用系數(shù)、無(wú)扭/微張力組合以及提高產(chǎn)品尺寸精度、表面質(zhì)量和組織性能的方向發(fā)展，為此，該項(xiàng)目自主研發(fā)了增強(qiáng)型和自定心新型輥箱、頂交45°傳動(dòng)方式、新的高承載能力的齒制形式和高速密封結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)箱，以及新型迷宮式高速密封結(jié)構(gòu)、雙檔高速變速箱等。 

    其在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)單一增速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備可靠性，簡(jiǎn)化操作，便于維護(hù)使用。國(guó)外減定徑機(jī)是由一臺(tái)交流電機(jī)通過1套含有多個(gè)離合器的齒輪箱驅(qū)動(dòng)2架230mm減徑機(jī)和2架150mm定徑機(jī)組成。其雙模塊減定徑機(jī)總體結(jié)構(gòu)為4道次兩個(gè)模塊，由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)變速箱，采用電氣連鎖實(shí)現(xiàn)速度匹配。這樣的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)都相對(duì)復(fù)雜，特別是多檔離合結(jié)構(gòu)利用率較低。同時(shí)，國(guó)外設(shè)備的雙電機(jī)輸入依靠電氣連鎖來(lái)進(jìn)行速度匹配的模式，對(duì)自動(dòng)化控制精度及孔型工藝方案精度等要求較高。國(guó)內(nèi)這一項(xiàng)目采用的是一臺(tái)電機(jī)通過變速箱直連傳動(dòng)箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，變速箱僅帶有一個(gè)離合裝置，產(chǎn)品規(guī)格和軋制速度分為高低兩檔，能軋制規(guī)格為?準(zhǔn)5.5mm~?準(zhǔn)16mm的產(chǎn)品，完全可以滿足軋制工藝要求。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用，品種規(guī)格及軋制速度匹配簡(jiǎn)單、合理，且可靠性高。 

    該機(jī)組的新型輥箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做了重大突破，對(duì)軋輥軸與油膜軸承間隙進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在新型偏心套、護(hù)帽、錐套、輥環(huán)等工藝件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在錐套、面板、密封件等常用易損件材質(zhì)上進(jìn)行了重大改進(jìn)。 

    為該機(jī)組設(shè)計(jì)的新型傳動(dòng)箱，集成45°一體化傳動(dòng)箱體，齒輪設(shè)計(jì)上采用新制式弧齒錐齒輪，傳動(dòng)精度高、承載能力強(qiáng)；傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁而不是懸臂梁方式，有較大的抗變形力和剛度。 

    在該機(jī)組的兩檔高速增速箱里，研制者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)的兩組齒輪軸串和一組花鍵式離合器，通過液壓缸控制離合器不同的位置實(shí)現(xiàn)不同組齒輪的嚙合，從而可滿足軋制工藝的不同速比的要求。需要變速時(shí)，液壓缸帶動(dòng)撥叉動(dòng)作，電機(jī)在5r/min工況，撥叉帶動(dòng)花鍵套與不同齒輪花鍵組嚙合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。由于增速箱輸出軸轉(zhuǎn)速較高，研制者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型迷宮式組合密封，該密封在轉(zhuǎn)速3000r/min以上時(shí)仍運(yùn)行可靠、無(wú)泄漏。 

創(chuàng)新點(diǎn)三：傳動(dòng)方式獨(dú)特 

    該機(jī)組采用頂交45°傳動(dòng)方式、新的高承載能力的齒制形式和高速密封結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)箱。考慮高速、重載、重心低、結(jié)構(gòu)緊湊等傳動(dòng)因素，該機(jī)組在其傳動(dòng)箱上創(chuàng)新設(shè)計(jì)了45°軸串齒輪嚙合。以前第五代軋機(jī)45°傳動(dòng)是將精軋機(jī)大底座安裝面設(shè)計(jì)制造成45°，各軋機(jī)安裝上面，這種形式在軋機(jī)安裝時(shí)會(huì)形成安裝間隙，與制造公差等因素交織在一起造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)不穩(wěn)定、設(shè)備震動(dòng)大。新型傳動(dòng)箱將第五代軋機(jī)大底座和錐箱合二為一設(shè)計(jì)成45°一體化傳動(dòng)箱體，各帶有齒輪的軸串裝配其上從而實(shí)現(xiàn)45°傳動(dòng)，減少了中間安裝因素造成的公差積累，傳動(dòng)精度更高。該機(jī)組還對(duì)高速齒輪多采用格里森齒制的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了突破，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新制式弧齒錐齒輪，其傳動(dòng)精度高，承載能力強(qiáng)，可靠性高。齒輪、軸串動(dòng)平衡齒輪采用分體和組合整體二次動(dòng)平衡，滿足高速旋轉(zhuǎn)的要求，齒輪和動(dòng)平衡精度均采用最高等級(jí)。 

創(chuàng)新點(diǎn)四：傳動(dòng)設(shè)備新穎 

     軸承鋼管廠研制者為該機(jī)組自主研發(fā)了增強(qiáng)型和自定心新型輥箱，高速輥軸軸串裝配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了自定心式裝配形式，極大地減小了因裝配及使用不當(dāng)產(chǎn)生不平衡質(zhì)量而引起的設(shè)備穩(wěn)定性問題。機(jī)組輥箱采用插入式結(jié)構(gòu)、懸臂輥環(huán)，箱體內(nèi)存有偏心套機(jī)構(gòu)用來(lái)調(diào)整輥縫。偏心套內(nèi)裝有油膜軸承與軋輥軸，在懸臂的軋輥軸端用錐套固定輥環(huán)。軋機(jī)在105m/s軋制時(shí)，軋輥軸轉(zhuǎn)速達(dá)9000r/min以上，高速軸的動(dòng)平衡精度對(duì)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性有極大的影響。該項(xiàng)目高速輥軸軸串各件均采用了G1級(jí)的動(dòng)平衡工藝，同時(shí)在軸串裝配結(jié)構(gòu)上均采用了自定心式的裝配配合結(jié)構(gòu)，不僅解決了動(dòng)平衡穩(wěn)定性問題，而且簡(jiǎn)化了拆裝操作，提高了使用維護(hù)效率。 

    為實(shí)現(xiàn)控制軋制和控冷軋制，研制者為該機(jī)組設(shè)計(jì)了新型輥箱。由于軋制過程中軋輥軸的變形是導(dǎo)致輥箱燒毀的因素之一，新輥箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做了重大改進(jìn)，其中，通過計(jì)算機(jī)有限元載荷計(jì)算分析，將軋輥軸油膜軸承輥徑合理加大以增強(qiáng)剛性，減少?gòu)椥宰冃危辉谛滦推奶捉Y(jié)構(gòu)上與第五代結(jié)構(gòu)形式比較進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，在叉耳與滑塊配合公差、精度、軸承部位等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證輥縫間隙、油膜軸承與軋輥軸之間間隙靈活、合理，輥縫跳動(dòng)小，油膜承載力強(qiáng)。護(hù)帽、錐套、輥環(huán)等工藝件的反復(fù)安裝、拆卸，容易造成間隙過大破壞其動(dòng)平衡，影響軋機(jī)傳動(dòng)和軋制精度，為此，研制者在設(shè)計(jì)上考慮了上述綜合因素，設(shè)計(jì)鎖緊套，增加錐套與輥環(huán)之間的壓力。同時(shí)，錐套和護(hù)帽之間采用錐面配合形式，容易定心，拆裝方便，可靠，有力保證了軋機(jī)傳動(dòng)和軋制精度。對(duì)于錐套、面板、密封件等常用易損件，研制者將其材料設(shè)計(jì)為適合軋鋼工況的不銹鋼材料，延長(zhǎng)其使用壽命。 

創(chuàng)新點(diǎn)五：新型孔型系統(tǒng) 

     軸承鋼管廠研制者為該機(jī)組設(shè)計(jì)了新型的“8+2”模式的孔型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壓下量的低溫軋制，產(chǎn)品性能和表面質(zhì)量顯著提高。該項(xiàng)目在孔型設(shè)計(jì)上采用了線材傳統(tǒng)的、共用性大的橢圓—圓孔型系統(tǒng)，由于該項(xiàng)目采用的是230mm輥箱，最大軋制力為330kN，具有較大的壓下率，軋件斷面可靈活地進(jìn)行適量調(diào)整，從而大大簡(jiǎn)化了粗軋、中軋、預(yù)精軋和精軋機(jī)組的孔型系統(tǒng)。同時(shí)，該機(jī)組可直接調(diào)用精軋機(jī)組成品孔型，對(duì)其余精軋孔型進(jìn)行架次微調(diào)就可進(jìn)行生產(chǎn)，工藝成熟，入門簡(jiǎn)單，投產(chǎn)快。 

    這種成熟簡(jiǎn)便的工藝孔型系統(tǒng)對(duì)于該項(xiàng)目的推廣，以及對(duì)于用戶的順利投產(chǎn)及后期的維護(hù)使用都是十分有利的。簡(jiǎn)單實(shí)用也是該項(xiàng)目的一個(gè)重要特性。 

創(chuàng)新點(diǎn)六：低壓交流變頻傳動(dòng) 

    該機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了690V、2500kW電機(jī)低壓交流變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)在冶金軋鋼領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)在減定徑機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用低壓變頻系統(tǒng)，亦可用其替代國(guó)外壟斷進(jìn)口的中壓3300V變頻系統(tǒng)，并完全可以擴(kuò)展至其他應(yīng)用場(chǎng)合。 

    該項(xiàng)目采用低壓AC690V控制方案，投資成本約為進(jìn)口中壓方案的1/2，性能相當(dāng)。區(qū)別于常規(guī)的中壓AC3300V控制方案，該方案采用高性能復(fù)雜應(yīng)用多機(jī)傳動(dòng)、模塊化傳動(dòng)裝置的低壓AC690VS120變頻器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，S120變頻器在國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用，很多技術(shù)人員已經(jīng)熟悉，比較容易掌握，故障診斷方便，能很快找出問題。 

    軸承鋼管廠該控制方案縮短了整套設(shè)備的供貨周期，S120變頻裝置由國(guó)內(nèi)成套組裝，供貨周期3個(gè)月，而常規(guī)中壓控制方案使用的變頻裝置為全進(jìn)口設(shè)備，訂貨周期在半年以上。 

    該機(jī)組使用S120變頻器，調(diào)節(jié)精度、動(dòng)態(tài)性能均高于傳統(tǒng)的LCI方案，與國(guó)外最高端的中壓SM150變頻器性能相當(dāng)。 

該機(jī)組選用低壓S120系列變頻器，對(duì)供電開關(guān)柜、整流變壓器、變頻裝置、電動(dòng)機(jī)、電纜進(jìn)行綜合考量，整體成本較中壓方案大大降低。 

    S120變頻功率單元在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，因此功率單元備件供應(yīng)價(jià)格較低且周期短。成套裝置的其余輔助元器件均為通用器件，均為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，后期備件更換替代容易。而進(jìn)口裝置許多輔助元器件也是進(jìn)口的，備件價(jià)格十分昂貴，供貨周期很長(zhǎng)。 

    該產(chǎn)品通用、靈活而模塊化，調(diào)試簡(jiǎn)單快速，自動(dòng)組態(tài)，易于被技術(shù)人員掌握。 

    該技術(shù)解決了生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。生產(chǎn)中，雙機(jī)架減定徑機(jī)與精軋機(jī)之間的電氣協(xié)調(diào)控制對(duì)連續(xù)順行軋制極為關(guān)鍵，可以說(shuō)是最重要的控制環(huán)節(jié)，主要靠以下措施保證： 

 S120變頻功率單元在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，因此功率單元備件供應(yīng)價(jià)格較低且周期短。成套裝置的其余輔助元器件均為通用器件，均為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，后期備件更換替代容易。而進(jìn)口裝置許多輔助元器件也是進(jìn)口的，備件價(jià)格十分昂貴，供貨周期很長(zhǎng)。 

    該產(chǎn)品通用、靈活而模塊化，調(diào)試簡(jiǎn)單快速，自動(dòng)組態(tài)，易于被技術(shù)人員掌握。 

    該技術(shù)解決了生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。生產(chǎn)中，雙機(jī)架減定徑機(jī)與精軋機(jī)之間的電氣協(xié)調(diào)控制對(duì)連續(xù)順行軋制極為關(guān)鍵，可以說(shuō)是最重要的控制環(huán)節(jié)，主要靠以下措施保證： 

    一是硬件保證：自動(dòng)化PLC及操作站、傳動(dòng)變頻器、網(wǎng)絡(luò)通信等優(yōu)化配置，保證了整體協(xié)調(diào)性、快速性。 

    二是設(shè)備、電控柜、電機(jī)、編碼器、電纜線路等的正確安裝和接線作業(yè)，保證了電機(jī)抗震動(dòng)和抗干擾的穩(wěn)定運(yùn)行要求。 

    三是 軸承鋼管廠成熟、經(jīng)驗(yàn)化的傳動(dòng)變頻器調(diào)試優(yōu)化方法，保證了傳動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)特性要求，達(dá)到快速性和穩(wěn)定性的統(tǒng)一。 

    四是軟件控制程序和控制算法保證了出口速度的精確計(jì)算、速度給定精度、動(dòng)態(tài)速度補(bǔ)償精確和方便的工藝參數(shù)修改、存儲(chǔ)和調(diào)用窗口。 

    五是靈活的操作臺(tái)操作、手動(dòng)速度干預(yù)和上游機(jī)架間的級(jí)聯(lián)速度配合，短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效的速度調(diào)節(jié)，保證軋制節(jié)奏。

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