悬臂轧机组模拟加载试验装置

悬臂轧机组模拟加载试验装置

刘亮 杜祥坤 赵勋 张建业 郭杨利

哈尔滨哈飞工业有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150066

摘要：本篇文章论述了线材生产设备的演变历程，高线悬臂轧机组的发展进步。介绍了目前高线悬臂轧机组出厂前试验情况以及存在的问题，利用模拟加载试验装置改善目前存在的问题，提高轧机组的试车真实性、装机可靠性。

关键词：高线；悬臂轧机组；试车调试；转矩；加载

(一)前言

本论文涉及高线悬臂轧机组出厂前试验台试车调试，目的是应用模拟加载试验装置实现真实工况加载。以前试验台试车没有办法加载只能无载荷试车，空载试车与现场生产差异很大，导致钢厂实际生产运行可靠性差。这个问题困扰多年，影响试验台试车的真实性可靠性。

模拟加载试验装置对悬臂轧机组输出轴施加可控转矩，实现高速重载悬臂轧机组实际加载，使轧机组整个传动链处于受力状态，模拟生产轧制工况。装置由功率板块、控制板块、快换转子、定子安装定位、控制显示器等五部分组成。五个部分配合实现悬臂轧机组模拟加载，为高速、重载、传动复杂的悬臂轧机组做各项试验提供工艺载荷，保证高线悬臂轧机组出厂前试验台试车的真实性、可靠性。

（二）线材生产设备发展历程

线材产品的用途非常广泛，可直接作为建筑结构钢材，也可作为各类深加工产品的原材料。在社会生产活动的各个领域都有非常重要的作用，是不可或缺的重要钢材种类。因为线材在国民经济中的作用和地位非常重要，所以占钢材总产量比例较大，一般发达国家线材产量占比8%-10%而我国约20%以上，先进工业国家线材深加工比例约70%，我国约30%。线材行业的兴起、发展是科学技术进步、国民经济发展的必要需求。线材制品的重要性逐渐推动其产量和质量的提高，这决定于生产工艺技术与装备水平的发展，线材轧机的开发与创新是线材生产发展的首要条件。

据记载世界第一台线材轧机在16世纪问世。18世纪中期主要应用横列式轧机，采用反围盘人工喂料，成品轧制速度超过8m/s。20世纪初发展了半连续轧机，精轧采用正围盘或大活套轧制，速度提高到16m/s。20世纪50年代随着机械制造、电气传动和控制水平的提高线材轧制速度达36m/s。当时比较典型的连续线材精轧机是集中传动摩根型悬臂式轧机。1962年美国摩根公司开始研制摩根型高速无扭悬臂轧机，1966年9月第一套高速线材轧机在加拿大投产，轧制速度43-50m/s。高速线材轧机一出现就显示出极大地优越性，从产量到质量有很大幅度提升。继美国之后其它国家也纷纷创新高速线材轧机出现了各种机型。国际主流基本有四种机型，分别是美国摩根、德国西马克、英国阿希洛、意大利达涅利等机型，这四种高线轧机都采用悬臂式设计。不断的技术升级换代轧制速度不断的提升，目前高速线材轧制速度提升到95-120m/s，但是一直保持沿用悬臂设计。每种机型根据生产工艺需求又细分很多种传动组合模式，摩根机型装机使用量最大，以摩根机型为例发展至今装机主要以10架集中传动、双机架减定径、四机架减定径的组合为主。

（三）高线轧机试车技术现状

高速线材轧机都采用悬臂轧机组的传动形式，双机架减定径机组为例保证轧制速度120m/s，电机输入转速1505 r/min，总速比0.15，输出轴工作转速10038r/min，具有输出轴转速高、传动链长、设备总增速比大的特性为了提高机组现场装机合格率在制造厂家都要对新组装设备和返厂保养维修设备进行试车调试，对各种机型都有专用的试验台，但是一直没有办法施加载荷，都采用机组无载荷试车的方式试车，因为空载试车运行与现场生产差异很大，到钢厂装机使用经常会出现振动值超标、温度高、声音不好的情况。对于高速、重载设备无载荷试验台试车效果一直不理想，这个问题多年来一直存在并且没有适当的办法，影响试验台试车的真实性、可靠性。

图一 双机架减定径机组传动图

（四）无负荷试车存在的问题

试验台无载荷试车运行存在的问题：1、输出无载荷的自由状态由于整机传动链长、结构复杂容易产生传动件激荡冲击，导致试车表象参数不真实。2、齿轮、轴承、轴承座等承载零部件在无受力状态，各配合存在问题无法暴露。3、与负载实际运行工况差异较大，设备承载位置温升、振动不真实参考价值低。4、在试车出现异常需要进一步诊断分析时辅助手段少，排除问题的准确性低、效率低。5、到达现场实际负载工作时考核指标超标现象比较多，装机运行合格率、可靠性不可控。6、整机更换备件时由于可靠性低经常出现重复拆装、影响生产现场作业效率。这样对高线悬臂轧机组装机前试车模拟现场工况运行是非常重要的。

（五）解决方案

应用悬臂轧机组模拟加载试验装置，在悬臂轧机组的输出轴施加可控力矩，使轧机组整个传动链都处于受力状态，模拟生产轧制时的工况。此装置分为功率板块、控制板块、快换转子部分、定子安装定位部分、控制显示器等五个部分。快换转子与定子安装部分形成永磁无刷电机结构，运行时转子与定子分体固定无轴承、不接触更适应轧机高转速、长时间运行。功率板块负责永磁电机结构的驱动，控制板块负责转矩调节、数字信号处理、程序处理，控制显示器的功能是转矩调整输入、实际载荷显示、极限值保护、同步或分控选择。通过五个部分的配合实现悬臂轧机组全传动链加载试验。

图二 悬臂轧机组模拟加载试验装置原理示意图

图三 永磁无刷电机结构示意图

（六）具体实施细节

快换转子部分由锥套涨紧连接口、绝缘隔磁层、表面嵌入式永磁磁极组成，快换转子通过锥套涨紧连接口与悬臂轧机输出轴连接。定子安装定位部分由定子绕组铁芯、壳体定位安装罩、冷却风机组成，定子安装定位部分按照设定位置安装在轧机面板上，快换转子与定子之间保证电动机气隙要求。快换转子和定子安装定位部分组成永磁无刷电机，安装快换转子后的轧机输出轴即永磁无刷电机转子轴，转子与定子间不需要增加直接连接，适应高速运转并且快换转子和定子安装定位部分拆装方便。功率板块包括驱动部分、数字和模拟电源，负责永磁无刷电机结构的驱动。控制板块的功能是转矩、电压、电流控制，反馈监测，数字信号处理、程序处理等，负责加载调节控制。控制显示器包括转矩调整输入、实际载荷显示、极限值保护、同步或分控选择等功能。通过五个部分的配合实现对悬臂轧机组模拟加载试验。轧机组输出轴是生产作业时扭矩输出的位置，采用电磁力在轧机组输出轴施加转矩载荷，避免其它外力对试车的干扰真正模拟生产实际状态。为高速、传动复杂的悬臂轧机组试车做各项试验提供工艺载荷，保证高速线材悬臂轧机组出厂前试验台试车调试的真实性、可靠性。

图四 悬臂轧机加载示意图

（七）总结

悬臂轧机组模拟加载试验装置可以解决以下几个方面问题：1、可广泛应用于所有型号悬臂轧机组的试验台试车，结构简单、试车安装拆卸方便快捷；2、适应转速范围广、速度高的特性，该装置非接触性加载对设备运行无其它干扰和附带影响；3、在输出轴施加可控载荷，模拟使用状态负载真实工况。完整传动链都处于受力状态消除传动件激荡冲击，排除对整机运行的干扰因素；4、轴承、齿轮等重要承载件载荷试车，有问题就会得到充分暴露。排除有害的齿轮、轴承等装配着色、间隙、温升和振动情况更接近工作状态；5、在故障诊断时可以分别对任意轴调整施加载荷，增加问题分析的辅助手段，提高排除问题的效率和准确性；6、加载灵活，可以模拟各种规格、速度的负载运行指标，试验台试验数据更真实，提高现场装机合格率和可靠性。

参考文献：

[1]作者：刘亮、赵勋、杜祥坤.文献名称：减定径机组在线监测联合保护系统. 文献出处：基层建设2019年20期7月（中）.

[2]作者：唐任远. 文献名称：现代永磁同步电机理论与设计. 文献出处：北京：机械工业出版社，1997

[3]作者：袁志学，杨林浩 文献名称:高速线材生产 文献出处：工业出版社，2005.4（2014.1重印）冶金行业职业教育培训规划教材ISBN978-7-5024-3648-3

（姓名：刘亮 性别：男 专业：机械设计制造及自动化 职务：总经理助理 职称：高级工程师 学位：学士）

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