機(jī)構(gòu)仿真在線材軋機(jī)輥箱維修中的應(yīng)用研究

余良棟 王 勝 韓建友 李 威

（1.寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部 上海 2.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京）

摩根第六代線材軋機(jī)是目前世界上軋制線速度最高的高速線材軋機(jī)，其上配置的軋機(jī)輥箱從設(shè)計(jì)到制造體現(xiàn)了精度、緊湊、高速、穩(wěn)定的特點(diǎn)。在高速線材生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，其一由于產(chǎn)品合金化與低溫軋制的需求不斷提升，160 mm輥箱油膜軸承溫度在個(gè)別產(chǎn)品規(guī)格生產(chǎn)中出現(xiàn)了異常溫升。其二由于多年使用后產(chǎn)生的零件公差數(shù)據(jù)的變化，逐步在定徑機(jī)輥箱上累積，最終引起軋制過(guò)程中輥縫的波動(dòng)而導(dǎo)致5.5 mm產(chǎn)品尺寸精度波動(dòng)。本文嘗試?yán)脵C(jī)構(gòu)仿真技術(shù)，解析上述問(wèn)題產(chǎn)生的真實(shí)原因，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用中獲得了驗(yàn)證，解決了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中諸多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

一、油膜軸承運(yùn)行狀態(tài)仿真

1.影響油膜軸承運(yùn)行狀態(tài)的因素

油膜軸承用于承受軋制中直接作用在軋輥軸上的徑向力，所以其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與以下幾方面相關(guān)：1）懸臂軋輥軸受力產(chǎn)生的變形撓度；2）潤(rùn)滑油的物性及輥軸轉(zhuǎn)速；3）油膜軸承溫度場(chǎng)的變化與分布。為了較近似地將油膜軸承與輥軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)載荷、轉(zhuǎn)速與溫度的關(guān)系表現(xiàn)清楚，必須對(duì)輥軸受力后的變形撓度狀態(tài)與油膜軸承溫度場(chǎng)的變化分布做仿真分析。

2.軋輥軸有限元力學(xué)模型建立

輥軸在工作中主要承受軋制力，斜齒輪力以及油膜軸承的作用反力。在這些力的作用下輥軸將產(chǎn)生主要沿垂直徑向的撓度變形，輥軸的變形將影響油膜的分布，即影響油膜軸承的潤(rùn)滑狀況。

研究輥軸的撓度變形，以單根輥軸作為研究對(duì)象，主要考慮輥軸承受的徑向力，忽略輥軸承受的軸向力，又由于把輥軸簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題，因此輥軸承受4個(gè)作用力：軋制力、油膜反作用力、斜齒輪的徑向分力以及重力。

利用Ansys軟件建立有限元仿真計(jì)算模型，其計(jì)算結(jié)果如圖1所示。不同的顏色代表不同的變形量，圖中變形量的正負(fù)是以受壓為負(fù)、受拉為正，即負(fù)值表示此顏色代表的區(qū)域是受壓，正值表示此顏色代表的區(qū)域受拉。從輥軸力學(xué)撓度變形仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在安裝油膜軸承處錐度部位產(chǎn)生的彈性變形量應(yīng)＜1μm。

圖1 輥軸整體撓度變形

3.油膜軸承溫度場(chǎng)仿真

160 mm輥箱的油膜軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，非承載半瓦上有4個(gè)油孔，每個(gè)油孔直徑是8 mm，軸瓦的寬度是76 mm，輥軸的長(zhǎng)度是102 mm，軸瓦與輥軸的最小間隙是0.07 mm。將軸承外壁設(shè)為固定不動(dòng)的墻體；內(nèi)壁有輥軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的工況速度10 336 r/min。

利用Fluent軟件仿真油膜軸承溫度場(chǎng)分布如圖3所示，在靠近圖中右側(cè)是輥軸大端與油膜軸承接觸的部位，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)此部位溫度在軸承內(nèi)壁上最高溫度為126.4777℃，最高溫度與最低溫度溫差為60℃。

圖2 油膜軸承結(jié)構(gòu)

4.實(shí)際狀態(tài)與改善方法

從解體后的油膜軸承實(shí)際狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在承載半瓦接近軋輥軸大端部位也有明顯的摩擦痕跡，如圖4所示。

結(jié)合有限元計(jì)算與溫度場(chǎng)仿真的數(shù)據(jù)，對(duì)比油膜軸承實(shí)際使用狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在安裝油膜軸承處錐度部位產(chǎn)生的彈性變形量較小，在徑向軋制力作用下，輥軸整體向承載方向移動(dòng)，輥軸大端與油膜軸承間未能建立均勻的油膜而發(fā)生半干摩擦產(chǎn)生熱量，使油膜軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度上升。

在軸頸速度、潤(rùn)滑油物性與油膜軸承無(wú)法更改的前提條件下，單純改變輥軸與油膜軸承的間隙并不能達(dá)到控制溫度的效果，還要綜合考慮徑向間隙與收斂區(qū)楔形梯度的相互關(guān)系。通過(guò)改變收斂區(qū)楔形梯度的方法，160 mm輥箱油膜軸承最高運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下降了25℃，并且其最長(zhǎng)使用周期實(shí)際＞31個(gè)月。

圖3 油膜軸承溫度場(chǎng)分布

圖4 油膜軸承狀態(tài)

二、定徑機(jī)輥箱維護(hù)狀態(tài)仿真

1.定徑機(jī)輥箱維護(hù)狀態(tài)仿真的意義

定徑機(jī)輥箱在投用十年后，仍有近30%的零部件一直在線使用，通過(guò)負(fù)載狀態(tài)測(cè)量的動(dòng)態(tài)輥縫數(shù)據(jù)表明，零件公差情況的變化會(huì)對(duì)裝配后輥箱的動(dòng)態(tài)輥縫波動(dòng)構(gòu)成影響，特別是在5.5 mm產(chǎn)品軋制時(shí)尤為明顯。通過(guò)建立輥箱的三維虛擬樣機(jī)，并配合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，來(lái)分析零件實(shí)際尺寸公差狀態(tài)下輥縫的波動(dòng)取值范圍，用于指導(dǎo)輥箱裝配維護(hù)。

2.定徑機(jī)輥箱虛擬樣機(jī)的建立

圖5 定徑機(jī)輥箱虛擬樣機(jī)

圖6 輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖7 虛擬樣機(jī)模型

圖8 軋輥軸中心距波動(dòng)曲線

選擇Inventor軟件作為建立虛擬樣機(jī)的工具，它可以基于裝配關(guān)系模擬機(jī)器運(yùn)動(dòng)，但是該運(yùn)動(dòng)模擬并不能施加載荷等力學(xué)約束，而能依據(jù)尺寸約束來(lái)模擬裝配關(guān)系與機(jī)械機(jī)構(gòu)調(diào)整動(dòng)作的動(dòng)態(tài)仿真，這可以對(duì)輥箱裝配后的各零件的約束關(guān)系進(jìn)行定性分析。建立的定徑機(jī)輥箱三維虛擬樣機(jī)如圖5所示。

3.動(dòng)態(tài)輥縫波動(dòng)與調(diào)整機(jī)構(gòu)零件公差相關(guān)性模型建立

通過(guò)三維建模的過(guò)程，可以定性分析定徑機(jī)輥箱裝配狀態(tài)徑向與軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)輥縫變化的影響，接下來(lái)需要解決的問(wèn)題是如何能夠把實(shí)際的調(diào)整過(guò)程抽象成能夠被分析的模型，這樣才有可能對(duì)零件公差和輥縫波動(dòng)的關(guān)系作進(jìn)一步的數(shù)值化分析。

例如在定徑機(jī)輥箱的各機(jī)構(gòu)中，以輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)為例，其主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪副組成，如圖6所示。

根據(jù)銷軸、連桿之間的位置關(guān)系，計(jì)算出虛擬樣機(jī)仿真中各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，以此作為建立仿真模型的基礎(chǔ)，生成的仿真模型如圖7所示。

輥縫調(diào)整結(jié)束后，取兩軋輥軸的中心距為149 mm，在軋制過(guò)程中，軋輥軸將受到軋制力的作用，在兩個(gè)軋輥軸上施加相背離的軋制力。此時(shí)在軋制力的作用下，對(duì)兩軋輥軸的中心距進(jìn)行測(cè)量，以觀察曲線波動(dòng)變化情況，通過(guò)仿真分析，得到如圖8中所示的中心距曲線。通過(guò)圖8中的仿真曲線可知，由于調(diào)整機(jī)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的間隙，會(huì)引起軋輥中心距波動(dòng)。

4.實(shí)際應(yīng)用效果

通過(guò)建立定徑機(jī)輥箱三維虛擬樣機(jī)，并按零件公差對(duì)輥縫波動(dòng)理論仿真計(jì)算后，可以發(fā)現(xiàn)各零件公差大小與輥縫波動(dòng)相關(guān)性的對(duì)應(yīng)值，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可以設(shè)定相應(yīng)的維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免零件公差變化影響線材產(chǎn)品的尺寸精度。

四、結(jié)論

采用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)機(jī)械維修技術(shù)予以改進(jìn)的方法，在目前寶鋼線材仍處于初級(jí)的階段，但從其直觀化、數(shù)據(jù)化、可信度而言對(duì)維修精度的提高具有很好的效果。利用仿真技術(shù)對(duì)于日常維修中無(wú)法定量發(fā)現(xiàn)的微觀數(shù)值、可能出現(xiàn)的維修缺陷點(diǎn)能給出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于維修方式轉(zhuǎn)變、降低維修成本具有實(shí)質(zhì)性的意義。