六輥軋機(jī)小輥徑工作輥變形受力分析①

嚴(yán)國平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院 湖北武漢430223)

1 引言

六輥軋機(jī)的輥系由支撐輥、中間輥與工作輥組成。其中，工作輥與帶鋼直接接觸并直接參與對軋制帶鋼的板形控制。故而，工作輥的力學(xué)性能很大程度上影響了六輥軋機(jī)板形控制能力。通常，如果工作輥徑較大時，工作輥采用單軸承支撐可以從力學(xué)性能上滿足板形控制要求，但如果工作輥徑較小時，這種單軸承支撐方式就很難滿足板形控制要求。

對于輥系的計算，一些研究者進(jìn)行了研究。白劍等［1］利用VB 與ANSYS 軟件結(jié)合完成了六輥軋機(jī)輥系變形的有限元仿真。張清東等［2］根據(jù)特殊輥廓曲線建立了六輥CVC 軋機(jī)輥系三維彈性變形的有限元模型并順利完成了計算。趙建國等［3］采用改進(jìn)的Coulomb 摩擦模型對軋機(jī)輥系三維接觸問題進(jìn)行了有效計算。嚴(yán)國平［4］采用有限差分法對工作輥變形進(jìn)行了解析求解。以上這些都是針對單軸承支撐的工作輥進(jìn)行的計算，適用于較大輥徑的工作輥。通過輥系受力的解析推導(dǎo)，并結(jié)合有限元計算方法對雙軸承支撐的小輥徑工作輥進(jìn)行了撓度計算，計算結(jié)果對工程設(shè)計具有良好的指導(dǎo)作用。

2 輥系受力分析

輥系受力分析示意圖如圖1 所示。根據(jù)力及力矩平衡原理，可以得到如下計算式，其中，式(1)為各計算角度表達(dá)式，式(2)為各軋輥水平力及相互作用力的表達(dá)式。

圖1 輥系受力分析圖

式中 α—軋制力與鉛垂線夾角，單位為°;

T1—前張力，單位為kN;

T0—后張力，單位為kN;

P—軋制力，單位為kN;

γ1—工作輥、中間輥中心連線與垂線的夾角，單位為°;

eiw—工作輥相對于中間輥偏移，單位為mm;

Rw—工作輥半徑，單位為mm;

Ri—中間輥半徑，單位為mm;

Rb—支撐輥半徑，單位為mm;

φ1—N1與工作輥和中間輥中心連線之間的夾角，單位為°;

M—單根工作輥上的軋制力矩，單位為kN·m;

Fbw—工作輥彎輥力，單位為kN;

ρw—工作輥輥頸處摩擦圓半徑，單位為mm;

k1—工作輥與中間輥間滾動摩擦系數(shù);

φ2—N2與支撐輥和中間輥中心連線之間的夾角，單位為°;

k2—支撐輥與中間輥間滾動摩擦系數(shù);

ρb—支撐輥輥頸處摩擦圓半徑，單位為mm;N1—工作輥和中間輥間作用力，單位為kN;N2—支撐輥和中間輥間作用力，單位為kN。

式中 Fbi—中間輥彎輥力，單位為kN;

F1—工作輥水平力，單位為kN;

F2—中間輥水平力，單位為kN;

F3—支撐輥水平力，單位為kN。

3 雙軸承支撐的工作輥變形分析

3.1 雙軸承支撐的設(shè)計思路

由于工作輥較小，為了提高小輥徑工作輥抗撓曲能力，將工作輥一側(cè)設(shè)計為雙軸承支撐［5］。為了避免彎輥時兩軸承之間受力的相互干涉，將其中一個軸承設(shè)計為滑動副結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行規(guī)避。圖2 中，外部軸承利用事先加工的帶特定方向的滑動副的軸承套進(jìn)行包裝，然后將其全部嵌入軸承座中，用以僅承受軋制方向的彎輥力，內(nèi)側(cè)軸承利用事先加工的帶特定方向的滑動副的軸承套進(jìn)行包裝，然后將其全部嵌入軸承座中，用以僅承受水平方向的力。

圖2 方案細(xì)化圖

3.2 工作輥受力計算

根據(jù)工作輥的受力狀況，對工作輥進(jìn)行分析。建立三維模型，并對其進(jìn)行單元劃分，在軸承處施加軸承約束。如圖3 所示。圖中，序號1 為軸承(一)施加的軸承約束，序號2 為軸承(二)施加的軸承約束，序號3 為工作輥上施加的水平作用力。水平力依據(jù)式(1)與式(2)計算得到。計算參數(shù)如表1 所示。將雙軸承支撐與單軸承支撐進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4 所示。

表1 計算參數(shù)

圖3 工作輥CAE 分析圖

圖4 方案對比結(jié)果圖

從圖4 中知，在同等水平力作用下，采用單軸承支撐的工作輥水平撓度約為0.28mm，采用雙軸承支撐的工作輥水平撓度約為0.128mm，后者僅約為前者的45%?？梢姴捎秒p軸承結(jié)構(gòu)能有效提高小輥徑工作輥抗撓曲能力。與此同時，也能克服由于彎輥力帶來的雙軸承的局部過約束問題。

4 結(jié)論

通過以上分析，可以得到如下結(jié)論:

1)帶滑動副的雙軸承支撐設(shè)計思路較好的解決了雙軸承的局部過約束問題，與此同時，這種設(shè)計顯著提高了小輥徑工作輥抗撓曲能力，值得推廣。

2)通過詳細(xì)設(shè)計與核算，本設(shè)計方案及各零部件均滿足設(shè)計許可要求，安全系數(shù)較高。

3)將控制水平力與減小輥徑結(jié)合起來進(jìn)行軋機(jī)設(shè)計，有助于擴(kuò)展六輥軋機(jī)的軋制范圍，結(jié)合本雙軸承設(shè)計技術(shù)，將更有助于提高軋機(jī)的軋制能力，也能較好地指導(dǎo)工程實際設(shè)計過程。

［1］白劍，劉治田，嚴(yán)洪凱等. 基于APDL 的軋機(jī)輥系變形仿真研究［J］. 冶金設(shè)備，2010，Vol.183 (5):42－44，79.

［2］張清東，孫向明，白劍. 六輥CVC 軋機(jī)輥系變形的有限元分析［J］. 中國機(jī)械工程，2007，Vol.18 (7):789－792.

［3］趙建國，孫大樂. 輥系三維接觸問題的有限元分析［J］. 機(jī)械制造，2009，Vol.540 (47):16－18.

［4］嚴(yán)國平. 基于有限差分法的工作輥撓度計算［J］. 冶金設(shè)備，2014，Vol.213 (4):1－4.

［5］尉強(qiáng)，嚴(yán)國平，徐時棟等. 軋機(jī)軸承裝置［P］. 中國專利CN203817052U，2014－04－22.