軋輥軸承選型與校核計(jì)算CAD系統(tǒng)

張闐，李雪飛

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003)

1 軋輥軸承的常用配置形式

軋輥在工作時(shí)，需要承受很大的徑向載荷和軸向載荷，常見(jiàn)的軋輥軸承配置形式有：調(diào)心滾子軸承；雙、四、六列圓錐滾子軸承(對(duì)于軸向載荷很大的場(chǎng)合，可以組合止推軸承使用)；雙、四、六列圓柱滾子軸承與止推軸承組合；以及用于多輥軋機(jī)支撐輥的背襯軸承等。其中最常用的是采用四列圓柱滾子軸承與止推軸承組合以及四列圓錐滾子軸承的配置形式。

1.1 四列圓柱滾子軸承與止推軸承組合

如圖1所示，四列圓柱滾子軸承承受徑向力(也有選用雙列或六列圓柱滾子軸承)，具有載荷容量大、極限轉(zhuǎn)速高、精度高、內(nèi)外圈可分離且可以互換、加工容易、生產(chǎn)成本低廉、安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)；止推軸承承受軸向力，常用的止推軸承形式有雙列圓錐滾子軸承、推力調(diào)心滾子軸承、推力圓錐滾子軸承、角接觸球軸承、四點(diǎn)接觸球軸承、深溝球軸承等多種類(lèi)型，具體結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)軸向載荷與軋制速度來(lái)選用。

圖1 四列圓柱滾子軸承與止推軸承組合

這種軸承配置形式不僅軸承壽命長(zhǎng)，可靠度高，而且具有軋制成品精度高、易控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以目前應(yīng)用最為廣泛，多用于線材軋機(jī)、板材軋機(jī)、箔材軋機(jī)、冷軋機(jī)和熱軋機(jī)等的支撐輥。

1.2 四列圓錐滾子軸承

如圖2所示，四列圓錐滾子軸承既可承受徑向力(也有選用雙列或六列圓錐滾子軸承)，又可承受軸向力，無(wú)需配置止推軸承，因此主機(jī)顯得更加緊湊。圓錐滾子軸承內(nèi)徑與輥頸一般采用松配合，安裝和拆卸非常方便。

圖2 四列圓錐滾子軸承

這種配置形式目前應(yīng)用仍然比較廣泛，如四輥熱軋機(jī)和冷軋機(jī)的工作輥和開(kāi)坯機(jī)、鋼梁軋機(jī)等場(chǎng)合的軋輥。

2 軋輥軸承的選型與校核原則

軸承選型往往要綜合考慮多種因素，而由于軋輥軸承的配置形式相對(duì)固定，其軸承的結(jié)構(gòu)形式多采用四列圓柱滾子軸承、四列圓錐滾子軸承以及止推軸承，相對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)合，軋輥軸承的轉(zhuǎn)速較低，一般情況下軸承轉(zhuǎn)速都可以滿(mǎn)足軋機(jī)工況條件的要求，因此對(duì)于軋輥軸承的選型工作主要集中在軸承的尺寸選擇和壽命校核計(jì)算方面，其選型的主要原則如下：

(1)由軋制工況條件確定軋輥軸承的內(nèi)徑范圍和軸承壽命預(yù)期，根據(jù)軋制工藝要求，不同位置的軋輥軸承壽命預(yù)期不同；

(2)軸承壽命計(jì)算滿(mǎn)足預(yù)期時(shí)，為減小軋機(jī)尺寸，應(yīng)盡可能選擇小尺寸軸承，即優(yōu)先選擇內(nèi)徑小的軸承，內(nèi)徑相同的條件下，優(yōu)先選擇外徑小的軸承，內(nèi)、外徑均相同的條件下，優(yōu)先選擇寬度小的軸承；

(3)軋機(jī)在工作過(guò)程中，軋制力和軋制速度是不斷變化的，很難精確計(jì)算每個(gè)工作周期內(nèi)不同時(shí)間段軸承的載荷和轉(zhuǎn)速，因此通常按照平均軋制力和平均軋制速度來(lái)確定每個(gè)軸承的載荷以及轉(zhuǎn)速，進(jìn)行軸承壽命的計(jì)算與校核。

3 系統(tǒng)的工作流程與主要模塊

3.1 工作流程

該系統(tǒng)以Visual Basic 6.0為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以Access數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)[1]，以AutoCAD作為圖形處理軟件[2]，進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。首先啟動(dòng)系統(tǒng)，用戶(hù)根據(jù)軋機(jī)的類(lèi)型，選擇軋輥軸承的配置形式，輸入軋機(jī)的工況條件(包括軋制力、彎輥力、軋制速度及預(yù)期壽命)，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置的計(jì)算程序，計(jì)算各個(gè)軸承的內(nèi)徑范圍，以及單個(gè)軋輥軸承的載荷情況與轉(zhuǎn)速，再通過(guò)預(yù)期壽命從內(nèi)置的軸承數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿(mǎn)足條件的軸承，當(dāng)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有合適的軸承時(shí)，也可以通過(guò)外部輸入，最后對(duì)選定的軸承進(jìn)行校核計(jì)算并輸出結(jié)果，系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 主要模塊

該系統(tǒng)主要包括外部載荷計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)和輸出結(jié)果等功能模塊。

其中外部載荷計(jì)算模塊內(nèi)置了多種典型的軋輥軸承配置方案，程序能夠根據(jù)軋機(jī)的工況條件，自動(dòng)計(jì)算各個(gè)軋輥軸承的內(nèi)徑范圍，以及各個(gè)軸承承受的載荷與轉(zhuǎn)速。對(duì)于支撐輥軸承，其內(nèi)徑尺寸范圍按照軋輥輥頸的60%～65%計(jì)算；工作輥軸承內(nèi)徑尺寸范圍按照工作輥輥頸的55%～60%計(jì)算。支撐輥軸承徑向載荷按照軋制力的50%計(jì)算，軸向載荷根據(jù)軋機(jī)的類(lèi)型按照軋制力的1%～5%計(jì)算；工作輥軸承徑向載荷按照彎輥力計(jì)算，軸向載荷與支撐輥軸承相同。支撐輥軸承和工作輥軸承的轉(zhuǎn)速按照軋制線速度除以相應(yīng)軋輥輥頸的周長(zhǎng)計(jì)算。對(duì)于最大軋制力、最大彎輥力以及最大軋制速度，根據(jù)不同的軋機(jī)形式，程序按照乘以系數(shù)(0.6～1)的方式得到平均軋制力、平均彎輥力以及平均軋制速度。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，每一種典型軋輥軸承的配置形式都以單獨(dú)的模塊形式儲(chǔ)存(獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)模塊)，該模塊包括軋輥軸承內(nèi)徑范圍、載荷、轉(zhuǎn)速的計(jì)算，以及軸承結(jié)構(gòu)形式的選擇界面，確定了上述參數(shù)后，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)模塊進(jìn)行軸承的選型。由于模塊是獨(dú)立儲(chǔ)存的，當(dāng)有新的軋輥軸承配置形式時(shí)，只需添加相應(yīng)的程序代碼，計(jì)算軋輥單個(gè)軸承的內(nèi)徑范圍、載荷、轉(zhuǎn)速，并添加相應(yīng)的軸承結(jié)構(gòu)形式選擇界面，通過(guò)得到的計(jì)算結(jié)果，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)模塊，即可進(jìn)行新配置形式軋輥軸承的選型，程序適用的范圍可以很方便地進(jìn)行拓展。

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)模塊采用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以軸承型號(hào)、外形尺寸、安裝尺寸、額定載荷及計(jì)算系數(shù)等參數(shù)為字段，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的軋輥軸承分別建立數(shù)據(jù)表。將程序計(jì)算得到的軸承的內(nèi)徑范圍和預(yù)期壽命作為查詢(xún)條件，通過(guò)SQL語(yǔ)句查詢(xún)得到滿(mǎn)足條件的軸承。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有合適的軸承時(shí)，可以通過(guò)外部輸入軸承參數(shù)，再進(jìn)行校核計(jì)算，這樣能夠更好地完善系統(tǒng)。

以同時(shí)承受徑向力Fr和軸向力Fa的四列圓錐滾子軸承為例，由于計(jì)算軸承當(dāng)量載荷時(shí)，需按Fa/Fr與計(jì)算系數(shù)e比較，從而確定當(dāng)量載荷系數(shù)X，Y，在進(jìn)行查詢(xún)時(shí)可分別按照Fa/Fr≤e和Fa/Fr>e兩種情況進(jìn)行查詢(xún)，再通過(guò)Union合并，具體代碼如下

Dim Sql As String，Tbl as string

Tbl = "四列圓錐滾子軸承"

Sql = "SELECT * FROM " & Tbl &

" WHERE " & _"e >= " & (Fa / Fr) & _" and Cr / (1 * " & Fr & "+Y1 * " & Fa & ") >= " & _(L * n * 60 / 10 ^ 6) ^ (1 /ε)

Sql=Sql & " union SELECT * FROM & Tbl & WHERE " & _"e < " & (Fa / Fr) & _" And Cr / (0.67 * " & Fr & " + Y2 * " & Fa & ") >= " & _(L * n * 60 / 10 ^ 6) ^ (1 /ε)

其中：四列圓錐滾子軸承為數(shù)據(jù)表名稱(chēng)；Cr，e，Y1，Y2為字段名，分別對(duì)應(yīng)額定動(dòng)載荷及計(jì)算系數(shù)；Fr為徑向載荷；Fa為軸向載荷；L為軸承預(yù)期壽命；n為軸承轉(zhuǎn)速；ε為壽命指數(shù)。

輸出結(jié)果模塊將軋輥軸承的選型與校核計(jì)算的結(jié)果，用“Open…For Output”語(yǔ)句建立文本文件，通過(guò)“Print”語(yǔ)句將結(jié)果輸出到該文本文件；使用“GetObject”和“CreateObject”函數(shù)聯(lián)接 AutoCAD對(duì)象，作為圖形處理軟件，使用“Documents.Open”函數(shù)加載所對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的軋輥軸承圖形模板文件，使用“HandleToObject”函數(shù)獲得圖形文件中需要修改的標(biāo)注和文本對(duì)象，通過(guò)修改標(biāo)注對(duì)象的“TextOverride”屬性和文本對(duì)象的“TextString”屬性，將得到軸承的外形尺寸、安裝尺寸以及額定載荷等參數(shù)輸入，最終以圖形文件的形式輸出，用戶(hù)能夠非常直觀地看到選型和校核計(jì)算的結(jié)果。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某型號(hào)四輥板帶軋機(jī)為例，輸入工況條件：最大軋制力4 500 kN，最大彎輥力240 kN，最大軋制速度240 m/min，工作輥輥徑210 mm，支撐輥輥徑600 mm。選擇軋輥軸承配置形式為：工作輥選用四列圓錐滾子軸承，支撐輥選用四列圓柱滾子軸承與深溝球軸承組合，如圖 4所示。

圖4 輸入界面

點(diǎn)擊軸承形式右邊的選型按鈕，輸入軸承的壽命預(yù)期，點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)給出滿(mǎn)足條件的軸承，雙擊軸承所在的行即可選定軸承，如圖 5所示。

圖5 軸承選型

重復(fù)上述步驟，依次完成各個(gè)軸承的選型，圖 4中“校核計(jì)算”按鈕變?yōu)榭捎茫c(diǎn)擊就能夠?qū)λx軸承進(jìn)行校核計(jì)算并輸出結(jié)果，程序運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表1。表1中f0為取決于軸承零件的幾何形狀和應(yīng)力水平系數(shù)；e為Weibull指數(shù)。

表1 軸承選型后校核結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

該軋輥軸承選型與校核CAD系統(tǒng)，可用于多種常見(jiàn)軋輥軸承配置形式的軸承選型與校核計(jì)算，經(jīng)過(guò)測(cè)試，操作簡(jiǎn)單方便，自動(dòng)化程度高，能夠高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)軋輥軸承的選型，并能夠完成校核計(jì)算，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有的軸承型號(hào)可以通過(guò)輸入軸承參數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算，提高了該類(lèi)軸承選型與校核計(jì)算工作的質(zhì)量和效率。