短應(yīng)力軋機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 云，段麗娟

隨著對(duì)軋制精度要求的不斷提高和軋制計(jì)算方法的不斷發(fā)展，高精度軋制已在各類鋼材生產(chǎn)線上推廣普及。由于短應(yīng)力線軋機(jī)在軋制大規(guī)格棒材等方面具有產(chǎn)品規(guī)格多、生產(chǎn)組織靈活、產(chǎn)品表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展短應(yīng)力軋機(jī)高精度軋制技術(shù)已成為行業(yè)必然趨勢(shì)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）軋輥輥系 由軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉桿和拉桿裝配、中間支承座等組成。上、下軋輥采用圓柱滾動(dòng)軸承，通過(guò)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)的軸承座等裝配在一起，上、下軸承座中內(nèi)置有左、右旋螺母，通過(guò)固定在4個(gè)中間支承座中的4根拉桿將上下軸承座聯(lián)結(jié)在一起，形成一個(gè)短應(yīng)力線軋機(jī)的軋輥輥系，通過(guò)拉桿和軸承座內(nèi)螺母連接，縮短了應(yīng)力線長(zhǎng)度，增大了軋機(jī)剛度。由于拉桿聯(lián)接軸承座使軋輥軸承的受力狀態(tài)更合理，提高了軸承的承載能力，延長(zhǎng)了軸承的使用壽命。同時(shí)也使軋輥軸承運(yùn)行更加穩(wěn)定，從而提高了軋制精度。

軋輥軸承選用剛性較大的四列圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向負(fù)荷，由止推軸承承受軸向載荷。利用球面墊改善軋輥軸承受力情況，使軋輥軸承各列滾動(dòng)體受力均勻，提高了軋輥軸承的使用壽命。

在上、下軸承座之間設(shè)有彈性阻尼平衡裝置，以消除拉桿和螺母之間的螺紋副間隙和軸承游隙。

上、下軋輥均在操作側(cè)設(shè)置有軸向固定裝置以防止軋輥軸向竄動(dòng)。

為了精確地將上、下輥的孔槽對(duì)準(zhǔn)，在上輥軸承座內(nèi)設(shè)置軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置。通過(guò)手動(dòng)蝸桿使既帶蝸輪又帶螺紋的套旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)止推軸承和四列圓柱滾子軸承的內(nèi)套和軋輥軸向移動(dòng)，從而進(jìn)行軸向調(diào)整；為消除螺紋間隙和防松，還設(shè)置有對(duì)頂螺紋套，減少軋制過(guò)程中軋輥的徑向竄動(dòng)。

（2）輥縫調(diào)節(jié)裝置 由液壓馬達(dá)、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)蝸桿蝸輪箱、編碼器等組成。傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)蝸桿蝸輪箱內(nèi)的蝸桿蝸輪副套裝在軋機(jī)輥系的4根拉桿的上端，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，拉桿通過(guò)軸承座內(nèi)置螺母帶動(dòng)軋輥上下移動(dòng)。上、下軋輥的軸承座內(nèi)置螺母分別為左右螺紋，使上、下軋輥反向升降，輥縫對(duì)稱調(diào)節(jié)。由于軋制線固定，減少了生產(chǎn)事故，提高了軋機(jī)作業(yè)率。傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)蝸桿蝸輪箱之間的傳動(dòng)軸上設(shè)置有手動(dòng)離合器，便于單側(cè)調(diào)整上、下軋輥的水平度。

由軋輥輥系和輥縫調(diào)節(jié)裝置組成的軋機(jī)機(jī)芯通過(guò)液壓拉伸螺栓，快速可靠地緊固到軋機(jī)底座上，與包括導(dǎo)衛(wèi)梁和導(dǎo)衛(wèi)、機(jī)上配管等部件組成軋機(jī)本體。

換輥時(shí)，先由推出缸將軋機(jī)推出到橫移車旁，再由拉出缸將軋機(jī)拉到換輥橫移車上，整個(gè)機(jī)組同時(shí)更換，快捷方便。

（3）軋機(jī)主傳動(dòng) 軋機(jī)主電機(jī)采用調(diào)速電機(jī)，通過(guò)安全鼓形齒式聯(lián)軸器與聯(lián)合減速機(jī)相連。聯(lián)合齒輪箱由減速級(jí)與人字齒輪座合為一體，其兩個(gè)輸出軸通過(guò)伸縮型鼓形齒式接軸分別驅(qū)動(dòng)上、下軋輥。

（4）接軸托架 通過(guò)滾動(dòng)軸承將軋機(jī)接軸的一端裝配在可升降的軸承座內(nèi)，在任何時(shí)候都保持對(duì)接軸的支承。上、下接軸的重量通過(guò)杠桿（或反向拉索）相互平衡，消除了接軸對(duì)軋輥傳動(dòng)側(cè)軸承的附加載荷，同時(shí)使軋輥平衡裝置的受力均勻合理。

（5） 軋機(jī)滑動(dòng)底座 用于軋機(jī)機(jī)芯的安置及與接軸托架的連接，在滑動(dòng)結(jié)合面上裝有襯板。為便于換輥，立式軋機(jī)的操作側(cè)裝有一個(gè)換輥架，上面裝有襯板，便于更換。

（6）軋機(jī)底座 軋機(jī)本體和接軸托架安裝在同一個(gè)軋機(jī)底座上。底座為鋼結(jié)構(gòu)焊接件。軋機(jī)底座上還裝配有軋機(jī)橫移裝置和軋機(jī)鎖緊缸。

立式軋機(jī)與水平軋機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本一致，不同之處在于另設(shè)有一個(gè)擺動(dòng)臺(tái)，換輥時(shí)先將軋機(jī)落下，由推出液壓缸將軋機(jī)推出到擺動(dòng)臺(tái)上，擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臺(tái)升起，然后由拉出缸將軋機(jī)拉至橫移臺(tái)車上，與其他軋機(jī)一起更換。

同規(guī)格的軋機(jī)本體除軋輥孔型、軋機(jī)滑動(dòng)底座不同外，其余部件完全相同，具有互換性，所需備品備件少。

2 剛度計(jì)算

計(jì)算軋機(jī)的變形所需參數(shù)有：軋制力7 500 kN，軋輥輥身直徑為?870 mm，軋材中心距離輥身端面200 mm。三維造型軟件為Autodesk Inventor，分析軟件為ANSYS，單元為空間六面體單元。

2.1 三維造型

根據(jù)圖紙和設(shè)計(jì)尺寸，并根據(jù)計(jì)算需要，對(duì)三維模型進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，模型中包含軋輥、軸承、軸承座、立柱、墊片、軸承蓋、壓下螺母、球面墊。利用AutodeskInventor進(jìn)行三維造型（見(jiàn)圖1）。

圖1 軋機(jī)上部分三維實(shí)體圖

2.2 有限元模型及邊界條件

根據(jù)軋機(jī)結(jié)構(gòu)和受力對(duì)稱的特點(diǎn)，取上部分的二分之一模型進(jìn)行分析，根據(jù)力學(xué)理論，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，采用空間六面體單元，并在可能發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化設(shè)定。壓下螺母材料定義為銅，其余部件材料定義為鐵。劃分單元后，共得到144 879節(jié)點(diǎn)，41 595單元（見(jiàn)圖2）。

圖2 軋機(jī)單元模型圖

建立耦合和接觸關(guān)系包括：

（1） 將軸承座和墊片、球面墊耦合（glue）。

（2）將軸承座和軸承耦合。

（3）將立柱和壓下螺母耦合。

（4）將軸承座和軸承蓋耦合。

（5）將壓下螺母和球面墊接觸。

（6）將軋輥和軸承接觸。

（7）將軋材和軋輥接觸。

加載時(shí)，考慮到分析模型為上部分模型的二分之一，所以載荷大小為軋制力7 500 kN的一半，因此在軋材作用面上施加載荷3 750 kN。對(duì)稱面采用對(duì)稱約束，在軋輥一端點(diǎn)約束x方向（見(jiàn)圖3）。

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖3 軋機(jī)邊界條件圖

通過(guò)計(jì)算，得到軋機(jī)的x方向（軸向） 變形。其最小變形為-0.975 mm，具體位置在左側(cè)軸承座上，圖中藍(lán)色位置即是。最大變形為0.585 mm，具體位置在右側(cè)軸承座上，圖中紅色位置即是（見(jiàn)圖 4）。

圖4 軋機(jī)軸向（x方向）變形圖

在軋機(jī)y方向（縱向）變形圖中向上最大變形為1.355 mm，具體位置在軋材上，圖中紅色位置即是。軋輥中心變形為0.924 4 mm（見(jiàn)圖5）。

圖5 軋機(jī)縱向（y方向）變形圖

從軋輥y方向變形圖中可以看出最大變形為1.248 3 mm，具體位置在軋制處，圖中紅色位置即是（見(jiàn)圖6）。根據(jù)軋輥?zhàn)冃吻闆r，可知軋輥的撓

由左軸承座中間截面z方向變形圖中變形標(biāo)示可知各個(gè)部件變形情況（見(jiàn)圖7）：

圖6 軋輥y方向變形圖

圖7 左軸承座中間截面z方向變形分布圖

（1）從球面墊與拉桿變形的情況來(lái)看，最大變形為0.018 9 mm，為了安全給2倍安全系數(shù)，球面墊和拉桿間隙應(yīng)為0.037 9 mm。

（2） 軸承座與壓下螺母的最大變形為0.067 8 mm，為確保安全取2倍安全系數(shù)，則軸承座與壓下螺母間隙應(yīng)為為0.135 mm。

（3） 軸承座蓋與拉桿的最大變形為0.2 mm，取2倍安全系數(shù)，則軸承座與壓下螺母間隙應(yīng)為為0.4 mm。

終上所述，軋機(jī)縱向的變形為1.355 mm，軋輥的變形為0.838 mm，所占比例為62%。由于分析對(duì)象僅為軋機(jī)上部分，而下部分和上部分的結(jié)構(gòu)相同，所以計(jì)算剛度時(shí)要考慮下部分的變形，則軋機(jī)剛度k=7 500 000/0.924 4/2=405.844 kN/mm。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限法計(jì)算出短應(yīng)力線軋機(jī)的承載件及整體的剛度對(duì)優(yōu)化軋機(jī)的各承載件 (例如輥系,拉桿等)提供了參考數(shù)據(jù)。鑒于縱向變形量為0.2 mm，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮拉桿等件不能承受軋機(jī)軋制過(guò)程中軸承座的變形量，故拉桿與軸承座之間的間隙應(yīng)大等于0.2 mm。