短應(yīng)力路徑非對(duì)稱(chēng)多功能軋機(jī)的發(fā)展

李寶偉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司， 山東 日照 276800）

20世紀(jì)40年代，第一個(gè)短應(yīng)力路徑軋機(jī)在瑞典成功研制[1]。隨著銑削精度的不斷提高和軋制技術(shù)的不斷發(fā)展，短應(yīng)力路徑高剛性軋機(jī)近年來(lái)越來(lái)越受歡迎。所謂的短應(yīng)力路徑軋機(jī)是軋機(jī)縮短應(yīng)力路徑的一般術(shù)語(yǔ)。短應(yīng)力線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以大大提高軋機(jī)剛性，防止機(jī)器變形。因此，世界各地的設(shè)備制造商（如摩根，SMS，神戶(hù)鋼鐵，丹尼利等）紛紛開(kāi)發(fā)各種短應(yīng)力路徑軋機(jī)。

在本文中，新軋機(jī)由CISDI工程有限公司和重慶大學(xué)共同開(kāi)發(fā)。此軋機(jī)取消了外殼，軸承座由四根桿連接起來(lái)。這大大縮短了應(yīng)力路徑，提高了軋機(jī)的剛性。軋機(jī)上輥和下輥由齒輪減速電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，軋機(jī)可以通過(guò)交流變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)輥速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)軋制。軋機(jī)不僅可以生產(chǎn)圓形和條形板材，還可以通過(guò)不同槽的軋輥生產(chǎn)型材。軋機(jī)適用于鋼和有色金屬（如鎂，鋁，鈦，銅，鈷等）的軋制。此外，還可用于熱軋和冷軋。另外，軋機(jī)采用四列圓柱滾子軸承，具有較高的承載能力，更長(zhǎng)的使用壽命，安裝維護(hù)方便。

1 短應(yīng)力路徑軋機(jī)的特點(diǎn)

抵抗結(jié)構(gòu)變形的能力稱(chēng)為剛度。剛度系數(shù)K可以表示為：

式中:P為軋制力；f為軋機(jī)機(jī)架的彈性變形量，f=fB=fK，fB為軋輥的彈簧變形量，fK為軋機(jī)除了軋輥彈簧之外的彈簧變形量。

也就是壓縮部分的壓縮變形總和是拉伸部分的拉伸變形和彎曲折彎的變彎部位結(jié)合。

因此，軋機(jī)的剛性與軋機(jī)機(jī)架的變形成反比。提高剛性的本質(zhì)就是減少fB和fK。對(duì)于傳統(tǒng)的軋機(jī)，由四個(gè)部件組成的軋機(jī)機(jī)架的變形fK，公式可以表示為[2]：

式中：R為單磨機(jī)架窗口半徑；E為彈性模量；I為零件慣性力矩；L1，L2，L3，W 分別為相應(yīng)部件的長(zhǎng)度；A1，A2，A3分別為相應(yīng)部件的截面積。α為剛度系數(shù)。

傳統(tǒng)軋機(jī)應(yīng)力路徑示意圖如圖1所示。同時(shí)也是等式（2）在圖1中描述。

相比之下，短應(yīng)力路徑軋機(jī)去掉了螺絲，L2和L3的變形為零，L1的長(zhǎng)度比傳統(tǒng)的軋機(jī)短得多（見(jiàn)圖2）。另外，短應(yīng)力路徑軋機(jī)使用大慣性矩軸承座來(lái)代替上下橫梁，也就是說(shuō)使I增加。在短應(yīng)力路徑軋機(jī)中，使用具有高機(jī)械性能的4個(gè)拉桿來(lái)代替機(jī)械性能差的立柱。使拉桿靠近滾子軸承，減小W的值。根據(jù)式（2），通過(guò)上述措施減小了短應(yīng)力路徑軋機(jī)的變形。因此，短應(yīng)力路徑軋機(jī)的剛性得到顯著改善。

圖1 常規(guī)軋機(jī)應(yīng)力路徑示意圖

圖2 短應(yīng)力路徑軋機(jī)應(yīng)力路徑示意圖

與常規(guī)軋機(jī)相比，短應(yīng)力路徑軋機(jī)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1）短應(yīng)力路徑軋機(jī)確保高剛性[3]。生產(chǎn)可以獲得高質(zhì)量和精確度。

2）軸承和軸承座的力比常規(guī)軋機(jī)好。軸承的使用壽命延長(zhǎng)了約1.5倍，生產(chǎn)成本降低。

3）滾子的對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)可以輕松實(shí)現(xiàn)。原因是4個(gè)桿具有左右螺紋，因此上下輥可以對(duì)稱(chēng)地調(diào)節(jié)。這一點(diǎn)對(duì)工廠來(lái)說(shuō)是非常重要的。

4）滾筒更換可以作為一個(gè)單元的平臺(tái)。減少更換輥?zhàn)拥臅r(shí)間，增加軋機(jī)的運(yùn)行效率。

5）短應(yīng)力路徑軋機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，預(yù)設(shè)性能好等特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)要求的分析和研究，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算確定了短應(yīng)力路徑軋機(jī)的主要參數(shù)。短應(yīng)力路徑軋機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

軋制力是軋機(jī)的重要參數(shù)。Sims模型采用條形軋制力公式，如式（3）和（4）所示。

表1 短應(yīng)力路徑軋機(jī)主要參數(shù)表

式中：為單位平均壓力；l′為接觸長(zhǎng)度；b為板的寬度；σ為變形阻力；ε為通過(guò)量的減少；hexit為出口的厚度；hnp為中性點(diǎn)的厚度。

短應(yīng)力路徑軋機(jī)的軋制力是通過(guò)時(shí)間表典型實(shí)驗(yàn)確定。這里，3個(gè)表格如表2—表4所示。表2和表3是軋制的時(shí)間表和技術(shù)參數(shù)。材料分別為鋼（Q235）和鋁合金（2A12）。表4是軋制的工藝和技術(shù)參數(shù)。表4的軋制方案的金屬材料為鋼（Q235）。

表2 鋁合金軋制工藝流程及技術(shù)參數(shù)

表3 鋼的軋制時(shí)間表和技術(shù)參數(shù)

表4 鋼的截面軋制時(shí)間表和技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和組成

新開(kāi)發(fā)的短應(yīng)力路徑軋機(jī)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和組成如下。

1）功能：根據(jù)技術(shù)要求，將板坯軋制成所需的截面形式。

2）型式：短應(yīng)力路徑兩高臥式軋機(jī)。

3）軋機(jī)結(jié)構(gòu)：軋輥系統(tǒng)，軋輥間隙調(diào)節(jié)裝置，軋機(jī)機(jī)架，主傳動(dòng)裝置，連接軸等

4）間隙調(diào)節(jié)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)單側(cè)調(diào)節(jié)。

5）軸向調(diào)速：手動(dòng)操作。

6）滾動(dòng)切換：手動(dòng)操作。

7）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：新開(kāi)發(fā)的軋機(jī)是建立在一般的短應(yīng)力路徑軋機(jī)基礎(chǔ)上的。

以下幾個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：

1）盡可能擴(kuò)大拉桿的直徑，同時(shí)盡可能縮短發(fā)生彈性變形的拉桿長(zhǎng)度。

2）軸承座和慣性矩的面積增加，減小軸承座的變形。

3）采用四列圓柱滾子軸承，優(yōu)點(diǎn)是軋機(jī)承載能力強(qiáng)。在相同的整體尺寸下，軸頸大于常規(guī)軋機(jī)，可提供更大的扭矩。

4）短路應(yīng)力輥軋機(jī)改變載荷傳遞路徑，將軋機(jī)螺桿上的集中載荷改變?yōu)檩S承座兩側(cè)的分散載荷，提高軸承和軸承座的力分布。因此，軸承的峰值載荷降低，軸承座的變形減小，軸承的使用壽命顯著提高。

5）在拉桿的兩端，有左右螺絲。4個(gè)拉桿將軸承座整體連接起來(lái)。調(diào)整輥隙時(shí)，上下滾動(dòng)同步移動(dòng)，關(guān)閉或分離，可以保證軋機(jī)的中心線(xiàn)不變。

圖3描述了短應(yīng)力路徑軋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。

短應(yīng)力路徑軋機(jī)的電機(jī)及其附件信息表5。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 短應(yīng)力路徑軋機(jī)設(shè)備圖（mm）

表5 短應(yīng)力路徑軋機(jī)的電機(jī)及其附件信息

開(kāi)發(fā)了一種新型的短應(yīng)力路徑軋機(jī)，用于教學(xué)和研究。軋輥可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)軋制，但是當(dāng)兩輥的軋輥速度相等時(shí)，除了常規(guī)軋制模式。軋機(jī)可以通過(guò)不同槽形的輥，可以產(chǎn)生不同的外形和截面形狀的型材。軋機(jī)適用于鋼和有色金屬的軋制。提出的主要部件設(shè)計(jì)思路和主要參數(shù)，可為類(lèi)似功能和結(jié)構(gòu)的軋機(jī)設(shè)計(jì)制造提供依據(jù)。

[1]鐘婷貞.短路徑軋機(jī)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[2]張榮彬，李鐸，馬錦江.新型短應(yīng)力淺軋機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].重慶理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.1992（12）：44.

[3]蔣百華，張樹(shù)棠.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1994，6（S1）：32.