軋輥軸承選型與校核計算CAD系統

張闐，李雪飛

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

1 軋輥軸承的常用配置形式

軋輥在工作時，需要承受很大的徑向載荷和軸向載荷，常見的軋輥軸承配置形式有：調心滾子軸承；雙、四、六列圓錐滾子軸承(對于軸向載荷很大的場合，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、極限轉速高、精度高、內外圈可分離且可以互換、加工容易、生產成本低廉、安裝拆卸方便等優點；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、推力調心滾子軸承、推力圓錐滾子軸承、角接觸球軸承、四點接觸球軸承、深溝球軸承等多種類型，具體結構形式可根據軸向載荷與軋制速度來選用。

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，可靠度高，而且具有軋制成品精度高、易控制等諸多優點，所以目前應用最為廣泛，多用于線材軋機、板材軋機、箔材軋機、冷軋機和熱軋機等的支撐輥。

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，無需配置止推軸承，因此主機顯得更加緊湊。圓錐滾子軸承內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用仍然比較廣泛，如四輥熱軋機和冷軋機的工作輥和開坯機、鋼梁軋機等場合的軋輥。

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固定，其軸承的結構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，相對于其他應用場合，軋輥軸承的轉速較低，一般情況下軸承轉速都可以滿足軋機工況條件的要求，因此對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徑范圍和軸承壽命預期，根據軋制工藝要求，不同位置的軋輥軸承壽命預期不同；

(2)軸承壽命計算滿足預期時，為減小軋機尺寸，應盡可能選擇小尺寸軸承，即優先選擇內徑小的軸承，內徑相同的條件下，優先選擇外徑小的軸承，內、外徑均相同的條件下，優先選擇寬度小的軸承；

(3)軋機在工作過程中，軋制力和軋制速度是不斷變化的，很難精確計算每個工作周期內不同時間段軸承的載荷和轉速，因此通常按照平均軋制力和平均軋制速度來確定每個軸承的載荷以及轉速，進行軸承壽命的計算與校核。

3 系統的工作流程與主要模塊

3.1 工作流程

該系統以Visual Basic 6.0為軟件開發平臺，以Access數據庫作為后臺數據庫[1]，以AutoCAD作為圖形處理軟件[2]，進行軟件開發。首先啟動系統，用戶根據軋機的類型，選擇軋輥軸承的配置形式，輸入軋機的工況條件(包括軋制力、彎輥力、軋制速度及預期壽命)，系統根據內置的計算程序，計算各個軸承的內徑范圍，以及單個軋輥軸承的載荷情況與轉速，再通過預期壽命從內置的軸承數據庫中選擇滿足條件的軸承，當內置數據庫沒有合適的軸承時，也可以通過外部輸入，最后對選定的軸承進行校核計算并輸出結果，系統工作流程圖如圖3所示。

圖3 系統工作流程圖

3.2 主要模塊

該系統主要包括外部載荷計算、數據庫查詢和輸出結果等功能模塊。

其中外部載荷計算模塊內置了多種典型的軋輥軸承配置方案，程序能夠根據軋機的工況條件，自動計算各個軋輥軸承的內徑范圍，以及各個軸承承受的載荷與轉速。對于支撐輥軸承，其內徑尺寸范圍按照軋輥輥頸的60%～65%計算；工作輥軸承內徑尺寸范圍按照工作輥輥頸的55%～60%計算。支撐輥軸承徑向載荷按照軋制力的50%計算，軸向載荷根據軋機的類型按照軋制力的1%～5%計算；工作輥軸承徑向載荷按照彎輥力計算，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速按照軋制線速度除以相應軋輥輥頸的周長計算。對于最大軋制力、最大彎輥力以及最大軋制速度，根據不同的軋機形式，程序按照乘以系數(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。

程序設計時，每一種典型軋輥軸承的配置形式都以單獨的模塊形式儲存(獨立于數據庫查詢模塊)，該模塊包括軋輥軸承內徑范圍、載荷、轉速的計算，以及軸承結構形式的選擇界面，確定了上述參數后，調用數據庫查詢模塊進行軸承的選型。由于模塊是獨立儲存的，當有新的軋輥軸承配置形式時，只需添加相應的程序代碼，計算軋輥單個軸承的內徑范圍、載荷、轉速，并添加相應的軸承結構形式選擇界面，通過得到的計算結果，調用數據庫查詢模塊，即可進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行拓展。

數據庫查詢模塊采用Access 數據庫系統，以軸承型號、外形尺寸、安裝尺寸、額定載荷及計算系數等參數為字段，對不同結構形式的軋輥軸承分別建立數據表。將程序計算得到的軸承的內徑范圍和預期壽命作為查詢條件，通過SQL語句查詢得到滿足條件的軸承。當數據庫中沒有合適的軸承時，可以通過外部輸入軸承參數，再進行校核計算，這樣能夠更好地完善系統。

以同時承受徑向力Fr和軸向力Fa的四列圓錐滾子軸承為例，由于計算軸承當量載荷時，需按Fa/Fr與計算系數e比較，從而確定當量載荷系數X，Y，在進行查詢時可分別按照Fa/Fr≤e和Fa/Fr>e兩種情況進行查詢，再通過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據表名稱；Cr，e，Y1，Y2為字段名，分別對應額定動載荷及計算系數；Fr為徑向載荷；Fa為軸向載荷；L為軸承預期壽命；n為軸承轉速；ε為壽命指數。

輸出結果模塊將軋輥軸承的選型與校核計算的結果，用“Open…For Output”語句建立文本文件，通過“Print”語句將結果輸出到該文本文件；使用“GetObject”和“CreateObject”函數聯接 AutoCAD對象，作為圖形處理軟件，使用“Documents.Open”函數加載所對應結構形式的軋輥軸承圖形模板文件，使用“HandleToObject”函數獲得圖形文件中需要修改的標注和文本對象，通過修改標注對象的“TextOverride”屬性和文本對象的“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輸入，最終以圖形文件的形式輸出，用戶能夠非常直觀地看到選型和校核計算的結果。

4 應用實例

以某型號四輥板帶軋機為例，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

點擊軸承形式右邊的選型按鈕，輸入軸承的壽命預期，點擊確定，系統給出滿足條件的軸承，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

重復上述步驟，依次完成各個軸承的選型，圖 4中“校核計算”按鈕變為可用，點擊就能夠對所選軸承進行校核計算并輸出結果，程序運行結果見表1。表1中f0為取決于軸承零件的幾何形狀和應力水平系數；e為Weibull指數。

表1 軸承選型后校核結果

5 結束語

該軋輥軸承選型與校核CAD系統，可用于多種常見軋輥軸承配置形式的軸承選型與校核計算，經過測試，操作簡單方便，自動化程度高，能夠高效、準確地實現軋輥軸承的選型，并能夠完成校核計算，對于數據庫沒有的軸承型號可以通過輸入軸承參數進行校核計算，提高了該類軸承選型與校核計算工作的質量和效率。