機構仿真在線材軋機輥箱維修中的應用研究

余良棟 王 勝 韓建友 李 威

（1.寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業部 上海 2.北京科技大學機械工程學院 北京）

摩根第六代線材軋機是目前世界上軋制線速度最高的高速線材軋機，其上配置的軋機輥箱從設計到制造體現了精度、緊湊、高速、穩定的特點。在高速線材生產實際過程中，其一由于產品合金化與低溫軋制的需求不斷提升，160 mm輥箱油膜軸承溫度在個別產品規格生產中出現了異常溫升。其二由于多年使用后產生的零件公差數據的變化，逐步在定徑機輥箱上累積，最終引起軋制過程中輥縫的波動而導致5.5 mm產品尺寸精度波動。本文嘗試利用機構仿真技術，解析上述問題產生的真實原因，并在現場實踐應用中獲得了驗證，解決了設備維護保養中諸多關鍵技術問題。

一、油膜軸承運行狀態仿真

1.影響油膜軸承運行狀態的因素

油膜軸承用于承受軋制中直接作用在軋輥軸上的徑向力，所以其運轉狀態與以下幾方面相關：1）懸臂軋輥軸受力產生的變形撓度；2）潤滑油的物性及輥軸轉速；3）油膜軸承溫度場的變化與分布。為了較近似地將油膜軸承與輥軸在運轉時載荷、轉速與溫度的關系表現清楚，必須對輥軸受力后的變形撓度狀態與油膜軸承溫度場的變化分布做仿真分析。

2.軋輥軸有限元力學模型建立

輥軸在工作中主要承受軋制力，斜齒輪力以及油膜軸承的作用反力。在這些力的作用下輥軸將產生主要沿垂直徑向的撓度變形，輥軸的變形將影響油膜的分布，即影響油膜軸承的潤滑狀況。

研究輥軸的撓度變形，以單根輥軸作為研究對象，主要考慮輥軸承受的徑向力，忽略輥軸承受的軸向力，又由于把輥軸簡化為二維平面問題，因此輥軸承受4個作用力：軋制力、油膜反作用力、斜齒輪的徑向分力以及重力。

利用Ansys軟件建立有限元仿真計算模型，其計算結果如圖1所示。不同的顏色代表不同的變形量，圖中變形量的正負是以受壓為負、受拉為正，即負值表示此顏色代表的區域是受壓，正值表示此顏色代表的區域受拉。從輥軸力學撓度變形仿真結果可以發現，在安裝油膜軸承處錐度部位產生的彈性變形量應＜1μm。

圖1 輥軸整體撓度變形

3.油膜軸承溫度場仿真

160 mm輥箱的油膜軸承結構如圖2所示，非承載半瓦上有4個油孔，每個油孔直徑是8 mm，軸瓦的寬度是76 mm，輥軸的長度是102 mm，軸瓦與輥軸的最小間隙是0.07 mm。將軸承外壁設為固定不動的墻體；內壁有輥軸旋轉，旋轉的工況速度10 336 r/min。

利用Fluent軟件仿真油膜軸承溫度場分布如圖3所示，在靠近圖中右側是輥軸大端與油膜軸承接觸的部位，運轉時此部位溫度在軸承內壁上最高溫度為126.4777℃，最高溫度與最低溫度溫差為60℃。

圖2 油膜軸承結構

4.實際狀態與改善方法

從解體后的油膜軸承實際狀態發現，在承載半瓦接近軋輥軸大端部位也有明顯的摩擦痕跡，如圖4所示。

結合有限元計算與溫度場仿真的數據，對比油膜軸承實際使用狀態可以發現，在安裝油膜軸承處錐度部位產生的彈性變形量較小，在徑向軋制力作用下，輥軸整體向承載方向移動，輥軸大端與油膜軸承間未能建立均勻的油膜而發生半干摩擦產生熱量，使油膜軸承運轉溫度上升。

在軸頸速度、潤滑油物性與油膜軸承無法更改的前提條件下，單純改變輥軸與油膜軸承的間隙并不能達到控制溫度的效果，還要綜合考慮徑向間隙與收斂區楔形梯度的相互關系。通過改變收斂區楔形梯度的方法，160 mm輥箱油膜軸承最高運轉溫度下降了25℃，并且其最長使用周期實際＞31個月。

圖3 油膜軸承溫度場分布

圖4 油膜軸承狀態

二、定徑機輥箱維護狀態仿真

1.定徑機輥箱維護狀態仿真的意義

定徑機輥箱在投用十年后，仍有近30%的零部件一直在線使用，通過負載狀態測量的動態輥縫數據表明，零件公差情況的變化會對裝配后輥箱的動態輥縫波動構成影響，特別是在5.5 mm產品軋制時尤為明顯。通過建立輥箱的三維虛擬樣機，并配合機構運動的數學模型，來分析零件實際尺寸公差狀態下輥縫的波動取值范圍，用于指導輥箱裝配維護。

2.定徑機輥箱虛擬樣機的建立

圖5 定徑機輥箱虛擬樣機

圖6 輥縫調整機構

圖7 虛擬樣機模型

圖8 軋輥軸中心距波動曲線

選擇Inventor軟件作為建立虛擬樣機的工具，它可以基于裝配關系模擬機器運動，但是該運動模擬并不能施加載荷等力學約束，而能依據尺寸約束來模擬裝配關系與機械機構調整動作的動態仿真，這可以對輥箱裝配后的各零件的約束關系進行定性分析。建立的定徑機輥箱三維虛擬樣機如圖5所示。

3.動態輥縫波動與調整機構零件公差相關性模型建立

通過三維建模的過程，可以定性分析定徑機輥箱裝配狀態徑向與軸向調整機構對輥縫變化的影響，接下來需要解決的問題是如何能夠把實際的調整過程抽象成能夠被分析的模型，這樣才有可能對零件公差和輥縫波動的關系作進一步的數值化分析。

例如在定徑機輥箱的各機構中，以輥縫調整機構為例，其主要由曲柄滑塊機構和齒輪副組成，如圖6所示。

根據銷軸、連桿之間的位置關系，計算出虛擬樣機仿真中各關鍵點的坐標，以此作為建立仿真模型的基礎，生成的仿真模型如圖7所示。

輥縫調整結束后，取兩軋輥軸的中心距為149 mm，在軋制過程中，軋輥軸將受到軋制力的作用，在兩個軋輥軸上施加相背離的軋制力。此時在軋制力的作用下，對兩軋輥軸的中心距進行測量，以觀察曲線波動變化情況，通過仿真分析，得到如圖8中所示的中心距曲線。通過圖8中的仿真曲線可知，由于調整機構內部產生的間隙，會引起軋輥中心距波動。

4.實際應用效果

通過建立定徑機輥箱三維虛擬樣機，并按零件公差對輥縫波動理論仿真計算后，可以發現各零件公差大小與輥縫波動相關性的對應值，并根據計算的結果可以設定相應的維修技術標準，避免零件公差變化影響線材產品的尺寸精度。

四、結論

采用計算機仿真軟件對機械維修技術予以改進的方法，在目前寶鋼線材仍處于初級的階段，但從其直觀化、數據化、可信度而言對維修精度的提高具有很好的效果。利用仿真技術對于日常維修中無法定量發現的微觀數值、可能出現的維修缺陷點能給出相應的控制標準值，對于維修方式轉變、降低維修成本具有實質性的意義。