六輥軋機小輥徑工作輥變形受力分析①

嚴國平

(中冶南方工程技術有限公司技術研究院 湖北武漢430223)

1 引言

六輥軋機的輥系由支撐輥、中間輥與工作輥組成。其中，工作輥與帶鋼直接接觸并直接參與對軋制帶鋼的板形控制。故而，工作輥的力學性能很大程度上影響了六輥軋機板形控制能力。通常，如果工作輥徑較大時，工作輥采用單軸承支撐可以從力學性能上滿足板形控制要求，但如果工作輥徑較小時，這種單軸承支撐方式就很難滿足板形控制要求。

對于輥系的計算，一些研究者進行了研究。白劍等［1］利用VB 與ANSYS 軟件結合完成了六輥軋機輥系變形的有限元仿真。張清東等［2］根據特殊輥廓曲線建立了六輥CVC 軋機輥系三維彈性變形的有限元模型并順利完成了計算。趙建國等［3］采用改進的Coulomb 摩擦模型對軋機輥系三維接觸問題進行了有效計算。嚴國平［4］采用有限差分法對工作輥變形進行了解析求解。以上這些都是針對單軸承支撐的工作輥進行的計算，適用于較大輥徑的工作輥。通過輥系受力的解析推導，并結合有限元計算方法對雙軸承支撐的小輥徑工作輥進行了撓度計算，計算結果對工程設計具有良好的指導作用。

2 輥系受力分析

輥系受力分析示意圖如圖1 所示。根據力及力矩平衡原理，可以得到如下計算式，其中，式(1)為各計算角度表達式，式(2)為各軋輥水平力及相互作用力的表達式。

圖1 輥系受力分析圖

式中 α—軋制力與鉛垂線夾角，單位為°;

T1—前張力，單位為kN;

T0—后張力，單位為kN;

P—軋制力，單位為kN;

γ1—工作輥、中間輥中心連線與垂線的夾角，單位為°;

eiw—工作輥相對于中間輥偏移，單位為mm;

Rw—工作輥半徑，單位為mm;

Ri—中間輥半徑，單位為mm;

Rb—支撐輥半徑，單位為mm;

φ1—N1與工作輥和中間輥中心連線之間的夾角，單位為°;

M—單根工作輥上的軋制力矩，單位為kN·m;

Fbw—工作輥彎輥力，單位為kN;

ρw—工作輥輥頸處摩擦圓半徑，單位為mm;

k1—工作輥與中間輥間滾動摩擦系數;

φ2—N2與支撐輥和中間輥中心連線之間的夾角，單位為°;

k2—支撐輥與中間輥間滾動摩擦系數;

ρb—支撐輥輥頸處摩擦圓半徑，單位為mm;N1—工作輥和中間輥間作用力，單位為kN;N2—支撐輥和中間輥間作用力，單位為kN。

式中 Fbi—中間輥彎輥力，單位為kN;

F1—工作輥水平力，單位為kN;

F2—中間輥水平力，單位為kN;

F3—支撐輥水平力，單位為kN。

3 雙軸承支撐的工作輥變形分析

3.1 雙軸承支撐的設計思路

由于工作輥較小，為了提高小輥徑工作輥抗撓曲能力，將工作輥一側設計為雙軸承支撐［5］。為了避免彎輥時兩軸承之間受力的相互干涉，將其中一個軸承設計為滑動副結構形式進行規避。圖2 中，外部軸承利用事先加工的帶特定方向的滑動副的軸承套進行包裝，然后將其全部嵌入軸承座中，用以僅承受軋制方向的彎輥力，內側軸承利用事先加工的帶特定方向的滑動副的軸承套進行包裝，然后將其全部嵌入軸承座中，用以僅承受水平方向的力。

圖2 方案細化圖

3.2 工作輥受力計算

根據工作輥的受力狀況，對工作輥進行分析。建立三維模型，并對其進行單元劃分，在軸承處施加軸承約束。如圖3 所示。圖中，序號1 為軸承(一)施加的軸承約束，序號2 為軸承(二)施加的軸承約束，序號3 為工作輥上施加的水平作用力。水平力依據式(1)與式(2)計算得到。計算參數如表1 所示。將雙軸承支撐與單軸承支撐進行對比分析，結果如圖4 所示。

表1 計算參數

圖3 工作輥CAE 分析圖

圖4 方案對比結果圖

從圖4 中知，在同等水平力作用下，采用單軸承支撐的工作輥水平撓度約為0.28mm，采用雙軸承支撐的工作輥水平撓度約為0.128mm，后者僅約為前者的45%。可見采用雙軸承結構能有效提高小輥徑工作輥抗撓曲能力。與此同時，也能克服由于彎輥力帶來的雙軸承的局部過約束問題。

4 結論

通過以上分析，可以得到如下結論:

1)帶滑動副的雙軸承支撐設計思路較好的解決了雙軸承的局部過約束問題，與此同時，這種設計顯著提高了小輥徑工作輥抗撓曲能力，值得推廣。

2)通過詳細設計與核算，本設計方案及各零部件均滿足設計許可要求，安全系數較高。

3)將控制水平力與減小輥徑結合起來進行軋機設計，有助于擴展六輥軋機的軋制范圍，結合本雙軸承設計技術，將更有助于提高軋機的軋制能力，也能較好地指導工程實際設計過程。

［1］白劍，劉治田，嚴洪凱等. 基于APDL 的軋機輥系變形仿真研究［J］. 冶金設備，2010，Vol.183 (5):42－44，79.

［2］張清東，孫向明，白劍. 六輥CVC 軋機輥系變形的有限元分析［J］. 中國機械工程，2007，Vol.18 (7):789－792.

［3］趙建國，孫大樂. 輥系三維接觸問題的有限元分析［J］. 機械制造，2009，Vol.540 (47):16－18.

［4］嚴國平. 基于有限差分法的工作輥撓度計算［J］. 冶金設備，2014，Vol.213 (4):1－4.

［5］尉強，嚴國平，徐時棟等. 軋機軸承裝置［P］. 中國專利CN203817052U，2014－04－22.