一種新型萬能軋機徑向調節機構的設計

唐軍龍 王南 李世然

摘 要：針對軋輥表面磨損后，軋件精度降低的問題，文章設計了一種新型小型萬能精軋機的徑向調節機構，可在線補償軋輥的磨損量。首先利用SolidWorks建立各主要零件三維模型并進行裝配。以軋制HW150×150小規格H型鋼最后一道次為例，利用S.艾克隆德方法計算出軋制力，運用Workbench代替傳統的材料力學方法對關鍵部件進行有限元分析，獲得了軋制過程中關鍵部件的變形特性和應力分布情況。該調節機構用于軋機中將實現一機多用的柔性生產，節省設備投資，提高軋材精度、提高軋機生產效率，降低設備投資成本。

關鍵詞：H型鋼；萬能精軋機；徑向調節；Workbench

1 概述

H型鋼具有諸多優點，其截面形狀合理經濟，且力學性能良好，同時截面上的各個節點延伸比較均勻、內應力較小，相較于普通工字鋼，其具有重量輕、截面模數大、節省金屬的特點，可使建筑結構重量減輕30%-40%；又因為H型鋼腿內外兩側平行，腿端是直角，依靠組合成建筑結構，可節約25%的鉚接、焊接工作量。被廣泛應用于要求截面穩定性好、承載能力大的大型建筑，以及船舶、橋梁、起重運輸機械、支架、設備基礎、基礎樁等。這些優良的特點都使H型鋼擁有了廣大的市場需求和寬廣的應用領域。目前國內生產H型鋼的廠家主要有馬鋼、津西等鋼鐵公司。但各廠家的型鋼生產比較依賴國外技術，生產線主要從國外整體引進，設備的維護等工作都受到相應的制約，可見國內萬能軋機的自主創新是十分必要的。此外傳統萬能軋機由四個軋輥所圍成的孔腔是固定的，即軋輥徑向是固定的，一般不進行徑向調節，這就會導致當軋輥輥面磨損后，孔腔會變大，從而導致軋材的尺寸變大。當需要進行軋輥的徑向調整時，往往是要用對軋輥進行單獨傳動來實現。但是軋輥單獨傳動的機器結構特別復雜和龐大。

文章基于這樣的背景提出了一種新型小型萬能軋機徑向調節機構的設計，利用SolidWorks建立其三維模型并進行裝配；以軋制HW150×150型鋼為例，取壓下量為1mm求得最后一道次軋制力；將關鍵承力部件模型導入Workbench中進行有限元分析，得出變形特性及應力分布規律。

2 機構三維建模及軋制原理

2.1 軋機徑向調節機構的設計

該萬能軋機徑向調節機構主要有兩個系統組成，分別是機架（附帶壓下裝置）、輥系（包括軋輥、軸承座、支撐梁、錐齒輪等）。機架四邊各均布有兩個壓下螺紋孔，用于安放壓下螺絲；支撐梁分為寬腿支撐梁和窄腿支撐梁，如圖1（a）、（b）所示，梁的內面開有燕尾槽，用于和軸承座底部的燕尾塊連接，軸承座如圖1（c）所示，外面有兩個與壓下螺絲相連的環形孔腔，兩條腿部末端加工出與軸承座側面燕尾槽相配合的燕尾塊，并在一條腿部加工出圓形孔腔，用于安放軋輥軸，實現軋輥的軸向固定，此外寬腿梁腿部開有方形孔腔，這樣可使窄腿梁的腿部穿過，裝配時寬、窄腿梁交叉放置。

圖1 主要零件三維圖

2.2 機構特點與調節原理

方形機架四條邊上裝有壓下機構，通過壓下螺絲與對應的支撐梁連接，實現支撐輥系的壓下；在支撐輥系內部，支撐梁與軸承座的連接處均采用燕尾塊燕尾槽連接；錐齒輪1通過鎖緊螺母2和鍵3固定在軸套8上，軸套8通過鎖緊螺母5、端蓋9、軸承10與對應軸承座4軸向相互固定，軸套通過滑鍵6與支撐輥芯軸7相連，與芯軸7同步轉動并可沿其軸向移動，具體實施方式見局部視圖2。裝配時，上下壓下機構連接寬腿支撐梁，左右壓下機構連接窄腿支撐梁，假設四軋輥孔腔中心為原點，上下梁，左右梁均分別關于原點對稱。下軋輥為動力輸入端連接動力輸出設備。

以上支撐梁壓下為例介紹調節原理，如裝配圖3所示，壓下螺絲3，帶動寬腿支撐梁4向下移動，推動左右軸承座1及軋輥向下移動，完成對上軋輥的徑向調節。同時上軋輥軸必然帶動其兩端的錐齒輪向下移動，上支撐梁腿部推動軸承座以及與該軸承座軸向相互固定的錐齒輪向下移動相同距離，從而在調節過程中，保持錐齒輪的嚙合關系。同理可進行其他三輥的徑向單獨調節。

2.3 軋制特點

該徑向調節機構可以實現相互交叉的四支撐梁相鄰成90°布置，每個支撐梁執行壓上或壓下時，通過錐齒輪同步嚙合而實現四軸各自的徑向調節，達到孔腔的細微調整；該機構用于軋機時，可實現精密軋制，同時不改變錐齒輪的嚙合關系；亦可實現軋輥磨損后或軋輥錯位后的在線調整，減少了換輥作業，提高了生產率；通過拆除錐齒輪，可以實現四軸單獨傳動，或者兩軸傳動，同樣保持各軸的徑向調節功能；該調節機構可以用于管、棒、線材軋機或H型鋼、工字鋼等萬能軋機的軋輥徑向調節和傳動，以及四輥管材軋機、四輥張力減徑機和其他設備；此外該機構使得軋機整體尺寸減小，結構緊湊，大大降低了設備的制造、維護和使用成本。

3 關鍵部件靜力學有限元分析

隨著計算機輔助工程（CAE）技術在工業領域中應用的廣度和深度不斷發展，它在提高產品設計質量、縮短周期、節約成本方面發揮了越來越重要的作用。 Workbench軟件具有強大的裝配體自動分析功能和自動化網格劃分功能[1]，因此文章采用它作為有限元分析工具。由于機構的對稱性，選取機構四分之一裝配體，去除倒角圓角等對分析影響較小的部分，作簡化處理后整體導入Workbench中。

3.1 軋制背景

軋制背景為：軋制材料為Q235，壓下前H型腹板厚度8mm，取壓下量1mm。軋制溫度取下限800℃，軋制速度為10m/s。各主要零件屬性如表1所示。

表1 各主要零件的屬性

3.2 軋制力的計算

型鋼在孔型中軋制時，軋機被強迫寬展，同時孔型側壁又限制了軋件的寬展，產生側向壓縮和較大的摩擦力。由于孔型的限制，變形區內金屬變形很不均勻，因而在孔型軋制時應力狀態很復雜。一般采用艾克隆德方法來計算型鋼軋機軋制力[2]。因為水平輥的軋制力要大于立輥軋制力，所以單純計算水平輥軋制力作為有限元分析的載荷。

艾克隆德提出軋制時的平均單位壓力

Pm=（1+m）（k+？濁u） （1）

式中：m-考慮外摩擦對單位壓力的影響系數；k-軋制材料在靜壓縮時變形阻力，MPa；？濁-軋件粘性系數，kg·s/mm2；u-變形速度，S-1。

總壓力P為軋制平均單位壓力Pm與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即P=pmF；接觸面積F的一般形式為

F=■L （2）

式中：b0，b1-軋制前、后軋件的寬度；L-接觸弧長度的水平投影。綜合各參數后，得出軋制力約為42噸。

3.3 載荷和約束的施加

在軋制過程中，主要零部件受力很復雜，包括軋制力、摩擦力、附加力、沖擊力等，其中軋制力最大，其他力遠小于軋制力，因此，忽略其他力的影響，只取軋制力為外載荷[3]。軋制力為42噸，作用于軋輥下母線，垂直向上。支撐梁背部的兩個環形孔腔底部各承受壓下螺絲給予豎直向下的21噸壓力。支撐梁兩腿端處施加零位移約束。

3.4 結果的分析

等效應力圖如圖4左圖所示，最大值發生在軸承處，為181.25MPa，其余部分的等效應力均小于20.139MPa，支撐梁必須具有強大的強度儲備，取安全系數為10，對于ZG270-500來說，其強度限？滓b=500～600MPa，許用應力[？滓]取50MPa，大于20.139MPa，滿足強度要求。

有限元分析得到裝配體的總變形如圖4右圖所示，變形最大處位于軋輥工作面處，最大變形位移為0.061824mm，輥面處的變形會影響軋件的精度但從軋制H型鋼的實際情況來看，實際容許的變形量要比0.061824mm大得多，能夠滿足軋件的精度要求。

圖4 裝配體等效應力圖（左）及總變形圖（右）

4 結束語

針對傳統H型鋼萬能軋機長時間連續工作輥面磨損后，孔腔變大造成軋件精度下降的問題，文章提出了一種新型徑向調節機構，可動態調節壓下量，在線補償軋輥磨損量，實現精密軋制。對關鍵部件裝配后，運用Workbench進行有限元分析，得出其變形特性和應力分布情況，其精度和強度均滿足軋制要求。該徑向調節機構用于軋機上，可減少換輥作業，會使生產效率相應的提高，具有良好的經濟效益，同時節省設備投資，達到節能減排的目的，也具有良好的環境效益。

參考文獻

[1]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M].（第三版）北京：清華大學出版社，2013.

[2]鄒家祥.軋鋼機械[M].（第三版）北京：冶金工業出版社，2007.

[3]郭年琴，劉超，胡明振.U3-500H型鋼軋機機架的有限元分析[J].機械設計，2008，25（9）：74-75.

作者簡介：唐軍龍，在讀研究生。