熱軋精軋機結構設計及有限元分析

王煊

摘要：國民經濟各部門對帶鋼的性能、精度的要求越來越高，這就需要對軋制工藝和設備的不斷發展。精軋機組對軋件的軋制是軋制過程的最后工序，熱連軋精軋機組設備軋制水平的高低和控制系統智能化的高低直接影響產品的質量，因此對熱連軋精軋機組的研究非常重要。本文主要就熱軋精軋機結構設計及有限元分析方面的內容展開了論述，以供參閱。

關鍵詞：熱軋精軋機;結構設計;有限元分析

現代化精軋機是熱軋帶鋼生產線上的主要生產設備，其主要由機架（牌坊）、軋輥、壓下裝置、輥型調整裝置、平衡裝置、傳動裝置、潤滑系統、液壓系統等構成。軋輥和機架在軋制過程中要承受很大的軋制力、軋制力矩及動載荷，因此對精軋機軋輥和機架的強度、剛度的研究十分重要。

1精機結構與參數設計

1.1車輥

軋輥是精軋機主要的零件之一，精軋機軋輥是由支撐輥、工作輥構成。軋件通過轉動的工作輥產生塑性變形，軋制出符合要求的產品。工作機座上的其它零部件都是為了安裝、支承、調整、更換軋輥和引導軋件正確進出軋輥而設置的。精軋機的軋輥在軋制過程中工作輥是和軋件直接接觸的，強迫軋件產生塑性變形，因此要承受很大的軋制壓力、軋制力矩及動載荷。在軋制過程中，軋機是通過加熱爐加熱后，才進行軋制，因此，軋件的溫度高，軋輥需要冷卻液冷卻，工作條件的惡劣、繁重對軋輥的強度、剛度、表面硬度、耐磨性、輥型都有嚴格的要求，以保證軋制完后產品的質量和產量。工作輥和支撐輥由輥身、輥頭、輥頸組成。親頸安裝在軸承座的軸承里，由于軸承座要承受壓下裝置傳遞的軋制力，因而輥頸要承受很大載荷。工作輥的箱頭是與聯接軸相連接，并傳遞軋制軋件時所需的扭矩。此外，還要制造、安裝所需的輔助表面，如中心孔，緊固、吊裝用的溝槽以及帶動軋輥轉動的帶槽軸等。在軋制過程中，支撐輥承受著全部禮制力，輥身與想頸的過渡段是受力危險截面。由于受到軸承尺寸的限制，輥頸不能做得太大，因此在過渡區段會產生應力集中，需要合理的選定過渡區段結構。工作輥除了要承受平衡力外，還要承受調節輥型用的彎輥力，所以，工作輥過渡區段的應力集中問題應考慮。實踐證明，軋親輥身邊緣的尖角處應力集中，因此尖角處必須倒鈍。

1.2軋輥的調整裝置

軋輥調整裝置是精軋機一個重要部件主要用來調整軋輥在機架中的相對位置，用以保證能獲得所要求的壓下量、精確的軋件尺寸、形狀以及正常的軋制條件。根據調整時軋輥動作的不同，軋輥調整裝置可分為徑向調整裝置、軸向調整裝置和輥型調整裝置三類。

1.3軋輥平衡裝置

由于軋機機座中有關相互配合的零件存在著配合間隙，因此在軋機空載的情況下，各零件的自重作用，將會造成工作輥與支撐輥表面間以及輥頸與軸承間均有一定的間隙。這種間隙必然會在軋制過程中產生強烈的沖擊現象（軋制速度越高越嚴重），其結果使禮機相關零件壽命降低，輥縫發生變化，對軋件的咬入不利。為了清除在軋制咬鋼過程中因工作機座中有關零件間存在間隙所引起的沖擊現象，也為了防止工作輥和支撐輥之間產生打滑現象等，幾乎在所有的軋機都設計了平衡裝置。合理的選擇平衡力，還可以清除平衡系統中的滯后現象，以提高板厚自動控制系統的控制精度，還可以避免因工作輥和支撐輥之間打滑而引起軋件產生波浪及擦傷軋件表面的現象。

1.4機架

軋鋼機機架是軋鋼機的重要部件，它要在軋制過程中承受巨大的軋制力、瞬間沖擊力、部分軋制力矩，另外軋輥系統、平衡系統和壓下系統都必須安裝在機架上，因而精軋機的機架具有足夠的剛度和強度。由于機架的重量很大，制作非常復雜，一般給予很大的安全系數，作為永久使用、不更換的零件來設計。

1.5精軋機主傳動裝置

主傳動裝置的作用是將電動機的轉動傳遞給工作機座的軋輥，使其以一定的速度和輸出扭矩轉動，實現對軋件的軋制。主傳動裝置的組成與軋機的結構形式有關。精軋機主傳動裝置主要由聯軸器、減速器、齒輪機座、軸等構成。

1.6精軋機換輥裝置

軋輥在軋制過程中其輥身、輥頸都要逐漸磨損。當輥身磨損到一定程度出現表面缺陷時，為了保證軋件的尺寸精度和表面質量，這需要及時更換軋輥，但是換輥需要停產，降低軋機的生產能力，為了提高生產率，因此必須采用快速的換輥裝置?？焖俚膿Q輥裝置是將換輥的全過程實現程序控制，最大限度的縮短時間，增加軋件產量。目前，國內外才用的快速換輥裝置主要有橫移式和轉盤式兩種，熱軋精軋機組通常采用轉盤式。工作輥更換裝置主要由工作輥更換小車、機架前的軌道和蓋子，換輥車的繞線盤和橫移設備等構成。工作輥更換裝置安裝在工作側，工作輥從機架中通過小車抽出。

2機架有限元分析

軋機的機架又稱牌坊，是軋鋼機重要零件。工作輥、支撐輥、軸承座、輥縫調整裝置等都安裝在精軋機的機架里，并承受很大的軋制力，因此機架是主要的受力構件。影響軋件的軋制精度有很多的因素，機架的強度、剛度選擇不合理在軋制過程中機架變形量過大會影響軋件的軋制精度。在軋制過程中，機架承受的力有軋制力，軋件的前后張力差，工作輥鎖緊裝置對機架的力等，其中軋制力最大，也是主要考慮的。由于軋機的機架是永久使用而不更換的重要零件，為了防止機架在載荷過大時而損壞，因此機架的強度應保證在軋輥斷裂時，機架不產生塑性變形，也就是機架能承受的最大載荷就是軋輥斷裂時的載荷，同時，機架的應力不能到達機架材料的屈服極限。對于板帶軋機不僅要計算它的強度，還必須要計算它的變形。這主要是因為精軋機在軋制過程中，其機架在垂直方向上會產生變形，這會使軋輥軸心線的偏移，使軋件的厚度尺寸及公差發生變化，從而影響軋件的軋制精度。機架在水平方向上的變形，也就是立柱向內彎曲，則使機架的窗口和軸承座之間的間隙減小，要確保此間隙應大于機架的水平變形，否則在軋制過程中調整輥縫，而軸承座無法移動。

參考文獻：

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（作者單位：河鋼集團邯鋼分公司）