中大型冷輾機(jī)LN300 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉樂(lè)民

（寧波耐特嘉機(jī)械制造有限公司，浙江 寧波315201）

冷輾機(jī)在結(jié)構(gòu)布局上有立式和臥式兩種，目前中小型冷輾機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)的特征是各個(gè)軸系在同一個(gè)水平面內(nèi)，承受輾壓力的主體結(jié)構(gòu)以機(jī)架下部受力為主，上部設(shè)置輔助拉桿，拉桿的尺寸不能很大，故剛性較差[1]。臥式布局只有前面和上面敞開(kāi)，對(duì)機(jī)床的調(diào)整和維護(hù)造成不便。臥式布局的上下料通道可以垂直布置，工件利用自身重量自動(dòng)完成下料動(dòng)作，上下料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用中小型冷輾機(jī)，但如果工件重量大會(huì)造成磕碰傷嚴(yán)重，大型冷輾機(jī)如果采用臥式結(jié)構(gòu)會(huì)造成占地尺寸非常龐大[2]。

為此，本文從大型冷輾機(jī)的設(shè)計(jì)特征出發(fā)，結(jié)合機(jī)床的主要參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出LN300 型中大型冷輾機(jī)的具體結(jié)構(gòu)。最終給出該設(shè)備的工藝應(yīng)用范圍。

1 設(shè)備特征分析及參數(shù)計(jì)算模型

1.1 立式布局特征

中大型冷輾機(jī)相對(duì)小型冷輾機(jī)具有大尺寸、大重量等特征，采用立式布局更易于其在工業(yè)上的組裝及應(yīng)用[3]。立式布局的特征主要體現(xiàn)在以下4 方面：

（1）各軸系零件處在同一個(gè)垂直平面內(nèi)，機(jī)床高度尺寸較大，長(zhǎng)度尺寸小，占地面積小。

（2）承受輾壓力的主體機(jī)架豎直布置，前后、左右均為敞開(kāi)面，便于機(jī)床的調(diào)整和維護(hù)。

（3）主體機(jī)架前后、左右為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輾壓力與結(jié)構(gòu)中心重合，結(jié)構(gòu)剛度大，受力后變形均勻。

（4）上下料通道水平布置，需設(shè)置下料滑道，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但可以避免磕碰傷。

本設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是：主體結(jié)構(gòu)剛度盡量大，各部件可靠耐用，模具更換省力便捷，機(jī)床調(diào)整方便且具有返修功能。結(jié)合目前軸承的市場(chǎng)批量確定本機(jī)床加工的最大外徑?320mm，寬度120mm，芯棍最小直徑?65，毛坯最小內(nèi)徑?70mm。

1.2 設(shè)備主要參數(shù)計(jì)算

根據(jù)立式布局的設(shè)計(jì)思想，確定輾壓力及輾輪驅(qū)動(dòng)力矩是冷輾機(jī)機(jī)床的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

冷輾加工屬連續(xù)塑性變形加工，輾輪由驅(qū)動(dòng)力矩帶動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，支撐輪推動(dòng)芯棍再推動(dòng)工件壓向輾輪，在摩擦力作用下由輾輪帶動(dòng)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，工件被輾輪和芯棍軋制輾壓，壁厚減薄、直徑增大，如圖1 所示。上述動(dòng)作連續(xù)進(jìn)行，工件壁厚持續(xù)減薄、外徑持續(xù)增大，直至達(dá)到預(yù)定尺寸，完成加工循環(huán)。在輾擴(kuò)過(guò)程中，工件主要是沿周向延展變形，沿軸向變形較小。

1.2.1 輾壓力計(jì)算

輾輪與芯棍同時(shí)作用在工件上，輾壓力沿垂直方向大小相等、方向相反，則輾輪與工件、芯棍與工件的接觸弧長(zhǎng)在水平面上的投影大小相等，由勾股玄定理得知在圖1 中輾輪、芯棍半徑與投影長(zhǎng)度L的關(guān)系為：

圖1 冷輾加工原理示意圖

忽略高次項(xiàng)S122則有關(guān)系：

同理，S11可以表示為：

由此，輾輪側(cè)的壓下量S1表示為：

采用同樣的簡(jiǎn)化方法，芯棍側(cè)的壓下量S2可以表示為：

結(jié)合式（1）～（5），得出工件在冷輾機(jī)一轉(zhuǎn)下的總壓下量S 的表達(dá)式為：

將S 設(shè)置為L(zhǎng) 的自變量參數(shù)，則L 表示為：

當(dāng)材料所受的應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，工件開(kāi)始塑性變形，因此，所受到的最大輾壓力F 應(yīng)表示為：

式中：F——輾壓力，kN；σb——工件的屈服極限，MPa；B——工件寬度，mm。

在綜合考慮實(shí)際工況，留足儲(chǔ)備裕量的情況下，最終確定最大輾壓力為1600kN。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

套圈冷輾加工過(guò)程中，只有輾輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，芯棍、工件均為被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，故芯棍所受到的力矩為0。此時(shí)，工件施加給芯棍的合力將通過(guò)芯棍的中心，而作用在輾輪上的合力P 與之大小相等，方向相反，且作用在一條直線上，驅(qū)動(dòng)輾輪的力矩Mk與該合力P 相平衡。

根據(jù)圖1 中的參數(shù)關(guān)系，該力矩可以表示為：

式中：A——輾輪與芯棍之間的中心距，mm；β——合力作用點(diǎn)角度，°。

在綜合考慮實(shí)際工況，留足儲(chǔ)備裕量的情況下最終確定額定驅(qū)動(dòng)力矩為4500N·m，主軸額定轉(zhuǎn)速120 轉(zhuǎn)/min，電機(jī)功率55kW。

以上述作業(yè)參數(shù)為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)N300 的中大型冷輾機(jī)的具體結(jié)構(gòu)。

2 主要部件的設(shè)計(jì)及分析

LN300 型冷輾機(jī)主要由機(jī)架、主軸、芯軸、支撐輪、圓度輥、主動(dòng)測(cè)量、上下料、流體系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和外防護(hù)等部件組成。總體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2，其中機(jī)架、主軸、芯軸三部分構(gòu)建最為重要。

圖2 LN300 型冷輾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 機(jī)架部件的設(shè)計(jì)

機(jī)架是冷輾機(jī)的主體部件，其他部件均安裝在機(jī)架上，工作時(shí)的輾壓力、輾壓力矩也由其承受，其結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小是否合理直接影響整個(gè)機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛性、制造成本、裝配工藝等，對(duì)機(jī)床的加工精度，可靠性起決定作用[4]。本設(shè)計(jì)機(jī)架采用雙幅閉式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為ZG35，立柱截面形狀為矩形，見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

結(jié)合冷輾工藝對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，其架骨的靜力圖形如圖4 所示。

圖4 機(jī)架架骨的靜力分布

根據(jù)圖4 關(guān)系，架骨所受彎矩M1與M2的表示關(guān)系為：

式中：M1——橫梁中部截面彎矩，kN/m；M2——立柱上的彎矩，kN/m；R——輾壓力，kN；L1——橫梁中性線長(zhǎng)度，m；L2——立柱中性線長(zhǎng)度，m；I1——橫梁慣性矩，m4；I2——立柱慣性矩，m4。

由此，可以得出橫梁與立柱內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力，分別表示為σn1，σa1，σn2，及σa2。

式中：Wn1、Wa1——橫梁內(nèi)側(cè)、外側(cè)的端面系數(shù)；Wn2、Wa2——立柱內(nèi)側(cè)、外側(cè)的端面系數(shù)；F2——立柱端面積，m2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中橫梁內(nèi)側(cè)為壓應(yīng)力21MPa，橫梁外側(cè)為拉應(yīng)力23MPa，立柱內(nèi)側(cè)為拉應(yīng)力11MPa，立柱外側(cè)為拉應(yīng)力6MPa。

根據(jù)機(jī)架所受應(yīng)力得出機(jī)架橫梁中部的變形量可表示為f：

式中：f1——由彎矩產(chǎn)生的橫梁彎曲變形，m；f2——由切力產(chǎn)生的橫梁彎曲變形，m；f3——由拉力產(chǎn)生的立柱拉伸變形，m；E——材料彈性模量，GPa；G——材料剪切彈性模量，GPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中輾壓力1600kN 時(shí)橫梁中部最大變形0.05mm。

將機(jī)架理論模型帶入有限元仿真中，在設(shè)定邊界條件后，得出應(yīng)力及變形量云圖，如圖5（a）、（b）所示。

由圖5 所示，橫梁內(nèi)角處有應(yīng)力集中，故該處應(yīng)盡量采用大圓角過(guò)渡。最大變形值為0.08mm，采用有限元得出的應(yīng)力分布與變形量范圍與計(jì)算數(shù)值大致相符。

2.2 主軸部件的設(shè)計(jì)

輾輪安裝在主軸上，其承受輾壓力、驅(qū)動(dòng)力矩的作用，須具有大的承載能力，在結(jié)構(gòu)上還要保證輾輪的更換要便利，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

主軸右端由一套四列圓錐滾子軸承382040（Cr=1760kn Cr0=4200kn）做徑向和軸向支撐，左端由一套四列圓柱滾子 FC3450170（Cr=1070kn Cr0=2080kn）軸承做徑向支撐。輾輪由一個(gè)錐套過(guò)渡，與主軸形成錐面過(guò)盈配合以傳遞驅(qū)動(dòng)扭矩，輾輪裝配時(shí)可用液壓加力器壓入。主軸中部有油道通往配合錐面，當(dāng)需要拆卸輾輪時(shí)只需往油道中注入高壓油即可。冷輾機(jī)工作中主軸軸承的使用壽命是主要指標(biāo)，須進(jìn)行壽命計(jì)算。

圖5 機(jī)架的有限元仿真分析

輾壓力主要以徑向方向施加給軸承，軸向力很小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。工作時(shí)最大輾壓力時(shí)間約占45%，1/2 輾壓力工作時(shí)間約占45%，輔助時(shí)間約占10%。平均工作轉(zhuǎn)速140 轉(zhuǎn)/min。冷輾機(jī)加工不同型號(hào)的套圈輾壓力大小差別很大，應(yīng)取中等偏大進(jìn)行計(jì)算，這里取1000kN，則單側(cè)軸承承受500kN。左側(cè)的四列圓柱滾子軸承承載能力較弱，這里僅對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

圖6 主軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

平均當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷、額定壽命分別用Pmr、L10表示。

以普通軸承鋼的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出Pmr=400kN；L10=26.6×106轉(zhuǎn)。若主軸的轉(zhuǎn)速為140r/min，則該軸承的使用壽命可以達(dá)到3160h。若使用優(yōu)質(zhì)軸承鋼則該軸承使用壽命可以得到延長(zhǎng)。

2.3 芯軸部件的設(shè)計(jì)

芯軸既要完成插拔動(dòng)作、還要在進(jìn)給方向保持平穩(wěn)移動(dòng)，可以布置的空間尺寸又非常狹小，故須設(shè)計(jì)得非常緊湊。根據(jù)這一特性，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

芯軸裝在右側(cè)的芯棍軸套內(nèi)由拉釘緊固，芯棍軸套由兩套深溝球軸承、一套推力球軸承支撐裝在右側(cè)的軸承座2 內(nèi)，軸承座2 由活塞桿推拉、在一對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌引導(dǎo)下做插拔移動(dòng)（在圖中是左右移動(dòng)），左側(cè)芯棍套結(jié)構(gòu)雷同，將左側(cè)芯棍套的軸線與右側(cè)芯棍套軸線調(diào)整至重合，插拔移動(dòng)即可將芯棍兩端牢固支撐。兩側(cè)軸承座均安裝在垂直布置的滾動(dòng)導(dǎo)軌上即可完成垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2.4 冷輾機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的部件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段已完成了冷輾機(jī)的實(shí)體測(cè)試，根據(jù)其規(guī)格將該型號(hào)的冷輾機(jī)型號(hào)標(biāo)定為L(zhǎng)N300，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)階段中大型冷輾機(jī)的技術(shù)特征，設(shè)計(jì)出型號(hào)為L(zhǎng)N300 的大型冷輾機(jī)。

圖7 芯軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)LN300 冷輾機(jī)的特征，建立其在工藝生產(chǎn)中輾壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算模型，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算，其最大輾力可達(dá)1600kN，驅(qū)動(dòng)扭矩為4500N·m，電功率為55kW。

分別對(duì)冷輾機(jī)的主要部件機(jī)架、主軸、芯軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)建立理論模型，得出機(jī)體橫梁與立柱的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分別為21MPa、23MPa、11MPa 及6MPa，以此得出橫梁中部擁有最大變形量為0.05mm。通過(guò)計(jì)算量動(dòng)負(fù)荷及額定壽命，得出普通鋼制主軸的使用壽命可達(dá)到3160h。與此同時(shí)對(duì)芯軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡描述。

總結(jié)給出LN300 的技術(shù)參數(shù)，為大型軸承的制作及加工提供了必要的技術(shù)參考。