郭宏偉

(中冶東方秦皇島研究設(shè)計(jì)院有限公司 河北秦皇島066000)

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550短應(yīng)力線軋機(jī)剛度分析與研究

郭宏偉①

(中冶東方秦皇島研究設(shè)計(jì)院有限公司 河北秦皇島066000)

綜合考慮了對(duì)軋機(jī)剛度影響的各主要因素，分別對(duì)550短應(yīng)力線軋機(jī)剛度與550牌坊軋機(jī)剛度進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)計(jì)算結(jié)果，可以看出，跟牌坊軋機(jī)相比，短應(yīng)力線軋機(jī)在剛度上具有較大優(yōu)勢(shì)。

軋機(jī) 短應(yīng)力線 剛度

1 引言

短應(yīng)力線軋機(jī)縮短了應(yīng)力回線，提高了軋機(jī)剛度，一直是國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)努力的方向。自20世紀(jì)40年代中期第一臺(tái)短應(yīng)力線軋機(jī)誕生以來(lái)，短應(yīng)力線軋機(jī)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)自行研制短應(yīng)力線軋機(jī)始于20世紀(jì)80年代末，近年來(lái)中冶賽迪、中冶京誠(chéng)、中冶華天、中冶東方等都相繼開(kāi)發(fā)了各自的短應(yīng)力線軋機(jī)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外使用的機(jī)型，結(jié)構(gòu)型式及性能都是基于第三代紅圈高剛度軋機(jī)的優(yōu)化，其主體結(jié)構(gòu)包括輥系、拉桿、壓下裝置、軸向調(diào)整裝置和導(dǎo)衛(wèi)裝置等。各廠設(shè)計(jì)方案大同小異，圖1為某廠的軋機(jī)結(jié)構(gòu)三維圖。以自主研發(fā)設(shè)計(jì)的550短應(yīng)力線軋機(jī)為例，計(jì)算其軋機(jī)剛度，并與傳統(tǒng)550牌坊軋機(jī)的剛度進(jìn)行比較。

2 550短應(yīng)力線軋機(jī)剛度計(jì)算

軋機(jī)工作機(jī)座的彈性變形包括軋輥系統(tǒng)、軸承、軸承座和壓下螺絲間的受壓零件、壓下螺絲和螺母以及機(jī)架等零件的彈性變形。機(jī)座的彈性變形f就等于有關(guān)零件彈性變形之和。求出機(jī)座彈性變形f后，通過(guò)以下公式求出機(jī)座的剛度系數(shù)C[3]，即

C=P/f

式中C—機(jī)座的剛度；P—軋制力；f—機(jī)座的彈性變形。

f=f1+f2+f3+……+f6[3,4,5]

式中f1—拉桿的拉伸變形；f2—軋輥的彎曲變形；f3—軸承座變形；f4—軸承變形；f5—螺母的變形；f6—球面墊的變形。

下面按軋制力作用在軋輥中心位置，輥徑最大值為邊界條件，計(jì)算有關(guān)零件的彈性變形。

2.1 拉桿的拉伸變形f1的計(jì)算[3]

(1)

式中 R1—拉桿承受拉力； l1—立柱中性軸長(zhǎng)度，l1=1165mm；

E1—立柱彈性模量，取E1=206GPa；

F1—立柱的斷面積，(按設(shè)計(jì)圖，立柱半徑d=160mm，F(xiàn)1=πd2/4=20106.2mm2)。

由于軋制力作用于軋輥的中間位置，因此理論上四個(gè)拉桿受力相等，為P/4。但考慮到實(shí)際工況，軋制力的分配有其不均衡性。因此每個(gè)拉桿受力按0.3P計(jì)算,即R1=0.3P,P=3100kN，可得：

R1=0.3P=930kN

代入式(1)得：

2.2 軋輥的彎曲變形f2的計(jì)算

軋輥的彎曲變形包括輥身的彎曲變形在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度f(wàn)a和輥頸的彎曲變形在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度f(wàn)b，受力分析如圖2所示[4]。

圖2 軋輥受力分析圖

2.2.1fa的計(jì)算

由于作用在B點(diǎn)的集中力P/2作用使輥身產(chǎn)生的彎曲變形，等同于將P/2向A點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力P/2和一個(gè)集中力偶M使輥身產(chǎn)生的彎曲變形，如圖3所示。由材料力學(xué)，集中力P/2在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度f(wàn)a1可按如下方法求得[6]。

圖3 撓度分析圖

(2)

式中 E—軋輥彈性模量，E=152GPa； Iza—慣性矩，軋輥直徑D為490mm。

可得：

Iza=πD4/64=2.83×109mm4

代入式(2)得

由材料力學(xué)，力偶M使輥身在B點(diǎn)產(chǎn)生的撓度f(wàn)a2為：

(3)

式中 M—由B點(diǎn)移到A點(diǎn)的等效力偶，M=P/2×AB=348750kN·mm。

代入式(3)得

因此：

fa=fa1+fa2=0.316mm

2.2.2fb的計(jì)算

受力分析簡(jiǎn)化如圖4所示，其中B點(diǎn)處輥頸尺寸d=320mm。

圖4 B點(diǎn)受力分析圖

依材料力學(xué)，有

式中 Izb—慣性矩。

該處輥頸直徑為320mm，可得：

Iza=πD4/64=5.147×108mm4

所以得出兩個(gè)軋輥的總彎曲變形為：

f2=2×(fa+fb)=0.782mm

2.3 軸承座變形f3的計(jì)算

一個(gè)軸承座的變形計(jì)算式為[3]

(4)

式中 R—軸承受力，R=P/2； L3—兩立柱中心線間距，L3=650mm； E3—彈性模量，E3=200GPa； I3—慣性矩。

軸承座截面如圖6所示，形狀類(lèi)似于工字鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得慣性矩計(jì)算式為：

I3=W(H3-h3)/12

圖5 軸承座

圖6 軸承座剖面

按設(shè)計(jì)圖紙，W=280mm，H=699mm，h=460mm。

因此

I3=280×(6993-4603)/12=5.698×109mm4

代入式(4)得軸承座的變形：

上下兩個(gè)軸承座的總變形為：

f3=2δ3=0.0156mm

2.4 軸承變形f4的計(jì)算[3]

(5)

式中 α—滾子的接觸角，α=0°； lg—滾子的有效接觸長(zhǎng)度，取lg=48mm； i—滾子列數(shù)，i=4； z—每列滾子數(shù)量，取z=48； P—軋制力，P=3100kN。

代入式(5)得軸承變形：

f4=1.259×10-3mm

2.5 螺母的變形f5的計(jì)算

一個(gè)螺母的變形計(jì)算式為[3]：

(6)

式中 R5—螺母上的負(fù)荷，R5=P/4=775kN； l5—螺母的高度，l5=196.254mm； t5—螺距，t5=6mm； D5—螺母的外徑，D5=230mm； d5—螺母的內(nèi)徑，d5=160mm； E5—螺母的彈性模量，E5=103GMPa。

代入式(6)得一個(gè)螺母的壓縮變形：

兩個(gè)螺母的彈性變形為：

f5=2δ5=0.13mm

2.6 球面墊的變形f6的計(jì)算

一個(gè)球面墊的變形計(jì)算式為[3]：

(7)

式中 R6—球面墊負(fù)荷，R6=P/4=775kN； hq—球面墊高度，hq=31.2475mm； D6—外徑，D6=230mm； d6—內(nèi)徑，d6=160mm； E6—球面墊彈性模量，E6=206GPa。

代入式(7)得一個(gè)球面墊的彈性變形：

兩個(gè)球面墊的變形為

f6=2δ6=0.011mm

2.7 剛度計(jì)算

當(dāng)軋制力作用在軋輥中心位置，軋輥輥徑最大時(shí)，軋機(jī)機(jī)座的彈性變形f為

f=f1+f2+f3+……+f6=1.202mm

從而可求得機(jī)座的剛度系數(shù)C為：

同理，可計(jì)算得到，當(dāng)軋制力作用在軋輥中心位置，輥徑為最小值時(shí)的軋機(jī)剛度為1337kN/mm；軋制力作用在軋輥?zhàn)钸厒?cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)軋輥直徑最大值和最小值時(shí)的軋機(jī)剛度分別是2768kN/mm和1555kN/mm。

3 550牌坊軋機(jī)剛度計(jì)算

采用類(lèi)似計(jì)算方法，可得到軋機(jī)機(jī)座的彈性變形f為

f=f1+f2+f3+……+f6

式中 f1—牌坊的拉伸變形； f2—軋輥的彎曲變形； f3—軸承座變形； f4—軸承變形； f5—螺母的變形； f6—球面墊的變形。

從而可按如下公式計(jì)算機(jī)座的剛度：

C=P/f

分別以軋制力在軋輥中心與軋輥?zhàn)钸厒?cè)；最大輥徑與最小輥徑為邊界條件，分別計(jì)算得到如下結(jié)果:

當(dāng)軋制力在軋輥中心時(shí)，對(duì)應(yīng)最大輥徑與最小輥徑的軋機(jī)剛度分別為1677kN/mm和1049kN/mm；

當(dāng)軋制力在軋輥?zhàn)钸厒?cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)最大輥徑與最小輥徑的軋機(jī)剛度分別為1913kN/mm和1448kN/mm。

4 數(shù)據(jù)整理與分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)550短應(yīng)力線軋機(jī)與普通軋機(jī)的剛度數(shù)值，統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 剛度數(shù)值 單位：kN/mm

5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出，短應(yīng)力線軋機(jī)比牌坊軋機(jī)的剛度更好，輥徑越大優(yōu)勢(shì)越明顯，軋制力作用點(diǎn)越居中，剛度優(yōu)勢(shì)越明顯。尤其當(dāng)軋輥處于最大輥徑時(shí)，短應(yīng)力線軋機(jī)剛度優(yōu)勢(shì)更加明顯，超出普通牌坊軋機(jī)50%左右。

[1]趙英彪等. 短應(yīng)力線軋機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r分析[J]. 冶金設(shè)備，2010(6)：42～46.

[2]張榮濱等. 新型短應(yīng)力線軋機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,Vol.23(12):44-47.

[3]鄒家祥．軋鋼機(jī)械(第3版)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[4]黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2007.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[6]劉鴻文編.材料力學(xué)(第4版)(I、II) [M].北京：高等教育出版社，2004.

·業(yè)界動(dòng)態(tài)·

湖南衡陽(yáng)鋼管(集團(tuán))有限公司成功開(kāi)發(fā)耐腐蝕油井管

湖南衡陽(yáng)鋼管(集團(tuán))有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)：華菱衡鋼)生產(chǎn)的13Cr系列耐腐蝕不銹鋼管，已通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)定。

隨著世界石油工業(yè)的發(fā)展，深層含二氧化碳(CO2)油氣層的開(kāi)采條件越來(lái)越趨苛刻，油井中CO2溶解于水后形成的碳酸對(duì)鋼材腐蝕性極強(qiáng)，容易引起設(shè)備損壞和油井的報(bào)廢，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

增強(qiáng)油套管抗CO2腐蝕性，13Cr耐腐蝕合金是一種經(jīng)濟(jì)、有效的選擇。但由于13Cr材質(zhì)合金含量高，生產(chǎn)難度大，國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)該材質(zhì)鋼管的企業(yè)屈指可數(shù)。為攻克13Cr鋼管生產(chǎn)難關(guān)， 2013年華菱衡鋼加快了13Cr產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度并取得突取性進(jìn)展。

國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和新加坡一管材實(shí)驗(yàn)室，持續(xù)幾個(gè)月對(duì)成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度、金相組織等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，結(jié)果表明華菱衡鋼生產(chǎn)的13Cr系列產(chǎn)品性能優(yōu)異。

Stiffness Analysis and Study of 550 Short Stress Line Mill

Guo Hongwei

(BERIS Qinhuangdao Engineering & Research Co., Ltd., Qinhangdao 066000)

Considering the main factors that influence the rigidity of mill, respectively in 550 short stress line mill stiffness and 550 stand rolling mill stiffness are calculated. For the results, as can be seen, compared with stand rolling mill, the short stress line mill has great advantages in stiffness.

Rolling mill Short stress line Stiffness

郭宏偉，女，1979年出生，畢業(yè)燕山大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士，工程師，現(xiàn)在中冶東方秦皇島研究設(shè)計(jì)院工程部工作

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.003

2013-10-24)