胡 俊，李文越（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

淺析六輥可逆冷軋機(jī)輥系結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

胡 俊，李文越（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

在原料鋼材的加工當(dāng)中，輥系是一個(gè)十分重要的部分，使鋼材根據(jù)需求變成相應(yīng)的形狀。在軋機(jī)當(dāng)中，輥系也是十分關(guān)鍵的部分。在軋機(jī)牌坊周圍，設(shè)置了相應(yīng)部件，用以對(duì)輥系進(jìn)行安裝、調(diào)整和支撐，從而確保帶鋼順利功過(guò)工作輥。本文主要分析了六輥可逆冷軋機(jī)的輥系結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，以期能夠?yàn)檐垯C(jī)軋輥的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供借鑒和思考。

六輥；可逆冷軋機(jī)；輥系；結(jié)構(gòu)參數(shù)；影響

前言

在當(dāng)今社會(huì)中，隨著科技的發(fā)展，冷軋帶鋼正在逐漸得到廣泛的應(yīng)用，例如電器、電子、食品罐頭、精密儀器、汽車制造等領(lǐng)域，都需要應(yīng)用帶鋼，同時(shí)對(duì)帶鋼的性能也提出了更高的要求。對(duì)此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)致力于對(duì)生產(chǎn)技術(shù)水平的提升，通過(guò)對(duì)新設(shè)備的積極研發(fā)，更好的滿足用戶的使用需求。在這樣的背景下，冷軋板帶軋機(jī)設(shè)備得到了極大的發(fā)展，出現(xiàn)了六輥可逆冷軋機(jī)，使得生產(chǎn)效率和鋼材質(zhì)量都得到了有效的提升。

1 輥系的理論設(shè)計(jì)

1.1 輥系理論設(shè)計(jì)依據(jù)

冷軋滾的形態(tài)一般為圓柱形結(jié)構(gòu)，包括了傳動(dòng)輥頭、輥頸、輥身等部分，如圖1所示。其中，輥頭也叫做軸頭，其與驅(qū)動(dòng)裝置利用聯(lián)軸器連接，輥頭的作用主要是對(duì)減速機(jī)輸出力矩進(jìn)行傳遞，常見(jiàn)的包括帶鍵槽輥頭、萬(wàn)向輥頭、梅花輥頭等形狀。輥頸在外部安裝了軸承，對(duì)軋制力進(jìn)行承載，軋制力通過(guò)軸承向軸承座傳遞，經(jīng)過(guò)支承輥軸承座及壓下裝置，到達(dá)牌坊。常見(jiàn)的輥頸是圓柱形輥頸，對(duì)四列圓錐滾子軸承進(jìn)行安裝，在外側(cè)設(shè)有開(kāi)口環(huán)，能夠加快換輥速度。此外，還有圓錐形的輥頸，主要與油膜軸承配合使用。輥身是具有最大直徑的部分，其與帶鋼直接接觸，需要承受沖擊、高壓、高溫條件。

圖1 冷軋滾的結(jié)構(gòu)

1.2 軋輥間接觸應(yīng)力

在兩個(gè)軋輥之間，輥間輪廓接觸的位置，受到壓力接觸后，兩會(huì)發(fā)生形變，發(fā)生區(qū)域彈性壓變。在接觸面上，具有二次拋物線狀分布的應(yīng)力，其中，產(chǎn)生壓應(yīng)力最大的方向?yàn)閆軸的方向。按照軋輥表面硬度，能夠?qū)υS用應(yīng)力進(jìn)行查詢，如表1所示，根據(jù)得出結(jié)果判斷接觸應(yīng)力是否滿足要求。在輥面接觸區(qū)，材料上各點(diǎn)具有三向應(yīng)力的情況，對(duì)于較大接觸應(yīng)力也能進(jìn)行克服。在與接觸面逐漸遠(yuǎn)離的過(guò)程中，接觸應(yīng)力也會(huì)發(fā)生衰減，因而對(duì)于軋輥并不會(huì)產(chǎn)生太大的不良影響。在軋輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有周期性交變切應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)，同時(shí)力的方向會(huì)正反交替改變，因而可能導(dǎo)致輥面剝落的情況發(fā)生。

1.3 六輥軋機(jī)輥系變形

在軋機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，軋輥的彈性變形是一個(gè)十分重要的參數(shù)，在軋機(jī)總變形當(dāng)中，占據(jù)著很大的比例。在輥系變形當(dāng)中，主要受到溫差、外力等因素的影響，具體包括軋制帶鋼時(shí)的反作用力，中間輥竄輥造成的變形，軋制帶鋼是輥面的接觸變形，輥間接觸造成的變形，以及軋輥溫差造成的熱變形等[1]。對(duì)軋輥彈性變形的研究，可以采用有限元法、彈性基礎(chǔ)梁法、影響函數(shù)法、解析法等進(jìn)行研究。和切應(yīng)力相比，彎矩造成的彈性變形要更大。在軋制過(guò)程中，軋輥之間的接觸應(yīng)力較大，接觸區(qū)在受到擠壓之后，或發(fā)生變形，從而造成柱狀軋輥輪廓的變形。

表1 軋輥許用應(yīng)力

2 輥系有限元接觸與模型

2.1 有限元方法及原理

有限元法主要是將研究對(duì)象進(jìn)行切分，得到體單元、面單元、梁?jiǎn)卧U單元等多個(gè)連續(xù)小單元，利用公共節(jié)點(diǎn)連接各個(gè)單元。通過(guò)這種方式，能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題得出近似結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，首先將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為離散模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)位移函數(shù)進(jìn)行選擇，對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嚰胺匠踢M(jìn)行推導(dǎo)，對(duì)等效節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)單元方程進(jìn)行組裝，最后對(duì)未知節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行求解，并對(duì)單元應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

2.2 ANSYS接觸

在日常工作及生活中，接觸現(xiàn)象十分常見(jiàn)，例如軸承接觸、齒輪嚙合、以及輥間接觸等[2]。接觸問(wèn)題是一類非線性問(wèn)題，在模型接觸的位置發(fā)生非線性現(xiàn)象。接觸區(qū)域未必是永遠(yuǎn)接觸，根據(jù)研究模型狀態(tài)的改變，接觸受到外部原因、約束原因、荷載原因的影響，也會(huì)發(fā)生變化。在對(duì)兩個(gè)直接接觸物體進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保接觸面之間未發(fā)生相互穿透現(xiàn)象。在接觸問(wèn)題的類型當(dāng)中，主要包括了剛體-柔體接觸、柔體-柔體接觸等。在ANSYS當(dāng)中，對(duì)于不同類型的接觸，有相應(yīng)的方法進(jìn)行解決，同時(shí)能夠解決點(diǎn)和面的接觸問(wèn)題。

2.3 六輥軋機(jī)輥系有限元模型

在輥系模型面-面接觸的分析當(dāng)中，首先對(duì)輥系有限元模型進(jìn)行創(chuàng)建和劃分，然后對(duì)接觸類型進(jìn)行識(shí)別，對(duì)相應(yīng)的實(shí)常數(shù)和未知數(shù)、關(guān)鍵選項(xiàng)等進(jìn)行設(shè)置。對(duì)必要的邊界條件進(jìn)行施加，對(duì)求解選項(xiàng)進(jìn)行定義，對(duì)接觸問(wèn)題進(jìn)行求解。在有限元模型創(chuàng)建中，首先利用ANSYS軟件，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行建立，然后對(duì)輥系材料屬性進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在輥間接觸問(wèn)題的研究中，兩個(gè)工作中的輥面會(huì)發(fā)生接觸，并將這兩個(gè)輥面作為一個(gè)“接觸對(duì)”，并通過(guò)實(shí)常數(shù)號(hào)進(jìn)行識(shí)別。在輥系當(dāng)中，施加的主要邊界條件包括彎輥力荷載、軋制力荷載等，同時(shí)對(duì)軋輥兩端位移進(jìn)行約束。

3 輥系強(qiáng)度和剛度的影響因素

3.1 輥系強(qiáng)度

在生產(chǎn)軋制過(guò)程中，軋輥會(huì)受到多種應(yīng)力的綜合作用，與帶鋼之間，長(zhǎng)期存在溫差變化、擠壓接觸等情況，因而會(huì)發(fā)生較大程度的磨損，造成輥面表層剝落或發(fā)生斷裂等情況，可能造成嚴(yán)重的安全事故。在生產(chǎn)當(dāng)中，這種破壞及磨損情況通常是難以徹底消除的，不過(guò)，可以通過(guò)相應(yīng)的方式，對(duì)破壞及磨損的誘因進(jìn)行減少，從而延長(zhǎng)軋輥的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，軋輥的破壞來(lái)源主要包括了最初設(shè)計(jì)階段，制造階段、使用階段等?；诖?，可在設(shè)計(jì)初期對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行增加，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行克服。

3.2 彎輥及竄輥的影響

在當(dāng)前的社會(huì)中，對(duì)于冷軋帶鋼產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，要求其必須具有滿足要求的外觀形狀，而通過(guò)對(duì)輥縫的調(diào)節(jié)，能夠?qū)Π逍秃穸染鶆虺潭冗M(jìn)行控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，軋制受力變形、生產(chǎn)使用情況、工藝?yán)鋮s效果等，都會(huì)對(duì)輥縫形狀產(chǎn)生影響[3]。軋輥具有不固定的溫度，在初始和穩(wěn)定的軋制階段，會(huì)具有不同的溫度，在輥芯、輥面之間會(huì)發(fā)生溫度傳遞，因而會(huì)對(duì)軋輥凸度產(chǎn)生影響。在工作當(dāng)中，軋輥和工件之間，以及軋輥和軋輥之間，由于受到軋制循環(huán)應(yīng)力的影響，因而會(huì)發(fā)生磨損，造成輥形的變化。

3.3 有限元模型的驗(yàn)證應(yīng)用

在軋機(jī)輥系當(dāng)中，主要的參數(shù)包括支承輥的輥身直徑、輥身長(zhǎng)度、輥頸直徑、輥徑長(zhǎng)度、總長(zhǎng)度、過(guò)渡圓弧半徑，中間輥的輥身直徑、輥身長(zhǎng)度、輥頸直徑、輥徑長(zhǎng)度、總長(zhǎng)度等，工作輥的輥身直徑、輥身長(zhǎng)度、輥頸直徑、輥徑長(zhǎng)度、總長(zhǎng)度等。在六輥可逆冷軋機(jī)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，通過(guò)對(duì)軋制帶鋼后的輥間接觸應(yīng)力，以及帶鋼寬度方向厚度差的測(cè)量，能夠?qū)τ邢拊Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證。在一定的范圍內(nèi)，平均輥間接觸應(yīng)力會(huì)隨著單位軋制力的增加而變化，不過(guò)整體的接觸應(yīng)力趨勢(shì)并不會(huì)發(fā)生根本性的變化。通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)取樣計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，得出較為相似的結(jié)果，因而證明了有限元模型的正確性。

4 結(jié)論

在當(dāng)前的鋼鐵生產(chǎn)當(dāng)中，六輥可逆冷軋機(jī)是一個(gè)十分重要的設(shè)備，對(duì)于生產(chǎn)帶鋼產(chǎn)品的效率和質(zhì)量都有著重要的影響，其中，輥系是冷軋機(jī)當(dāng)中的重要部分，對(duì)冷軋機(jī)的工作性能會(huì)產(chǎn)生直接的影響?；诖?，本文主要對(duì)六輥可逆冷軋機(jī)輥系結(jié)構(gòu)的參數(shù)影響進(jìn)行了分析，同時(shí)建立和驗(yàn)證了相應(yīng)的有限元模型，以期為輥系結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒。

[1]曹建國(guó)，張勇，楊光輝，孟小明，曹立潮，周學(xué)會(huì)，王正凱.UCM六輥冷軋機(jī)中間輥輥形研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，04：966～971.

[2]張建波，郭麗麗，趙 峰，孫慶安，李學(xué)帥，劉維民，劉 耀.米諾六輥UC軋機(jī)軋制黃銅板材板形問(wèn)題分析 [J].有色金屬科學(xué)與工程，2014，05：74～78.

[3]胡可柱.改造冷軋機(jī)輥系提高軋輥利用率的探討——以國(guó)內(nèi)通用HC型六輥冷軋機(jī)為例[J].科技資訊，2012，17：85.

TG333

A

2095-2066（2016）34-0275-02

2016-11-14