短應力軋機優化設計

劉 云，段麗娟

隨著對軋制精度要求的不斷提高和軋制計算方法的不斷發展，高精度軋制已在各類鋼材生產線上推廣普及。由于短應力線軋機在軋制大規格棒材等方面具有產品規格多、生產組織靈活、產品表面質量高等優點，發展短應力軋機高精度軋制技術已成為行業必然趨勢。

1 結構特點

（1）軋輥輥系 由軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉桿和拉桿裝配、中間支承座等組成。上、下軋輥采用圓柱滾動軸承，通過傳動側和操作側的軸承座等裝配在一起，上、下軸承座中內置有左、右旋螺母，通過固定在4個中間支承座中的4根拉桿將上下軸承座聯結在一起，形成一個短應力線軋機的軋輥輥系，通過拉桿和軸承座內螺母連接，縮短了應力線長度，增大了軋機剛度。由于拉桿聯接軸承座使軋輥軸承的受力狀態更合理，提高了軸承的承載能力，延長了軸承的使用壽命。同時也使軋輥軸承運行更加穩定，從而提高了軋制精度。

軋輥軸承選用剛性較大的四列圓柱滾子軸承來承受徑向負荷，由止推軸承承受軸向載荷。利用球面墊改善軋輥軸承受力情況，使軋輥軸承各列滾動體受力均勻，提高了軋輥軸承的使用壽命。

在上、下軸承座之間設有彈性阻尼平衡裝置，以消除拉桿和螺母之間的螺紋副間隙和軸承游隙。

上、下軋輥均在操作側設置有軸向固定裝置以防止軋輥軸向竄動。

為了精確地將上、下輥的孔槽對準，在上輥軸承座內設置軋輥軸向調節裝置。通過手動蝸桿使既帶蝸輪又帶螺紋的套旋轉，帶動止推軸承和四列圓柱滾子軸承的內套和軋輥軸向移動，從而進行軸向調整；為消除螺紋間隙和防松，還設置有對頂螺紋套，減少軋制過程中軋輥的徑向竄動。

（2）輥縫調節裝置 由液壓馬達、傳動軸、傳動側和操作側蝸桿蝸輪箱、編碼器等組成。傳動側和操作側蝸桿蝸輪箱內的蝸桿蝸輪副套裝在軋機輥系的4根拉桿的上端，通過液壓馬達驅動拉桿轉動，拉桿通過軸承座內置螺母帶動軋輥上下移動。上、下軋輥的軸承座內置螺母分別為左右螺紋，使上、下軋輥反向升降，輥縫對稱調節。由于軋制線固定，減少了生產事故，提高了軋機作業率。傳動側和操作側蝸桿蝸輪箱之間的傳動軸上設置有手動離合器，便于單側調整上、下軋輥的水平度。

由軋輥輥系和輥縫調節裝置組成的軋機機芯通過液壓拉伸螺栓，快速可靠地緊固到軋機底座上，與包括導衛梁和導衛、機上配管等部件組成軋機本體。

換輥時，先由推出缸將軋機推出到橫移車旁，再由拉出缸將軋機拉到換輥橫移車上，整個機組同時更換，快捷方便。

（3）軋機主傳動 軋機主電機采用調速電機，通過安全鼓形齒式聯軸器與聯合減速機相連。聯合齒輪箱由減速級與人字齒輪座合為一體，其兩個輸出軸通過伸縮型鼓形齒式接軸分別驅動上、下軋輥。

（4）接軸托架 通過滾動軸承將軋機接軸的一端裝配在可升降的軸承座內，在任何時候都保持對接軸的支承。上、下接軸的重量通過杠桿（或反向拉索）相互平衡，消除了接軸對軋輥傳動側軸承的附加載荷，同時使軋輥平衡裝置的受力均勻合理。

（5） 軋機滑動底座 用于軋機機芯的安置及與接軸托架的連接，在滑動結合面上裝有襯板。為便于換輥，立式軋機的操作側裝有一個換輥架，上面裝有襯板，便于更換。

（6）軋機底座 軋機本體和接軸托架安裝在同一個軋機底座上。底座為鋼結構焊接件。軋機底座上還裝配有軋機橫移裝置和軋機鎖緊缸。

立式軋機與水平軋機的結構特點基本一致，不同之處在于另設有一個擺動臺，換輥時先將軋機落下，由推出液壓缸將軋機推出到擺動臺上，擺動缸驅動擺動臺升起，然后由拉出缸將軋機拉至橫移臺車上，與其他軋機一起更換。

同規格的軋機本體除軋輥孔型、軋機滑動底座不同外，其余部件完全相同，具有互換性，所需備品備件少。

2 剛度計算

計算軋機的變形所需參數有：軋制力7 500 kN，軋輥輥身直徑為?870 mm，軋材中心距離輥身端面200 mm。三維造型軟件為Autodesk Inventor，分析軟件為ANSYS，單元為空間六面體單元。

2.1 三維造型

根據圖紙和設計尺寸，并根據計算需要，對三維模型進行了一定簡化，模型中包含軋輥、軸承、軸承座、立柱、墊片、軸承蓋、壓下螺母、球面墊。利用AutodeskInventor進行三維造型（見圖1）。

圖1 軋機上部分三維實體圖

2.2 有限元模型及邊界條件

根據軋機結構和受力對稱的特點，取上部分的二分之一模型進行分析，根據力學理論，對計算模型進行了一定的簡化，在實體模型的基礎上，采用空間六面體單元，并在可能發生應力集中的區域進行細化設定。壓下螺母材料定義為銅，其余部件材料定義為鐵。劃分單元后，共得到144 879節點，41 595單元（見圖2）。

圖2 軋機單元模型圖

建立耦合和接觸關系包括：

（1） 將軸承座和墊片、球面墊耦合（glue）。

（2）將軸承座和軸承耦合。

（3）將立柱和壓下螺母耦合。

（4）將軸承座和軸承蓋耦合。

（5）將壓下螺母和球面墊接觸。

（6）將軋輥和軸承接觸。

（7）將軋材和軋輥接觸。

加載時，考慮到分析模型為上部分模型的二分之一，所以載荷大小為軋制力7 500 kN的一半，因此在軋材作用面上施加載荷3 750 kN。對稱面采用對稱約束，在軋輥一端點約束x方向（見圖3）。

2.3 計算結果

圖3 軋機邊界條件圖

通過計算，得到軋機的x方向（軸向） 變形。其最小變形為-0.975 mm，具體位置在左側軸承座上，圖中藍色位置即是。最大變形為0.585 mm，具體位置在右側軸承座上，圖中紅色位置即是（見圖 4）。

圖4 軋機軸向（x方向）變形圖

在軋機y方向（縱向）變形圖中向上最大變形為1.355 mm，具體位置在軋材上，圖中紅色位置即是。軋輥中心變形為0.924 4 mm（見圖5）。

圖5 軋機縱向（y方向）變形圖

從軋輥y方向變形圖中可以看出最大變形為1.248 3 mm，具體位置在軋制處，圖中紅色位置即是（見圖6）。根據軋輥變形情況，可知軋輥的撓

由左軸承座中間截面z方向變形圖中變形標示可知各個部件變形情況（見圖7）：

圖6 軋輥y方向變形圖

圖7 左軸承座中間截面z方向變形分布圖

（1）從球面墊與拉桿變形的情況來看，最大變形為0.018 9 mm，為了安全給2倍安全系數，球面墊和拉桿間隙應為0.037 9 mm。

（2） 軸承座與壓下螺母的最大變形為0.067 8 mm，為確保安全取2倍安全系數，則軸承座與壓下螺母間隙應為為0.135 mm。

（3） 軸承座蓋與拉桿的最大變形為0.2 mm，取2倍安全系數，則軸承座與壓下螺母間隙應為為0.4 mm。

終上所述，軋機縱向的變形為1.355 mm，軋輥的變形為0.838 mm，所占比例為62%。由于分析對象僅為軋機上部分，而下部分和上部分的結構相同，所以計算剛度時要考慮下部分的變形，則軋機剛度k=7 500 000/0.924 4/2=405.844 kN/mm。

3 結語

通過有限法計算出短應力線軋機的承載件及整體的剛度對優化軋機的各承載件 (例如輥系,拉桿等)提供了參考數據。鑒于縱向變形量為0.2 mm，在設計時考慮拉桿等件不能承受軋機軋制過程中軸承座的變形量，故拉桿與軸承座之間的間隙應大等于0.2 mm。