550短應力線軋機剛度分析與研究

郭宏偉

(中冶東方秦皇島研究設計院有限公司 河北秦皇島066000)

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550短應力線軋機剛度分析與研究

郭宏偉①

(中冶東方秦皇島研究設計院有限公司 河北秦皇島066000)

綜合考慮了對軋機剛度影響的各主要因素，分別對550短應力線軋機剛度與550牌坊軋機剛度進行了計算。通過計算結果，可以看出，跟牌坊軋機相比，短應力線軋機在剛度上具有較大優勢。

軋機 短應力線 剛度

1 引言

短應力線軋機縮短了應力回線，提高了軋機剛度，一直是國內外鋼鐵行業努力的方向。自20世紀40年代中期第一臺短應力線軋機誕生以來，短應力線軋機在世界范圍內得到廣泛的應用[1]。我國自行研制短應力線軋機始于20世紀80年代末，近年來中冶賽迪、中冶京誠、中冶華天、中冶東方等都相繼開發了各自的短應力線軋機[2]。

目前，國內外使用的機型，結構型式及性能都是基于第三代紅圈高剛度軋機的優化，其主體結構包括輥系、拉桿、壓下裝置、軸向調整裝置和導衛裝置等。各廠設計方案大同小異，圖1為某廠的軋機結構三維圖。以自主研發設計的550短應力線軋機為例，計算其軋機剛度，并與傳統550牌坊軋機的剛度進行比較。

2 550短應力線軋機剛度計算

軋機工作機座的彈性變形包括軋輥系統、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架等零件的彈性變形。機座的彈性變形f就等于有關零件彈性變形之和。求出機座彈性變形f后，通過以下公式求出機座的剛度系數C[3]，即

C=P/f

式中C—機座的剛度；P—軋制力；f—機座的彈性變形。

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，計算有關零件的彈性變形。

2.1 拉桿的拉伸變形f1的計算[3]

(1)

式中 R1—拉桿承受拉力； l1—立柱中性軸長度，l1=1165mm；

E1—立柱彈性模量，取E1=206GPa；

F1—立柱的斷面積，(按設計圖，立柱半徑d=160mm，F1=πd2/4=20106.2mm2)。

由于軋制力作用于軋輥的中間位置，因此理論上四個拉桿受力相等，為P/4。但考慮到實際工況，軋制力的分配有其不均衡性。因此每個拉桿受力按0.3P計算,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的計算

軋輥的彎曲變形包括輥身的彎曲變形在B點產生的撓度fa和輥頸的彎曲變形在B點產生的撓度fb，受力分析如圖2所示[4]。

圖2 軋輥受力分析圖

2.2.1fa的計算

由于作用在B點的集中力P/2作用使輥身產生的彎曲變形，等同于將P/2向A點簡化為一個集中力P/2和一個集中力偶M使輥身產生的彎曲變形，如圖3所示。由材料力學，集中力P/2在B點產生的撓度fa1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，力偶M使輥身在B點產生的撓度fa2為：

(3)

式中 M—由B點移到A點的等效力偶，M=P/2×AB=348750kN·mm。

代入式(3)得

因此：

fa=fa1+fa2=0.316mm

2.2.2fb的計算

受力分析簡化如圖4所示，其中B點處輥頸尺寸d=320mm。

圖4 B點受力分析圖

依材料力學，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的計算

一個軸承座的變形計算式為[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，形狀類似于工字鋼，由機械設計手冊查得慣性矩計算式為：

I3=W(H3-h3)/12

圖5 軸承座

圖6 軸承座剖面

按設計圖紙，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：

上下兩個軸承座的總變形為：

f3=2δ3=0.0156mm

2.4 軸承變形f4的計算[3]

(5)

式中 α—滾子的接觸角，α=0°； lg—滾子的有效接觸長度，取lg=48mm； i—滾子列數，i=4； z—每列滾子數量，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的計算

一個螺母的變形計算式為[3]：

(6)

式中 R5—螺母上的負荷，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—螺母的內徑，d5=160mm； E5—螺母的彈性模量，E5=103GMPa。

代入式(6)得一個螺母的壓縮變形：

兩個螺母的彈性變形為：

f5=2δ5=0.13mm

2.6 球面墊的變形f6的計算

一個球面墊的變形計算式為[3]：

(7)

式中 R6—球面墊負荷，R6=P/4=775kN； hq—球面墊高度，hq=31.2475mm； D6—外徑，D6=230mm； d6—內徑，d6=160mm； E6—球面墊彈性模量，E6=206GPa。

代入式(7)得一個球面墊的彈性變形：

兩個球面墊的變形為

f6=2δ6=0.011mm

2.7 剛度計算

當軋制力作用在軋輥中心位置，軋輥輥徑最大時，軋機機座的彈性變形f為

f=f1+f2+f3+……+f6=1.202mm

從而可求得機座的剛度系數C為：

同理，可計算得到，當軋制力作用在軋輥中心位置，輥徑為最小值時的軋機剛度為1337kN/mm；軋制力作用在軋輥最邊側時，對應軋輥直徑最大值和最小值時的軋機剛度分別是2768kN/mm和1555kN/mm。

3 550牌坊軋機剛度計算

采用類似計算方法，可得到軋機機座的彈性變形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算機座的剛度：

C=P/f

分別以軋制力在軋輥中心與軋輥最邊側；最大輥徑與最小輥徑為邊界條件，分別計算得到如下結果:

當軋制力在軋輥中心時，對應最大輥徑與最小輥徑的軋機剛度分別為1677kN/mm和1049kN/mm；

當軋制力在軋輥最邊側時，對應最大輥徑與最小輥徑的軋機剛度分別為1913kN/mm和1448kN/mm。

4 數據整理與分析

根據以上計算結果，對550短應力線軋機與普通軋機的剛度數值，統計如表1。

表1 剛度數值 單位：kN/mm

5 結論

根據計算結果，可以看出，短應力線軋機比牌坊軋機的剛度更好，輥徑越大優勢越明顯，軋制力作用點越居中，剛度優勢越明顯。尤其當軋輥處于最大輥徑時，短應力線軋機剛度優勢更加明顯，超出普通牌坊軋機50%左右。

[1]趙英彪等. 短應力線軋機的發展狀況分析[J]. 冶金設備，2010(6)：42～46.

[2]張榮濱等. 新型短應力線軋機的開發與應用[J]. 重慶工學院學報,2009,Vol.23(12):44-47.

[3]鄒家祥．軋鋼機械(第3版)[M]．北京：冶金工業出版社，2005.

[4]黃慶學.軋鋼機械設計[M].北京：冶金工業出版社,2007.

[5]成大先.機械設計手冊(第5卷)[M].北京：化學工業出版社，2002.

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

·業界動態·

湖南衡陽鋼管(集團)有限公司成功開發耐腐蝕油井管

湖南衡陽鋼管(集團)有限公司(簡稱：華菱衡鋼)生產的13Cr系列耐腐蝕不銹鋼管，已通過實驗評定。

隨著世界石油工業的發展，深層含二氧化碳(CO2)油氣層的開采條件越來越趨苛刻，油井中CO2溶解于水后形成的碳酸對鋼材腐蝕性極強，容易引起設備損壞和油井的報廢，造成了巨大的經濟損失。

增強油套管抗CO2腐蝕性，13Cr耐腐蝕合金是一種經濟、有效的選擇。但由于13Cr材質合金含量高，生產難度大，國內能夠生產該材質鋼管的企業屈指可數。為攻克13Cr鋼管生產難關， 2013年華菱衡鋼加快了13Cr產品開發進度并取得突取性進展。

國家石油管材質量監督檢驗中心和新加坡一管材實驗室，持續幾個月對成分、拉伸性能、沖擊性能、硬度、金相組織等多個指標進行嚴格測試，結果表明華菱衡鋼生產的13Cr系列產品性能優異。

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，畢業燕山大學機械設計專業，學士，工程師，現在中冶東方秦皇島研究設計院工程部工作

TG333.2

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10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.003

2013-10-24)