短應力路徑非對稱多功能軋機的發展

李寶偉

（山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276800）

20世紀40年代，第一個短應力路徑軋機在瑞典成功研制[1]。隨著銑削精度的不斷提高和軋制技術的不斷發展，短應力路徑高剛性軋機近年來越來越受歡迎。所謂的短應力路徑軋機是軋機縮短應力路徑的一般術語。短應力線結構可以大大提高軋機剛性，防止機器變形。因此，世界各地的設備制造商（如摩根，SMS，神戶鋼鐵，丹尼利等）紛紛開發各種短應力路徑軋機。

在本文中，新軋機由CISDI工程有限公司和重慶大學共同開發。此軋機取消了外殼，軸承座由四根桿連接起來。這大大縮短了應力路徑，提高了軋機的剛性。軋機上輥和下輥由齒輪減速電機單獨驅動，軋機可以通過交流變頻調速器實現輥速調節，實現非對稱軋制。軋機不僅可以生產圓形和條形板材，還可以通過不同槽的軋輥生產型材。軋機適用于鋼和有色金屬（如鎂，鋁，鈦，銅，鈷等）的軋制。此外，還可用于熱軋和冷軋。另外，軋機采用四列圓柱滾子軸承，具有較高的承載能力，更長的使用壽命，安裝維護方便。

1 短應力路徑軋機的特點

抵抗結構變形的能力稱為剛度。剛度系數K可以表示為：

式中:P為軋制力；f為軋機機架的彈性變形量，f=fB=fK，fB為軋輥的彈簧變形量，fK為軋機除了軋輥彈簧之外的彈簧變形量。

也就是壓縮部分的壓縮變形總和是拉伸部分的拉伸變形和彎曲折彎的變彎部位結合。

因此，軋機的剛性與軋機機架的變形成反比。提高剛性的本質就是減少fB和fK。對于傳統的軋機，由四個部件組成的軋機機架的變形fK，公式可以表示為[2]：

式中：R為單磨機架窗口半徑；E為彈性模量；I為零件慣性力矩；L1，L2，L3，W 分別為相應部件的長度；A1，A2，A3分別為相應部件的截面積。α為剛度系數。

傳統軋機應力路徑示意圖如圖1所示。同時也是等式（2）在圖1中描述。

相比之下，短應力路徑軋機去掉了螺絲，L2和L3的變形為零，L1的長度比傳統的軋機短得多（見圖2）。另外，短應力路徑軋機使用大慣性矩軸承座來代替上下橫梁，也就是說使I增加。在短應力路徑軋機中，使用具有高機械性能的4個拉桿來代替機械性能差的立柱。使拉桿靠近滾子軸承，減小W的值。根據式（2），通過上述措施減小了短應力路徑軋機的變形。因此，短應力路徑軋機的剛性得到顯著改善。

圖1 常規軋機應力路徑示意圖

圖2 短應力路徑軋機應力路徑示意圖

與常規軋機相比，短應力路徑軋機具有以下突出優點：

1）短應力路徑軋機確保高剛性[3]。生產可以獲得高質量和精確度。

2）軸承和軸承座的力比常規軋機好。軸承的使用壽命延長了約1.5倍，生產成本降低。

3）滾子的對稱調節可以輕松實現。原因是4個桿具有左右螺紋，因此上下輥可以對稱地調節。這一點對工廠來說是非常重要的。

4）滾筒更換可以作為一個單元的平臺。減少更換輥子的時間，增加軋機的運行效率。

5）短應力路徑軋機具有結構緊湊，質量輕，預設性能好等特點。

2 設計主要參數

經過對實驗條件和技術要求的分析和研究，根據實際經驗和理論計算確定了短應力路徑軋機的主要參數。短應力路徑軋機的主要參數如表1所示。

軋制力是軋機的重要參數。Sims模型采用條形軋制力公式，如式（3）和（4）所示。

表1 短應力路徑軋機主要參數表

式中：為單位平均壓力；l′為接觸長度；b為板的寬度；σ為變形阻力；ε為通過量的減少；hexit為出口的厚度；hnp為中性點的厚度。

短應力路徑軋機的軋制力是通過時間表典型實驗確定。這里，3個表格如表2—表4所示。表2和表3是軋制的時間表和技術參數。材料分別為鋼（Q235）和鋁合金（2A12）。表4是軋制的工藝和技術參數。表4的軋制方案的金屬材料為鋼（Q235）。

表2 鋁合金軋制工藝流程及技術參數

表3 鋼的軋制時間表和技術參數

表4 鋼的截面軋制時間表和技術參數

3 設備的主要結構和組成

新開發的短應力路徑軋機設備的主要結構和組成如下。

1）功能：根據技術要求，將板坯軋制成所需的截面形式。

2）型式：短應力路徑兩高臥式軋機。

3）軋機結構：軋輥系統，軋輥間隙調節裝置，軋機機架，主傳動裝置，連接軸等

4）間隙調節：電機驅動，可實現單側調節。

5）軸向調速：手動操作。

6）滾動切換：手動操作。

7）結構特點：新開發的軋機是建立在一般的短應力路徑軋機基礎上的。

以下幾個方面進行了改進：

1）盡可能擴大拉桿的直徑，同時盡可能縮短發生彈性變形的拉桿長度。

2）軸承座和慣性矩的面積增加，減小軸承座的變形。

3）采用四列圓柱滾子軸承，優點是軋機承載能力強。在相同的整體尺寸下，軸頸大于常規軋機，可提供更大的扭矩。

4）短路應力輥軋機改變載荷傳遞路徑，將軋機螺桿上的集中載荷改變為軸承座兩側的分散載荷，提高軸承和軸承座的力分布。因此，軸承的峰值載荷降低，軸承座的變形減小，軸承的使用壽命顯著提高。

5）在拉桿的兩端，有左右螺絲。4個拉桿將軸承座整體連接起來。調整輥隙時，上下滾動同步移動，關閉或分離，可以保證軋機的中心線不變。

圖3描述了短應力路徑軋機的主要結構。

短應力路徑軋機的電機及其附件信息表5。

4 結語

圖3 短應力路徑軋機設備圖（mm）

表5 短應力路徑軋機的電機及其附件信息

開發了一種新型的短應力路徑軋機，用于教學和研究。軋輥可以實現非對稱軋制，但是當兩輥的軋輥速度相等時，除了常規軋制模式。軋機可以通過不同槽形的輥，可以產生不同的外形和截面形狀的型材。軋機適用于鋼和有色金屬的軋制。提出的主要部件設計思路和主要參數，可為類似功能和結構的軋機設計制造提供依據。

[1]鐘婷貞.短路徑軋機理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，1998.

[2]張榮彬，李鐸，馬錦江.新型短應力淺軋機的開發及應用[J].重慶理工學院學報（自然科學版）.1992（12）：44.

[3]蔣百華，張樹棠.鋼鐵研究學報，1994，6（S1）：32.