輥壓機柱釘輥輥面的研究與分析

黃 賀

目前輥壓機在行業中已經得到廣泛的應用[1]，降低了系統電耗，提高了產品產量，降低了綜合成本，為相關企業帶來了很大的經濟效益，但輥壓機輥面磨損的修復經常影響正常生產。為提高輥壓機的運轉周期和輥面壽命，進一步降低生產成本，很多企業紛紛推出“冷鑲柱釘”的超高耐磨輥套[2]。在輥套表面按一定排布規律，加工一定直徑和深度的孔，利用固持劑將柱釘安裝在孔中。擠壓工作時，物料在輥面上和柱釘間隙間形成一層密實的物料墊，起到緩沖作用，能夠有效吸收輥面承載的壓力，如圖1所示。

圖1 柱釘輥結構示意

但在實際生產過程中，存在很多不確定因素。柱釘輥輥面承受著巨大的正壓力、切向力及交變應力，受力情況非常復雜，柱釘輥輥面的磨損及失效現象經常發生。如何提高柱釘輥輥面的耐磨性和可靠性，成為亟待解決的一大難題，本文通過對部分現象進行分析討論，提出改進建議。

1 柱釘輥輥面失效形式介紹

1.1 柱釘及輥面受力形式

柱釘及輥面受力如圖2所示。柱釘所受的力主要位于其端部，來自于擠壓物料產生的交變壓力，θ取0°～10°[3]；同樣有一部分力來自于柱釘孔的擠壓反力；其他受力，如物料對柱釘側面以及壓力角在10°以上的作用力較小，可忽略。輥面所受力，分為柱釘孔承受的物料擠壓柱釘傳遞的壓力及輥面承受的物料擠壓力。

圖2 柱釘及輥面受力示意

1.2 柱釘和輥面失效形式及原因分析

1.2.1 柱釘脫落

柱釘和柱釘安裝孔間，采用間隙配合，再利用固持膠進行連接，固持劑同時也可以起到一定的緩沖作用。但在實際的工況中，柱釘受到非軸向循環交變應力作用，并且當物料中存在不易擠壓的大塊物料或金屬件時，導致擠壓應力遠大于固持劑所能承受的強度，固持劑將慢慢喪失其連接作用。當固持劑不再起作用時，物料擠壓產生的循環交變應力將直接作用于柱釘孔上，對硬度較低的柱釘孔進行不斷的沖擊，導致孔變形，柱釘與孔間間隙增大，當其增大到一定程度時，柱釘便會從孔中脫落下來，如圖3所示。

圖3 柱釘脫落過程示意

1.2.2 柱釘斷裂、蹦角

柱釘的端部預設高于輥面若干毫米，用于在輥面上形成耐磨料墊，但輥面的硬度較低、耐磨性差，一旦未在輥面上形成合適的料墊，輥面的磨損將會很嚴重。在柱釘端部與輥面的結合處，柱釘高出輥面的部分，便會由承受交變應力變為承受交變彎矩作用，隨著輥面磨損的加劇，彎矩逐漸增加，超過柱釘承載能力時，柱釘端部便會出現斷裂或蹦角的情況，如圖4所示。

圖4 柱釘斷裂和蹦角過程示意

1.2.3 輥面裂紋、掉塊

輥面剝落、掉塊如圖5所示，產生原因可分為兩種情況進行討論。一種情況是，當柱釘承受交變應力軸向分力過大時，由于柱釘強度遠高于輥面強度，當柱釘將力傳遞至輥面柱釘安裝孔底部，對孔底部套體進行擠壓撕裂，循環往復作用后，孔底部薄弱區域率先產生裂紋；裂紋逐漸延伸，從而在柱釘孔底部區域形成大面積的裂紋和空鼓現象，裂紋進一步往輥面表面延伸，形成掉塊現象，如圖6a所示。

圖5 柱釘區域性掉塊

另一種情況是，當柱釘受到非軸向交變應力分力過大時，由于柱釘強度遠高于輥面強度，柱釘將該分力通過固持劑，傳遞至柱釘孔內側和表面，將孔沖擊變形，孔逐漸被拉伸，孔徑增大。隨著孔徑的增大，柱釘將會慢慢地偏向一側，導致非軸向應力有效作用力增大。一種結果是，作用力增大到一定程度后，輥面孔口薄弱處便會率先出現微裂紋，隨后向孔底部和臨近孔延伸；一旦裂紋形成封閉的或比較完整的整體后，應力作用便會繼續向下作用到套體；套體中柱釘孔的部位較為薄弱，裂紋會慢慢向孔處延伸，直至形成整體掉塊，如圖6b所示。另一種結果是，柱釘在非軸向交變應力的作用下，偏向一側后，柱釘頭部所受的非軸向交變應力，經柱釘傳遞至孔底部附近，類似于杠桿作用；柱釘對孔底部薄弱區域產生較大擠壓傾覆力，形成微裂紋，不斷地延伸匯聚，在孔底部形成空鼓現象；裂紋繼續沿著相對薄弱的孔向外延伸，直至形成整體掉塊現象，如圖6c所示。

2 柱釘及輥面受力仿真分析

輥壓機工況不同時，產生的擠壓力往往會出現較大的波動，本次仿真分析將柱釘承受的擠壓力固定為120MPa，壓強角0°～10°，作用于柱釘端部。仿真目的主要是為了觀察柱釘和輥面受擠壓力時的應力集中區域及不同參數影響下的變化趨勢。

圖6 輥面裂紋產生及掉塊過程示意

圖7 不同長度柱釘，不同壓強角下柱釘及輥面受力結果

針對不同的柱釘長度和不同的壓強角進行仿真分析，仿真條件為柱釘長度30～60mm（L30～L60），柱釘及柱釘孔摩擦系數f取0.1，柱釘與孔間無間隙，仿真結果如圖7所示。圖中數值均為柱釘及輥面的最大應力值。由圖7可知，相同壓強角下，隨著柱釘長度的增加，輥面最大應力下降。5°以下，柱釘最大應力緩慢減少；5°以上，柱釘最大應力緩慢增加。相同長度柱釘，壓強角增大，輥面最大應力下降，柱釘最大應力增加。5°以下，增加趨勢平緩；5°以上，增加趨勢顯著。具體的應力分布云圖如圖8a和圖8b所示，分別為壓強角0°和10°條件下的應力結果。壓強角0°時，柱釘端部和靠近頭部區域為應力集中區域，柱釘孔最大應力區域位于孔底部中心球面區域。壓強角10°時，柱釘應力集中區域移動到柱釘與孔的接合面處，柱釘孔的應力集中區域變化不大，但輥面與柱釘結合處的應力明顯增加。其他長度和不同壓強角下變化趨勢類似。

圖8 柱釘及輥面應力仿真結果，MPa

針對柱釘長度固定為40mm，柱釘直徑D取15.97mm、15.98mm、16.00mm，柱釘與孔不同配合形式、不同摩擦系數和不同壓強角的情況進行仿真分析，結果見圖9。

從圖9a中可知，柱釘與孔無間隙時，同壓強角下，隨相互間摩擦系數增加，輥面最大應力下降，柱釘應力最大值緩慢增加；同摩擦系數下，壓強角增大，輥面最大應力下降，柱釘最大應力增加。

從圖9b、圖9c中可知，柱釘與孔采用相同間隙配合時，同壓強角下，隨摩擦系數增加，孔最大應力下降，柱釘最大應力下降；相同間隙配合時，同摩擦系數下，壓強角增大，孔最大應力下降，柱釘最大應力下降。

對比圖9a、圖9b、圖9c可知，隨著柱釘與孔間間隙的增大，其他條件不變時，柱釘和孔的最大應力值快速上升，最大值提升了近35%。

圖9 同長度柱釘，不同配合形式、摩擦系數和壓強角下柱釘及輥面受力結果

3 結語

針對以上分析和仿真結果，輥壓機柱釘輥的應用有以下幾點建議：

（1）增大輥面的整體硬度，提高抗大沖擊應力的承受能力。

（2）可通過增大柱釘長度以及柱釘與孔之間的摩擦系數，減少應力集中現象。

（3）采用過渡配合或過盈配合，有利于減少柱釘及柱釘孔的整體應力值。

另外，還可以通過改變柱釘的形狀，將應力集中現象減弱，使分布更加均勻化。