熱軋精軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

王煊

摘要：國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門對(duì)帶鋼的性能、精度的要求越來(lái)越高，這就需要對(duì)軋制工藝和設(shè)備的不斷發(fā)展。精軋機(jī)組對(duì)軋件的軋制是軋制過(guò)程的最后工序，熱連軋精軋機(jī)組設(shè)備軋制水平的高低和控制系統(tǒng)智能化的高低直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對(duì)熱連軋精軋機(jī)組的研究非常重要。本文主要就熱軋精軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析方面的內(nèi)容展開(kāi)了論述，以供參閱。

關(guān)鍵詞：熱軋精軋機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析

現(xiàn)代化精軋機(jī)是熱軋帶鋼生產(chǎn)線上的主要生產(chǎn)設(shè)備，其主要由機(jī)架（牌坊）、軋輥、壓下裝置、輥型調(diào)整裝置、平衡裝置、傳動(dòng)裝置、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等構(gòu)成。軋輥和機(jī)架在軋制過(guò)程中要承受很大的軋制力、軋制力矩及動(dòng)載荷，因此對(duì)精軋機(jī)軋輥和機(jī)架的強(qiáng)度、剛度的研究十分重要。

1精機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1車輥

軋輥是精軋機(jī)主要的零件之一，精軋機(jī)軋輥是由支撐輥、工作輥構(gòu)成。軋件通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作輥產(chǎn)生塑性變形，軋制出符合要求的產(chǎn)品。工作機(jī)座上的其它零部件都是為了安裝、支承、調(diào)整、更換軋輥和引導(dǎo)軋件正確進(jìn)出軋輥而設(shè)置的。精軋機(jī)的軋輥在軋制過(guò)程中工作輥是和軋件直接接觸的，強(qiáng)迫軋件產(chǎn)生塑性變形，因此要承受很大的軋制壓力、軋制力矩及動(dòng)載荷。在軋制過(guò)程中，軋機(jī)是通過(guò)加熱爐加熱后，才進(jìn)行軋制，因此，軋件的溫度高，軋輥需要冷卻液冷卻，工作條件的惡劣、繁重對(duì)軋輥的強(qiáng)度、剛度、表面硬度、耐磨性、輥型都有嚴(yán)格的要求，以保證軋制完后產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。工作輥和支撐輥由輥身、輥頭、輥頸組成。親頸安裝在軸承座的軸承里，由于軸承座要承受壓下裝置傳遞的軋制力，因而輥頸要承受很大載荷。工作輥的箱頭是與聯(lián)接軸相連接，并傳遞軋制軋件時(shí)所需的扭矩。此外，還要制造、安裝所需的輔助表面，如中心孔，緊固、吊裝用的溝槽以及帶動(dòng)軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的帶槽軸等。在軋制過(guò)程中，支撐輥承受著全部禮制力，輥身與想頸的過(guò)渡段是受力危險(xiǎn)截面。由于受到軸承尺寸的限制，輥頸不能做得太大，因此在過(guò)渡區(qū)段會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，需要合理的選定過(guò)渡區(qū)段結(jié)構(gòu)。工作輥除了要承受平衡力外，還要承受調(diào)節(jié)輥型用的彎輥力，所以，工作輥過(guò)渡區(qū)段的應(yīng)力集中問(wèn)題應(yīng)考慮。實(shí)踐證明，軋親輥身邊緣的尖角處應(yīng)力集中，因此尖角處必須倒鈍。

1.2軋輥的調(diào)整裝置

軋輥調(diào)整裝置是精軋機(jī)一個(gè)重要部件主要用來(lái)調(diào)整軋輥在機(jī)架中的相對(duì)位置，用以保證能獲得所要求的壓下量、精確的軋件尺寸、形狀以及正常的軋制條件。根據(jù)調(diào)整時(shí)軋輥動(dòng)作的不同，軋輥調(diào)整裝置可分為徑向調(diào)整裝置、軸向調(diào)整裝置和輥型調(diào)整裝置三類。

1.3軋輥平衡裝置

由于軋機(jī)機(jī)座中有關(guān)相互配合的零件存在著配合間隙，因此在軋機(jī)空載的情況下，各零件的自重作用，將會(huì)造成工作輥與支撐輥表面間以及輥頸與軸承間均有一定的間隙。這種間隙必然會(huì)在軋制過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊現(xiàn)象（軋制速度越高越嚴(yán)重），其結(jié)果使禮機(jī)相關(guān)零件壽命降低，輥縫發(fā)生變化，對(duì)軋件的咬入不利。為了清除在軋制咬鋼過(guò)程中因工作機(jī)座中有關(guān)零件間存在間隙所引起的沖擊現(xiàn)象，也為了防止工作輥和支撐輥之間產(chǎn)生打滑現(xiàn)象等，幾乎在所有的軋機(jī)都設(shè)計(jì)了平衡裝置。合理的選擇平衡力，還可以清除平衡系統(tǒng)中的滯后現(xiàn)象，以提高板厚自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度，還可以避免因工作輥和支撐輥之間打滑而引起軋件產(chǎn)生波浪及擦傷軋件表面的現(xiàn)象。

1.4機(jī)架

軋鋼機(jī)機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要部件，它要在軋制過(guò)程中承受巨大的軋制力、瞬間沖擊力、部分軋制力矩，另外軋輥系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和壓下系統(tǒng)都必須安裝在機(jī)架上，因而精軋機(jī)的機(jī)架具有足夠的剛度和強(qiáng)度。由于機(jī)架的重量很大，制作非常復(fù)雜，一般給予很大的安全系數(shù)，作為永久使用、不更換的零件來(lái)設(shè)計(jì)。

1.5精軋機(jī)主傳動(dòng)裝置

主傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給工作機(jī)座的軋輥，使其以一定的速度和輸出扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋件的軋制。主傳動(dòng)裝置的組成與軋機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。精軋機(jī)主傳動(dòng)裝置主要由聯(lián)軸器、減速器、齒輪機(jī)座、軸等構(gòu)成。

1.6精軋機(jī)換輥裝置

軋輥在軋制過(guò)程中其輥身、輥頸都要逐漸磨損。當(dāng)輥身磨損到一定程度出現(xiàn)表面缺陷時(shí)，為了保證軋件的尺寸精度和表面質(zhì)量，這需要及時(shí)更換軋輥，但是換輥需要停產(chǎn)，降低軋機(jī)的生產(chǎn)能力，為了提高生產(chǎn)率，因此必須采用快速的換輥裝置。快速的換輥裝置是將換輥的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)程序控制，最大限度的縮短時(shí)間，增加軋件產(chǎn)量。目前，國(guó)內(nèi)外才用的快速換輥裝置主要有橫移式和轉(zhuǎn)盤式兩種，熱軋精軋機(jī)組通常采用轉(zhuǎn)盤式。工作輥更換裝置主要由工作輥更換小車、機(jī)架前的軌道和蓋子，換輥車的繞線盤和橫移設(shè)備等構(gòu)成。工作輥更換裝置安裝在工作側(cè)，工作輥從機(jī)架中通過(guò)小車抽出。

2機(jī)架有限元分析

軋機(jī)的機(jī)架又稱牌坊，是軋鋼機(jī)重要零件。工作輥、支撐輥、軸承座、輥縫調(diào)整裝置等都安裝在精軋機(jī)的機(jī)架里，并承受很大的軋制力，因此機(jī)架是主要的受力構(gòu)件。影響軋件的軋制精度有很多的因素，機(jī)架的強(qiáng)度、剛度選擇不合理在軋制過(guò)程中機(jī)架變形量過(guò)大會(huì)影響軋件的軋制精度。在軋制過(guò)程中，機(jī)架承受的力有軋制力，軋件的前后張力差，工作輥鎖緊裝置對(duì)機(jī)架的力等，其中軋制力最大，也是主要考慮的。由于軋機(jī)的機(jī)架是永久使用而不更換的重要零件，為了防止機(jī)架在載荷過(guò)大時(shí)而損壞，因此機(jī)架的強(qiáng)度應(yīng)保證在軋輥斷裂時(shí)，機(jī)架不產(chǎn)生塑性變形，也就是機(jī)架能承受的最大載荷就是軋輥斷裂時(shí)的載荷，同時(shí)，機(jī)架的應(yīng)力不能到達(dá)機(jī)架材料的屈服極限。對(duì)于板帶軋機(jī)不僅要計(jì)算它的強(qiáng)度，還必須要計(jì)算它的變形。這主要是因?yàn)榫垯C(jī)在軋制過(guò)程中，其機(jī)架在垂直方向上會(huì)產(chǎn)生變形，這會(huì)使軋輥軸心線的偏移，使軋件的厚度尺寸及公差發(fā)生變化，從而影響軋件的軋制精度。機(jī)架在水平方向上的變形，也就是立柱向內(nèi)彎曲，則使機(jī)架的窗口和軸承座之間的間隙減小，要確保此間隙應(yīng)大于機(jī)架的水平變形，否則在軋制過(guò)程中調(diào)整輥縫，而軸承座無(wú)法移動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑞，劉欣玉，賈尚武.基于有限元的熱軋H型鋼萬(wàn)能精軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2015（08）.

[2]黃濤.鋁帶熱軋轉(zhuǎn)向輥內(nèi)冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)重型裝備.2018（05）.

[3]王春香，劉欣玉，劉瑞，賈尚武.基于PRO/E和ANSYS的熱軋H型鋼萬(wàn)能軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2015（12）.

（作者單位：河鋼集團(tuán)邯鋼分公司）