淺析六輥可逆冷軋機輥系結構參數(shù)影響

胡 俊，李文越（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330000）

淺析六輥可逆冷軋機輥系結構參數(shù)影響

胡 俊，李文越（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330000）

在原料鋼材的加工當中，輥系是一個十分重要的部分，使鋼材根據(jù)需求變成相應的形狀。在軋機當中，輥系也是十分關鍵的部分。在軋機牌坊周圍，設置了相應部件，用以對輥系進行安裝、調整和支撐，從而確保帶鋼順利功過工作輥。本文主要分析了六輥可逆冷軋機的輥系結構參數(shù)影響，以期能夠為軋機軋輥的設計與開發(fā)提供借鑒和思考。

六輥；可逆冷軋機；輥系；結構參數(shù)；影響

前言

在當今社會中，隨著科技的發(fā)展，冷軋帶鋼正在逐漸得到廣泛的應用，例如電器、電子、食品罐頭、精密儀器、汽車制造等領域，都需要應用帶鋼，同時對帶鋼的性能也提出了更高的要求。對此，鋼鐵企業(yè)應當致力于對生產(chǎn)技術水平的提升，通過對新設備的積極研發(fā)，更好的滿足用戶的使用需求。在這樣的背景下，冷軋板帶軋機設備得到了極大的發(fā)展，出現(xiàn)了六輥可逆冷軋機，使得生產(chǎn)效率和鋼材質量都得到了有效的提升。

1 輥系的理論設計

1.1 輥系理論設計依據(jù)

冷軋滾的形態(tài)一般為圓柱形結構，包括了傳動輥頭、輥頸、輥身等部分，如圖1所示。其中，輥頭也叫做軸頭，其與驅動裝置利用聯(lián)軸器連接，輥頭的作用主要是對減速機輸出力矩進行傳遞，常見的包括帶鍵槽輥頭、萬向輥頭、梅花輥頭等形狀。輥頸在外部安裝了軸承，對軋制力進行承載，軋制力通過軸承向軸承座傳遞，經(jīng)過支承輥軸承座及壓下裝置，到達牌坊。常見的輥頸是圓柱形輥頸，對四列圓錐滾子軸承進行安裝，在外側設有開口環(huán)，能夠加快換輥速度。此外，還有圓錐形的輥頸，主要與油膜軸承配合使用。輥身是具有最大直徑的部分，其與帶鋼直接接觸，需要承受沖擊、高壓、高溫條件。

圖1 冷軋滾的結構

1.2 軋輥間接觸應力

在兩個軋輥之間，輥間輪廓接觸的位置，受到壓力接觸后，兩會發(fā)生形變，發(fā)生區(qū)域彈性壓變。在接觸面上，具有二次拋物線狀分布的應力，其中，產(chǎn)生壓應力最大的方向為Z軸的方向。按照軋輥表面硬度，能夠對許用應力進行查詢，如表1所示，根據(jù)得出結果判斷接觸應力是否滿足要求。在輥面接觸區(qū)，材料上各點具有三向應力的情況，對于較大接觸應力也能進行克服。在與接觸面逐漸遠離的過程中，接觸應力也會發(fā)生衰減，因而對于軋輥并不會產(chǎn)生太大的不良影響。在軋輥相向轉動時，會有周期性交變切應力發(fā)生在接觸區(qū)，同時力的方向會正反交替改變，因而可能導致輥面剝落的情況發(fā)生。

1.3 六輥軋機輥系變形

在軋機設計當中，軋輥的彈性變形是一個十分重要的參數(shù)，在軋機總變形當中，占據(jù)著很大的比例。在輥系變形當中，主要受到溫差、外力等因素的影響，具體包括軋制帶鋼時的反作用力，中間輥竄輥造成的變形，軋制帶鋼是輥面的接觸變形，輥間接觸造成的變形，以及軋輥溫差造成的熱變形等[1]。對軋輥彈性變形的研究，可以采用有限元法、彈性基礎梁法、影響函數(shù)法、解析法等進行研究。和切應力相比，彎矩造成的彈性變形要更大。在軋制過程中，軋輥之間的接觸應力較大，接觸區(qū)在受到擠壓之后，或發(fā)生變形，從而造成柱狀軋輥輪廓的變形。

表1 軋輥許用應力

2 輥系有限元接觸與模型

2.1 有限元方法及原理

有限元法主要是將研究對象進行切分，得到體單元、面單元、梁單元、桿單元等多個連續(xù)小單元，利用公共節(jié)點連接各個單元。通過這種方式，能夠簡化復雜問題得出近似結果。在實際應用中，首先將實體模型轉換為離散模型，進行網(wǎng)格劃分，然后對位移函數(shù)進行選擇，對單元剛度矩陣及方程進行推導，對等效節(jié)點力進行計算，對單元方程進行組裝，最后對未知節(jié)點位移進行求解，并對單元應力進行計算。

2.2 ANSYS接觸

在日常工作及生活中，接觸現(xiàn)象十分常見，例如軸承接觸、齒輪嚙合、以及輥間接觸等[2]。接觸問題是一類非線性問題，在模型接觸的位置發(fā)生非線性現(xiàn)象。接觸區(qū)域未必是永遠接觸，根據(jù)研究模型狀態(tài)的改變，接觸受到外部原因、約束原因、荷載原因的影響，也會發(fā)生變化。在對兩個直接接觸物體進行分析時，應當確保接觸面之間未發(fā)生相互穿透現(xiàn)象。在接觸問題的類型當中，主要包括了剛體-柔體接觸、柔體-柔體接觸等。在ANSYS當中，對于不同類型的接觸，有相應的方法進行解決，同時能夠解決點和面的接觸問題。

2.3 六輥軋機輥系有限元模型

在輥系模型面-面接觸的分析當中，首先對輥系有限元模型進行創(chuàng)建和劃分，然后對接觸類型進行識別，對相應的實常數(shù)和未知數(shù)、關鍵選項等進行設置。對必要的邊界條件進行施加，對求解選項進行定義，對接觸問題進行求解。在有限元模型創(chuàng)建中，首先利用ANSYS軟件，對實體模型進行建立，然后對輥系材料屬性進行設定，進而對網(wǎng)格進行劃分。在輥間接觸問題的研究中，兩個工作中的輥面會發(fā)生接觸，并將這兩個輥面作為一個“接觸對”，并通過實常數(shù)號進行識別。在輥系當中，施加的主要邊界條件包括彎輥力荷載、軋制力荷載等，同時對軋輥兩端位移進行約束。

3 輥系強度和剛度的影響因素

3.1 輥系強度

在生產(chǎn)軋制過程中，軋輥會受到多種應力的綜合作用，與帶鋼之間，長期存在溫差變化、擠壓接觸等情況，因而會發(fā)生較大程度的磨損，造成輥面表層剝落或發(fā)生斷裂等情況，可能造成嚴重的安全事故。在生產(chǎn)當中，這種破壞及磨損情況通常是難以徹底消除的，不過，可以通過相應的方式，對破壞及磨損的誘因進行減少，從而延長軋輥的使用壽命。在實際應用中，軋輥的破壞來源主要包括了最初設計階段，制造階段、使用階段等。基于此，可在設計初期對安全系數(shù)進行增加，對以上問題進行克服。

3.2 彎輥及竄輥的影響

在當前的社會中，對于冷軋帶鋼產(chǎn)品的要求越來越高，要求其必須具有滿足要求的外觀形狀，而通過對輥縫的調節(jié)，能夠對板型厚度均勻程度進行控制。在實際生產(chǎn)中，軋制受力變形、生產(chǎn)使用情況、工藝冷卻效果等，都會對輥縫形狀產(chǎn)生影響[3]。軋輥具有不固定的溫度，在初始和穩(wěn)定的軋制階段，會具有不同的溫度，在輥芯、輥面之間會發(fā)生溫度傳遞，因而會對軋輥凸度產(chǎn)生影響。在工作當中，軋輥和工件之間，以及軋輥和軋輥之間，由于受到軋制循環(huán)應力的影響，因而會發(fā)生磨損，造成輥形的變化。

3.3 有限元模型的驗證應用

在軋機輥系當中，主要的參數(shù)包括支承輥的輥身直徑、輥身長度、輥頸直徑、輥徑長度、總長度、過渡圓弧半徑，中間輥的輥身直徑、輥身長度、輥頸直徑、輥徑長度、總長度等，工作輥的輥身直徑、輥身長度、輥頸直徑、輥徑長度、總長度等。在六輥可逆冷軋機的實際應用當中，通過對軋制帶鋼后的輥間接觸應力，以及帶鋼寬度方向厚度差的測量，能夠對有限元模型進行驗證。在一定的范圍內(nèi)，平均輥間接觸應力會隨著單位軋制力的增加而變化，不過整體的接觸應力趨勢并不會發(fā)生根本性的變化。通過有限元計算結果與現(xiàn)場取樣計算結果的對比，得出較為相似的結果，因而證明了有限元模型的正確性。

4 結論

在當前的鋼鐵生產(chǎn)當中，六輥可逆冷軋機是一個十分重要的設備，對于生產(chǎn)帶鋼產(chǎn)品的效率和質量都有著重要的影響，其中，輥系是冷軋機當中的重要部分，對冷軋機的工作性能會產(chǎn)生直接的影響。基于此，本文主要對六輥可逆冷軋機輥系結構的參數(shù)影響進行了分析，同時建立和驗證了相應的有限元模型，以期為輥系結構的進一步優(yōu)化提供借鑒。

[1]曹建國，張勇，楊光輝，孟小明，曹立潮，周學會，王正凱.UCM六輥冷軋機中間輥輥形研究[J].中南大學學報（自然科學版），2011，04：966～971.

[2]張建波，郭麗麗，趙 峰，孫慶安，李學帥，劉維民，劉 耀.米諾六輥UC軋機軋制黃銅板材板形問題分析 [J].有色金屬科學與工程，2014，05：74～78.

[3]胡可柱.改造冷軋機輥系提高軋輥利用率的探討——以國內(nèi)通用HC型六輥冷軋機為例[J].科技資訊，2012，17：85.

TG333

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2095-2066（2016）34-0275-02

2016-11-14