轧辊轴承选型与校核计算CAD系统

2012-07-21张阗李雪飞

轴承 2012年9期

张阗，李雪飞

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039；2.河南科技大学，河南洛阳 471003)

1 轧辊轴承的常用配置形式

轧辊在工作时，需要承受很大的径向载荷和轴向载荷，常见的轧辊轴承配置形式有：调心滚子轴承；双、四、六列圆锥滚子轴承(对于轴向载荷很大的场合，可以组合止推轴承使用)；双、四、六列圆柱滚子轴承与止推轴承组合；以及用于多辊轧机支撑辊的背衬轴承等。其中最常用的是采用四列圆柱滚子轴承与止推轴承组合以及四列圆锥滚子轴承的配置形式。

1.1 四列圆柱滚子轴承与止推轴承组合

如图1所示，四列圆柱滚子轴承承受径向力(也有选用双列或六列圆柱滚子轴承)，具有载荷容量大、极限转速高、精度高、内外圈可分离且可以互换、加工容易、生产成本低廉、安装拆卸方便等优点；止推轴承承受轴向力，常用的止推轴承形式有双列圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、角接触球轴承、四点接触球轴承、深沟球轴承等多种类型，具体结构形式可根据轴向载荷与轧制速度来选用。

图1 四列圆柱滚子轴承与止推轴承组合

这种轴承配置形式不仅轴承寿命长，可靠度高，而且具有轧制成品精度高、易控制等诸多优点，所以目前应用最为广泛，多用于线材轧机、板材轧机、箔材轧机、冷轧机和热轧机等的支撑辊。

1.2 四列圆锥滚子轴承

如图2所示，四列圆锥滚子轴承既可承受径向力(也有选用双列或六列圆锥滚子轴承)，又可承受轴向力，无需配置止推轴承，因此主机显得更加紧凑。圆锥滚子轴承内径与辊颈一般采用松配合，安装和拆卸非常方便。

图2 四列圆锥滚子轴承

这种配置形式目前应用仍然比较广泛，如四辊热轧机和冷轧机的工作辊和开坯机、钢梁轧机等场合的轧辊。

2 轧辊轴承的选型与校核原则

轴承选型往往要综合考虑多种因素，而由于轧辊轴承的配置形式相对固定，其轴承的结构形式多采用四列圆柱滚子轴承、四列圆锥滚子轴承以及止推轴承，相对于其他应用场合，轧辊轴承的转速较低，一般情况下轴承转速都可以满足轧机工况条件的要求，因此对于轧辊轴承的选型工作主要集中在轴承的尺寸选择和寿命校核计算方面，其选型的主要原则如下：

(1)由轧制工况条件确定轧辊轴承的内径范围和轴承寿命预期，根据轧制工艺要求，不同位置的轧辊轴承寿命预期不同；

(2)轴承寿命计算满足预期时，为减小轧机尺寸，应尽可能选择小尺寸轴承，即优先选择内径小的轴承，内径相同的条件下，优先选择外径小的轴承，内、外径均相同的条件下，优先选择宽度小的轴承；

(3)轧机在工作过程中，轧制力和轧制速度是不断变化的，很难精确计算每个工作周期内不同时间段轴承的载荷和转速，因此通常按照平均轧制力和平均轧制速度来确定每个轴承的载荷以及转速，进行轴承寿命的计算与校核。

3 系统的工作流程与主要模块

3.1 工作流程

该系统以Visual Basic 6.0为软件开发平台，以Access数据库作为后台数据库[1]，以AutoCAD作为图形处理软件[2]，进行软件开发。首先启动系统，用户根据轧机的类型，选择轧辊轴承的配置形式，输入轧机的工况条件(包括轧制力、弯辊力、轧制速度及预期寿命)，系统根据内置的计算程序，计算各个轴承的内径范围，以及单个轧辊轴承的载荷情况与转速，再通过预期寿命从内置的轴承数据库中选择满足条件的轴承，当内置数据库没有合适的轴承时，也可以通过外部输入，最后对选定的轴承进行校核计算并输出结果，系统工作流程图如图3所示。

图3 系统工作流程图

3.2 主要模块

该系统主要包括外部载荷计算、数据库查询和输出结果等功能模块。

其中外部载荷计算模块内置了多种典型的轧辊轴承配置方案，程序能够根据轧机的工况条件，自动计算各个轧辊轴承的内径范围，以及各个轴承承受的载荷与转速。对于支撑辊轴承，其内径尺寸范围按照轧辊辊颈的60%～65%计算；工作辊轴承内径尺寸范围按照工作辊辊颈的55%～60%计算。支撑辊轴承径向载荷按照轧制力的50%计算，轴向载荷根据轧机的类型按照轧制力的1%～5%计算；工作辊轴承径向载荷按照弯辊力计算，轴向载荷与支撑辊轴承相同。支撑辊轴承和工作辊轴承的转速按照轧制线速度除以相应轧辊辊颈的周长计算。对于最大轧制力、最大弯辊力以及最大轧制速度，根据不同的轧机形式，程序按照乘以系数(0.6～1)的方式得到平均轧制力、平均弯辊力以及平均轧制速度。

程序设计时，每一种典型轧辊轴承的配置形式都以单独的模块形式储存(独立于数据库查询模块)，该模块包括轧辊轴承内径范围、载荷、转速的计算，以及轴承结构形式的选择界面，确定了上述参数后，调用数据库查询模块进行轴承的选型。由于模块是独立储存的，当有新的轧辊轴承配置形式时，只需添加相应的程序代码，计算轧辊单个轴承的内径范围、载荷、转速，并添加相应的轴承结构形式选择界面，通过得到的计算结果，调用数据库查询模块，即可进行新配置形式轧辊轴承的选型，程序适用的范围可以很方便地进行拓展。

数据库查询模块采用Access 数据库系统，以轴承型号、外形尺寸、安装尺寸、额定载荷及计算系数等参数为字段，对不同结构形式的轧辊轴承分别建立数据表。将程序计算得到的轴承的内径范围和预期寿命作为查询条件，通过SQL语句查询得到满足条件的轴承。当数据库中没有合适的轴承时，可以通过外部输入轴承参数，再进行校核计算，这样能够更好地完善系统。

以同时承受径向力Fr和轴向力Fa的四列圆锥滚子轴承为例，由于计算轴承当量载荷时，需按Fa/Fr与计算系数e比较，从而确定当量载荷系数X，Y，在进行查询时可分别按照Fa/Fr≤e和Fa/Fr>e两种情况进行查询，再通过Union合并，具体代码如下

Dim Sql As String，Tbl as string

Tbl = "四列圆锥滚子轴承"

Sql = "SELECT * FROM " & Tbl &

" WHERE " & _"e >= " & (Fa / Fr) & _" and Cr / (1 * " & Fr & "+Y1 * " & Fa & ") >= " & _(L * n * 60 / 10 ^ 6) ^ (1 /ε)

Sql=Sql & " union SELECT * FROM & Tbl & WHERE " & _"e < " & (Fa / Fr) & _" And Cr / (0.67 * " & Fr & " + Y2 * " & Fa & ") >= " & _(L * n * 60 / 10 ^ 6) ^ (1 /ε)

其中：四列圆锥滚子轴承为数据表名称；Cr，e，Y1，Y2为字段名，分别对应额定动载荷及计算系数；Fr为径向载荷；Fa为轴向载荷；L为轴承预期寿命；n为轴承转速；ε为寿命指数。

输出结果模块将轧辊轴承的选型与校核计算的结果，用“Open…For Output”语句建立文本文件，通过“Print”语句将结果输出到该文本文件；使用“GetObject”和“CreateObject”函数联接 AutoCAD对象，作为图形处理软件，使用“Documents.Open”函数加载所对应结构形式的轧辊轴承图形模板文件，使用“HandleToObject”函数获得图形文件中需要修改的标注和文本对象，通过修改标注对象的“TextOverride”属性和文本对象的“TextString”属性，将得到轴承的外形尺寸、安装尺寸以及额定载荷等参数输入，最终以图形文件的形式输出，用户能够非常直观地看到选型和校核计算的结果。