六辊轧机小辊径工作辊变形受力分析①

2015-01-13严国平

冶金设备 2015年6期

严国平

(中冶南方工程技术有限公司技术研究院湖北武汉430223)

1 引言

六辊轧机的辊系由支撑辊、中间辊与工作辊组成。其中，工作辊与带钢直接接触并直接参与对轧制带钢的板形控制。故而，工作辊的力学性能很大程度上影响了六辊轧机板形控制能力。通常，如果工作辊径较大时，工作辊采用单轴承支撑可以从力学性能上满足板形控制要求，但如果工作辊径较小时，这种单轴承支撑方式就很难满足板形控制要求。

对于辊系的计算，一些研究者进行了研究。白剑等［1］利用VB 与ANSYS 软件结合完成了六辊轧机辊系变形的有限元仿真。张清东等［2］根据特殊辊廓曲线建立了六辊CVC 轧机辊系三维弹性变形的有限元模型并顺利完成了计算。赵建国等［3］采用改进的Coulomb 摩擦模型对轧机辊系三维接触问题进行了有效计算。严国平［4］采用有限差分法对工作辊变形进行了解析求解。以上这些都是针对单轴承支撑的工作辊进行的计算，适用于较大辊径的工作辊。通过辊系受力的解析推导，并结合有限元计算方法对双轴承支撑的小辊径工作辊进行了挠度计算，计算结果对工程设计具有良好的指导作用。

2 辊系受力分析

辊系受力分析示意图如图1 所示。根据力及力矩平衡原理，可以得到如下计算式，其中，式(1)为各计算角度表达式，式(2)为各轧辊水平力及相互作用力的表达式。

图1 辊系受力分析图

式中 α—轧制力与铅垂线夹角，单位为°;

T1—前张力，单位为kN;

T0—后张力，单位为kN;

P—轧制力，单位为kN;

γ1—工作辊、中间辊中心连线与垂线的夹角，单位为°;

eiw—工作辊相对于中间辊偏移，单位为mm;

Rw—工作辊半径，单位为mm;

Ri—中间辊半径，单位为mm;

Rb—支撑辊半径，单位为mm;

φ1—N1与工作辊和中间辊中心连线之间的夹角，单位为°;

M—单根工作辊上的轧制力矩，单位为kN·m;

Fbw—工作辊弯辊力，单位为kN;

ρw—工作辊辊颈处摩擦圆半径，单位为mm;

k1—工作辊与中间辊间滚动摩擦系数;

φ2—N2与支撑辊和中间辊中心连线之间的夹角，单位为°;

k2—支撑辊与中间辊间滚动摩擦系数;

ρb—支撑辊辊颈处摩擦圆半径，单位为mm;N1—工作辊和中间辊间作用力，单位为kN;N2—支撑辊和中间辊间作用力，单位为kN。

式中 Fbi—中间辊弯辊力，单位为kN;

F1—工作辊水平力，单位为kN;

F2—中间辊水平力，单位为kN;

F3—支撑辊水平力，单位为kN。

3 双轴承支撑的工作辊变形分析

3.1 双轴承支撑的设计思路

由于工作辊较小，为了提高小辊径工作辊抗挠曲能力，将工作辊一侧设计为双轴承支撑［5］。为了避免弯辊时两轴承之间受力的相互干涉，将其中一个轴承设计为滑动副结构形式进行规避。图2 中，外部轴承利用事先加工的带特定方向的滑动副的轴承套进行包装，然后将其全部嵌入轴承座中，用以仅承受轧制方向的弯辊力，内侧轴承利用事先加工的带特定方向的滑动副的轴承套进行包装，然后将其全部嵌入轴承座中，用以仅承受水平方向的力。

图2 方案细化图

3.2 工作辊受力计算

根据工作辊的受力状况，对工作辊进行分析。建立三维模型，并对其进行单元划分，在轴承处施加轴承约束。如图3 所示。图中，序号1 为轴承(一)施加的轴承约束，序号2 为轴承(二)施加的轴承约束，序号3 为工作辊上施加的水平作用力。水平力依据式(1)与式(2)计算得到。计算参数如表1 所示。将双轴承支撑与单轴承支撑进行对比分析，结果如图4 所示。