浅析六辊可逆冷轧机辊系结构参数影响

胡 俊，李文越（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

浅析六辊可逆冷轧机辊系结构参数影响

胡 俊，李文越（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

在原料钢材的加工当中，辊系是一个十分重要的部分，使钢材根据需求变成相应的形状。在轧机当中，辊系也是十分关键的部分。在轧机牌坊周围，设置了相应部件，用以对辊系进行安装、调整和支撑，从而确保带钢顺利功过工作辊。本文主要分析了六辊可逆冷轧机的辊系结构参数影响，以期能够为轧机轧辊的设计与开发提供借鉴和思考。

六辊；可逆冷轧机；辊系；结构参数；影响

前言

在当今社会中，随着科技的发展，冷轧带钢正在逐渐得到广泛的应用，例如电器、电子、食品罐头、精密仪器、汽车制造等领域，都需要应用带钢，同时对带钢的性能也提出了更高的要求。对此，钢铁企业应当致力于对生产技术水平的提升，通过对新设备的积极研发，更好的满足用户的使用需求。在这样的背景下，冷轧板带轧机设备得到了极大的发展，出现了六辊可逆冷轧机，使得生产效率和钢材质量都得到了有效的提升。

1 辊系的理论设计

1.1 辊系理论设计依据

冷轧滚的形态一般为圆柱形结构，包括了传动辊头、辊颈、辊身等部分，如图1所示。其中，辊头也叫做轴头，其与驱动装置利用联轴器连接，辊头的作用主要是对减速机输出力矩进行传递，常见的包括带键槽辊头、万向辊头、梅花辊头等形状。辊颈在外部安装了轴承，对轧制力进行承载，轧制力通过轴承向轴承座传递，经过支承辊轴承座及压下装置，到达牌坊。常见的辊颈是圆柱形辊颈，对四列圆锥滚子轴承进行安装，在外侧设有开口环，能够加快换辊速度。此外，还有圆锥形的辊颈，主要与油膜轴承配合使用。辊身是具有最大直径的部分，其与带钢直接接触，需要承受冲击、高压、高温条件。

图1 冷轧滚的结构

1.2 轧辊间接触应力

在两个轧辊之间，辊间轮廓接触的位置，受到压力接触后，两会发生形变，发生区域弹性压变。在接触面上，具有二次抛物线状分布的应力，其中，产生压应力最大的方向为Z轴的方向。按照轧辊表面硬度，能够对许用应力进行查询，如表1所示，根据得出结果判断接触应力是否满足要求。在辊面接触区，材料上各点具有三向应力的情况，对于较大接触应力也能进行克服。在与接触面逐渐远离的过程中，接触应力也会发生衰减，因而对于轧辊并不会产生太大的不良影响。在轧辊相向转动时，会有周期性交变切应力发生在接触区，同时力的方向会正反交替改变，因而可能导致辊面剥落的情况发生。

1.3 六辊轧机辊系变形

在轧机设计当中，轧辊的弹性变形是一个十分重要的参数，在轧机总变形当中，占据着很大的比例。在辊系变形当中，主要受到温差、外力等因素的影响，具体包括轧制带钢时的反作用力，中间辊窜辊造成的变形，轧制带钢是辊面的接触变形，辊间接触造成的变形，以及轧辊温差造成的热变形等[1]。对轧辊弹性变形的研究，可以采用有限元法、弹性基础梁法、影响函数法、解析法等进行研究。和切应力相比，弯矩造成的弹性变形要更大。在轧制过程中，轧辊之间的接触应力较大，接触区在受到挤压之后，或发生变形，从而造成柱状轧辊轮廓的变形。

表1 轧辊许用应力

2 辊系有限元接触与模型

2.1 有限元方法及原理

有限元法主要是将研究对象进行切分，得到体单元、面单元、梁单元、杆单元等多个连续小单元，利用公共节点连接各个单元。通过这种方式，能够简化复杂问题得出近似结果。在实际应用中，首先将实体模型转换为离散模型，进行网格划分，然后对位移函数进行选择，对单元刚度矩阵及方程进行推导，对等效节点力进行计算，对单元方程进行组装，最后对未知节点位移进行求解，并对单元应力进行计算。

2.2 ANSYS接触

在日常工作及生活中，接触现象十分常见，例如轴承接触、齿轮啮合、以及辊间接触等[2]。接触问题是一类非线性问题，在模型接触的位置发生非线性现象。接触区域未必是永远接触，根据研究模型状态的改变，接触受到外部原因、约束原因、荷载原因的影响，也会发生变化。在对两个直接接触物体进行分析时，应当确保接触面之间未发生相互穿透现象。在接触问题的类型当中，主要包括了刚体-柔体接触、柔体-柔体接触等。在ANSYS当中，对于不同类型的接触，有相应的方法进行解决，同时能够解决点和面的接触问题。

2.3 六辊轧机辊系有限元模型

在辊系模型面-面接触的分析当中，首先对辊系有限元模型进行创建和划分，然后对接触类型进行识别，对相应的实常数和未知数、关键选项等进行设置。对必要的边界条件进行施加，对求解选项进行定义，对接触问题进行求解。在有限元模型创建中，首先利用ANSYS软件，对实体模型进行建立，然后对辊系材料属性进行设定，进而对网格进行划分。在辊间接触问题的研究中，两个工作中的辊面会发生接触，并将这两个辊面作为一个“接触对”，并通过实常数号进行识别。在辊系当中，施加的主要边界条件包括弯辊力荷载、轧制力荷载等，同时对轧辊两端位移进行约束。

3 辊系强度和刚度的影响因素

3.1 辊系强度

在生产轧制过程中，轧辊会受到多种应力的综合作用，与带钢之间，长期存在温差变化、挤压接触等情况，因而会发生较大程度的磨损，造成辊面表层剥落或发生断裂等情况，可能造成严重的安全事故。在生产当中，这种破坏及磨损情况通常是难以彻底消除的，不过，可以通过相应的方式，对破坏及磨损的诱因进行减少，从而延长轧辊的使用寿命。在实际应用中，轧辊的破坏来源主要包括了最初设计阶段，制造阶段、使用阶段等。基于此，可在设计初期对安全系数进行增加，对以上问题进行克服。

3.2 弯辊及窜辊的影响

在当前的社会中，对于冷轧带钢产品的要求越来越高，要求其必须具有满足要求的外观形状，而通过对辊缝的调节，能够对板型厚度均匀程度进行控制。在实际生产中，轧制受力变形、生产使用情况、工艺冷却效果等，都会对辊缝形状产生影响[3]。轧辊具有不固定的温度，在初始和稳定的轧制阶段，会具有不同的温度，在辊芯、辊面之间会发生温度传递，因而会对轧辊凸度产生影响。在工作当中，轧辊和工件之间，以及轧辊和轧辊之间，由于受到轧制循环应力的影响，因而会发生磨损，造成辊形的变化。

3.3 有限元模型的验证应用

在轧机辊系当中，主要的参数包括支承辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度、过渡圆弧半径，中间辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度等，工作辊的辊身直径、辊身长度、辊颈直径、辊径长度、总长度等。在六辊可逆冷轧机的实际应用当中，通过对轧制带钢后的辊间接触应力，以及带钢宽度方向厚度差的测量，能够对有限元模型进行验证。在一定的范围内，平均辊间接触应力会随着单位轧制力的增加而变化，不过整体的接触应力趋势并不会发生根本性的变化。通过有限元计算结果与现场取样计算结果的对比，得出较为相似的结果，因而证明了有限元模型的正确性。

4 结论

在当前的钢铁生产当中，六辊可逆冷轧机是一个十分重要的设备，对于生产带钢产品的效率和质量都有着重要的影响，其中，辊系是冷轧机当中的重要部分，对冷轧机的工作性能会产生直接的影响。基于此，本文主要对六辊可逆冷轧机辊系结构的参数影响进行了分析，同时建立和验证了相应的有限元模型，以期为辊系结构的进一步优化提供借鉴。

[1]曹建国，张勇，杨光辉，孟小明，曹立潮，周学会，王正凯.UCM六辊冷轧机中间辊辊形研究[J].中南大学学报（自然科学版），2011，04：966～971.

[2]张建波，郭丽丽，赵 峰，孙庆安，李学帅，刘维民，刘 耀.米诺六辊UC轧机轧制黄铜板材板形问题分析 [J].有色金属科学与工程，2014，05：74～78.

[3]胡可柱.改造冷轧机辊系提高轧辊利用率的探讨——以国内通用HC型六辊冷轧机为例[J].科技资讯，2012，17：85.

TG333

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2095-2066（2016）34-0275-02

2016-11-14