教学型四辊轧机辊系强度校核及三维建模★

2019-07-16秦卫伟段小勇程志彦

山西冶金 2019年4期

秦卫伟，段小勇，程志彦

（山西工程职业技术学院，山西太原 030009）

随着科技水平的进步和智能化的提升，轧钢设备也向着大型化、智能化的方向发展。国内外冶金、机械方面的专家学者一直致力于轧机的改进和设计，通过大量的理论研究和不断的实验，取得了相当可观的科研成果。一直以来对轧机的辊系的研究多是对钢铁冶金企业的轧机进行的，多数研究的也是轧机的内部因素及其相关关系。但目前，对教学型板带轧机的研究较少，只有部分学者对轧钢教学设备进行了相关研究[1-4]。本文以山西工程职业技术学院教学型四辊轧机为研究对象，对其辊系进行强度校核和三维建模，为以后进行教学型四辊轧机辊系有限元分析等研究提供了基础数据。

1 辊系强度校核内容

四辊轧机由2 个工作辊和2 个支承辊组成，在使用过程中，轧辊表面会发生正常磨损。通常情况下应力集中发生在支承辊辊身与辊颈处，由于设计不合理和操作使用的不规范，四辊轧机在轧制中，轧辊可能会发生断裂、辊表面剥离等现象，造成设备损坏，影响生产。实际使用过程中，需要制定压下规程，合理分配各道次的压下量，并验算轧辊强度是否满足此规程，以防止轧辊发生破坏。四辊轧机进行轧制时，除计算工作辊、支承辊的弯曲强度以外，四辊轧机中工作辊和支承辊在轧制中始终接触在一起，还要计算工作辊和支承辊的接触强度。找出轧辊容易变形、发生断裂破坏的位置和轧辊之间的疲劳破坏[5-6]。轧辊的参数如表1 所示。

表1 轧辊参数 mm

2 辊系强度校核

常用强度校核的方法有经验公式法和有限元计算法。本文采用经验公式法进行辊系强度校核。

2.1 四辊轧机支承辊强度校核

1）支承辊辊身的弯曲力矩。

为了简化计算，一般按轧制力沿辊身均匀分布计算支承辊的弯曲应力，其受力情况如图1 所示。

图1 支承辊受力情况简图

支承辊的弯曲力矩按式（1）计算。

则支承辊辊身中部最大的弯曲力矩如式（2）所示。

式中：P为轧制力；q为接触表面单位长度上的负荷，q=P/b；L0为压下螺丝中心距；L为支承辊辊身长。

最大轧制力P=700 kN，L0=630 mm。

故有支承辊辊身中部最大弯矩如式（3）所示。

2）支承辊辊身中部弯曲正应力如式（4）所示。

式中：W为支承辊辊身截面系数；D为支承辊辊身直径。

3）辊身的安全系数如式（5）所示。

支承辊的材质选择合金锻钢，本设计所选牌号为：9Cr2Mo，屈服强度σs=930 MPa。

经过计算可知，支承辊辊身强度符合要求。

4）支承辊辊颈的弯曲力矩Mj如式（6）所示。

式中：C2为支承辊轴承支点到辊身端面的距离（图1）。

5）支承辊辊颈的弯曲应力如式（7）所示。

式中：W2为支撑辊轴颈截面系数，W2≈0.1d32；d2为支撑轴颈直径。

6）支承辊传动端辊颈上的扭矩如式8 所示。

式中：Δh为压下量。

7）支承辊辊颈处的扭转剪应力和合应力分别如

式（9）、（10）所示。

式中：Mn为支撑辊轴颈传递的转矩；Wn2为支撑辊轴颈截面抗扭系数。

8）辊颈的安全系数如（11）所示。

经过计算可知，支承辊辊颈强度符合要求。

9）支承辊辊头扭转剪应力和弯曲应力分别如式（12）、（13）所示。

10）辊头安全系数如式（14）所示。

经过计算可知，支承辊辊头强度符合要求。

2.2 四辊轧机工作辊强度计算

一般情况下四辊轧机中的传动辊为工作辊，工作辊强度校核时需考虑两种应力，一是由带钢张力产生的弯曲应力，二是传递力矩产生的扭转应力。本文中的教学型四辊轧机，传动辊为支承辊，工作辊不承受扭矩，所以工作辊的强度计算无需考虑传递力矩产生的扭转应力。此外，工作辊在轧制力作用下所产生的弯曲力较小，可忽略不计。故本文不对工作辊进行强度校核。

2.3 四辊轧机辊间接触强度校核

在该教学型四辊轧机中，工作辊的转动由支承辊通过摩擦力来带动，故两辊之间存在较大的摩擦力，需对此接触力进行强度校核，其中，法线方向的最大应力位于接触面的中部，其大小可按赫兹方程求得，如式（15）所示。

式中：q为接触表面单位长度上的负荷，q=P/b；b为工作锟与支撑锟的接触长度，取工作锟的长度；r1及r2为相互接触的两个轧辊（工作辊和支承辊）的半径；K1及K2为与轧辊材料有关的系数。

式中：μ1、μ2及E1、E2分别为两轧辊材料的泊松比和弹性模量。

本文轧辊材料所选牌号为：9Cr2Mo，查表得，[σ]=2 200 MPa，[τ]=670 MPa，因为1 437 MPa<[σ]，436.9 MPa<[τ]，可见满足要求。

3 四辊轧机辊系三维建模

Solidworks 是基于Windows 平台开发的软件，设计人员只要使用过Windows 系统，就可以轻松的在计算机上进行三维实体设计了。在进行复杂部件进行装配时，只要将已经设计好的三维零件导入，通过Solidworks 的拖移、约束就可轻松完成装配。本文利用SolidWorks 进行辊系的三维实体建模，先进行单个零件的建模，然后进行辊系的装配。

3.1 工作辊、支承辊的三维模型创建

利用Solidwork 对工作辊和支承辊进行三维建模，教学型四辊轧机工作辊和支承辊的结构图如图2、图3 所示，两种辊的材料均为各向同性，其物理力学性能见表2。

图2 工作辊三维模型图

图3 支承辊三维模型图

表2 辊系材料的物理力学性能

3.2 辊系装配

该教学型四辊轧机由两个工作辊和两个支承辊组成，且四个辊布置在同一平面内，板带的轧制是在两个工作辊中间进行的。支承辊分别位于工作辊的上部和下部，用来支撑工作辊，直径比工作辊要大很多。工作辊、上支承辊和下支承辊装配体如图4、图5、图6 所示。装配完成后，根据教学型四辊轧机辊系的结构关系，创建教学型四辊板带轧机辊系的装配体，如图7 所示。

4 结论

通过对教学型四辊轧机的强度校核，得出了支承辊的辊身、辊颈处的最大弯曲应力分别为31.11 MPa、117.6 MPa，安全系数分别为29.9、7.9；辊身的最大弯曲变形发生在辊身中部，辊间接触强度则采用赫兹方程求得，最大接触应力为1 437 MPa。利用Solid－Works 对工作辊、支承辊和轴承座等零件进行三维建模，为后续进行静力学分析和模态分析奠定了基础。