75MN筒节轧机抱辊装置结构设计与计算

安开场 沈 亮 江 浩 盛爱军

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川610052)

75 MN筒节轧机从设备设计、工艺设计到产品制造设计均为公司自主设计并拥有自主知识产权。抱辊装置是筒节轧机的核心机构，对筒节产品质量起着决定性作用，用于控制大型筒节左右偏摆与降低环件椭圆度。筒节毛坯初始缺陷、轧制区域的不对称性、筒节进出口壁厚不同均会导致轧制筒节质心摆动，增加轧制的不稳定性，对轧机产生较大载荷冲击。因此，在筒节两侧添加抱辊装置，对筒节施加合适的抱辊力，控制轧制过程中筒节质心移动，保证轧制过程平稳。

1 抱辊装置结构及工作原理

1.1 结构组成

抱辊装置(定心装置)位于轧环机入出口侧，由抱辊臂、抱辊、液压缸组成，抱辊装配由抱辊缸驱动，抱辊的运动定位由液压缸控制，保证轧制过程稳定。工作时，抱辊装配固定在抱辊臂上。其结构如图1所示。

1.2 工作原理

抱辊装置的运动轨迹由机架两侧下部的抱辊液压缸控制，抱辊液压缸是通过压力调节抱辊位置与筒节接触，并提供压力，平衡筒节质心移动确保轧制筒节的稳定性，有位控和力控两种方式。摆臂机构绕固定铰点转动，为增力机构。在位控和力控模式下，当轧制中筒节质心发生偏移时，抱辊装置将质心推到竖直方向，保证轧制平稳进行，抱辊工作示意图见图2。

同时，抱辊又称信号辊。可用来控制外径尺寸，抱辊装置可反馈测量环件的直径，以辅助环件轧制测量工作。

1—筒节环件 2—抱辊辊子 3—摆臂 4—抱辊液压缸图1 抱辊装置主要结构Figure 1 Main structure of holding roller

图2 抱辊工作示意图
Figure 2 Working of holding roller

2 抱辊装置结构设计

2.1 抱辊受力分析

抱辊装置对轧制过程的稳定性极其重要。抱辊力的施加位置和取值必须能平衡筒节轧制过程中的质心偏摆，维持轧制的稳定性。当筒节在薄壁特大尺寸规格下，刚度较小，对抱辊力的取值要求较高。

抱辊的位置和摆臂结构是影响抱辊力的决定因素，因此必须分析研究合理的抱辊位置，确定摆臂的结构并进行受力分析，建立合理的结构模型，抱辊机构受力分析见图3。

1—筒节 2—抱辊力力臂L1 3—抱辊辊子 4—抱辊力力臂L2 5—液压缸铰支点 6—摆臂铰支点图3 抱辊机构受力分析图Figure 3 Force analysis of holding roller mechanism

2.2 抱辊摆臂结构

根据抱辊机构受力图分析，抱辊机构在最优情况下是省力结构，因此，找到最省力的机构图即可。为了尽量减少抱辊缸行程，同时满足大多数位置抱辊机构为省力机构，抱辊摆臂选用最优结构，如图4所示，摆臂受力杠杆比为最优。

图4 抱辊摆臂结构Figure 4 Structure of holding roller swing arm

3 抱辊装置参数计算

3.1 筒节弯矩

在环件轧制初段，抱辊力的作用主要是保证轧制过程稳定，在稳定轧制阶段，其主要作用则是校圆。合理的抱辊力对保证轧制过程的稳定和环件的校圆有十分重要的意义。因此有必要分析研究合理抱辊力的确定及影响因素，建立合理的模型，为制定控制方案提供原始模型。研究筒节在弹性状态下，分析筒节在抱辊力作用下的弯矩分布情况，分析其弹塑性状态的弯矩分布特性，分析筒节满足校圆目的又不致失稳的条件，确定合理的抱辊力条件。

根据抱辊力的作用，圆周上各处弯矩为：

0≤θ<φ时

φ≤θ≤π时

M=Frsin(θ-φ)+

式中，F为抱辊力；r为筒节半径。

3.2 校圆和失稳条件分析

从上述两式可得到任意两点(以下简称A、B点)的弯矩对抱辊力与筒节半径之积的无量纲比值为MFr，失稳弯矩对抱辊力与筒节半径之积的无量纲比值为MsFr。失稳态随抱角变化趋势如图5所示。此时，抱辊力与筒节半径之积对失稳弯矩的无量纲比值FrMs随抱辊角的变化趋势如图6所示。根据函数极值情况，当抱辊角φ在50°～80°之间时，筒节最容易发生失稳现象。

图5 弯矩对抱辊力与筒节半径之积的无量纲比值Figure 5 Dimensionless ratio between bending moment and product of holding roller force and shell ring radius

图6FrMs随抱辊角的变化
Figure 6FrMschanging with holding roll angle

3.3 抱辊力分析

通过以上计算得知，合理的最大抱辊力应小于失稳抱辊力。因此通过失稳抱辊力分析计算抱辊力，能够确保有足够的抱辊力，但又不致使筒节失稳。

4 结论

通过抱辊机构受力分析，确定摆臂的最佳设计方案，从弹性分析基础出发，分析了筒节在抱辊力作用下的弯矩分布规律，根据局部塑性变形特点及满足弹性计算体检的假设，作了非弹性条件下的弯矩分布推广，提出了合理的抱辊力需要满足的条件，得到了较简化的抱辊力计算模型及筒节轧机合理的最大抱辊力，并确定了最大抱辊力。对建立抱辊力的控制模型有重要意义。

75 MN筒节轧机为高效机电一体化设备，控制响应快，定位精度高，具有可靠性高、自动化程度高、操作界面好、故障检测及连锁保护完善等特点。与传统工艺相比，锻件利用率可达70%以上，生产效率提高50%以上，节能30%以上，节约原材料20%以上，综合成本降低30%以上。