1580热轧锻钢复合支承辊数值仿真分析*

孙熙钊，刘振立

(1.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北 邢台 054025; 2.轧辊复合材料国家重点实验室，河北 邢台 054025)

0 引 言

复合支承辊是轧辊家族中的一个分支，其基本方法是用韧性较好的材料制成芯轴，用高硬度、高耐磨的材料制成辊套，通过过盈配合方式将芯轴、辊套联结成一体，组成一种新型的轧辊。这种轧辊具有较好的韧性、不易折断，又具有较高的硬度和耐磨性而不易磨损，综合机械性能良好。并且由于辊芯可重复使用，能节省大量费用。复合支承辊的应用和发展对防止断辊，降低辊耗，提高轧机作业率、降低轧制成本有着十分重要的意义。

笔者对锻钢复合支承辊应力分布、辊套厚度确定问题，利用大型有限元分析软件 ANSYS软件对进行了数值模拟，分析了不同辊套厚度、辊套和辊芯过盈量对装配表面等效应力的影响，以期为高性能热装组合式支承辊的设计提供理论依据。

1 数值仿真前处理

1.1 有限元模型的建立

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析。ANSYS Workbench是以项目流程图的方式，将各种数值模拟方法集成到统一的平台中，进而实现不同软件之间的无缝连接。以某钢厂1580热轧复合支承辊为研究对象，相关参数：辊套为锻钢套，辊轴为42CrMo，辊身直径为φ1500，辊身长度为1630，材料参数见表1所列。

表1 材料参数

以某1580热轧机组为背景，热装组合式支承辊如图1 所示，热装后辊套内表面和辊芯外表面紧密接触，装配结合面直径为d，辊套长度为L。

图1 镶套支承辊模型

1.2 轧辊材质的选择

轧辊材料的选择与轧辊工作特点及损坏形式有密切关系。支承辊对工作辊起到支承作用，要求支承辊刚度好且其始终与工作辊滚动接触，在过载时局部屈服使硬化层底部产生皮下微裂纹，微裂纹扩展最终造成辊身剥落，这就要求支承辊具有较高的接触疲劳强度，良好的应力状态和抗裂纹扩展能力；支承辊中部易磨损形成凹陷辊型，辊身两端接触应力剧增，导致掉肩剥落，要求轧辊耐磨性优良，延缓和减轻凹陷辊型的形成。支承辊使用周期长，辊颈也长期承受交变弯曲应力，要求辊颈具有良好的屈服强度、韧性和抗断裂性能。根据支承辊的工作特点和使用要求，选择辊套及支承辊辊芯的材质如下：辊套材质为锻钢材质，辊芯材质为42CrMo。

1.3 过盈量的选择

过盈联结在工程中有广泛的应用，特别是在一些传递大扭矩的场合。而要保证过盈联结的可靠性，关键是要合理确定过盈量的大小，从而选取合适的配合。如果过盈配合选择不当，将会导致联结失效，或在受载时产生滑动。因此必须充分考虑各种因素对过盈量的影响，合理计算过盈量及其相关配合。

常规的设计方法主要以类比法为主，复合轧辊的过盈量一般选择为轧辊直径的0.03%～0.1%，但工况不同，变化很大。

过盈连接传递载荷所需的最小过盈量为：

过盈联结件不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量。

1.4 网格划分

首先，由于轧辊的几何外形比较复杂，要对轧辊进行一系列的剖分，使之能划分六面体网格。其次，要对网格的有效性进行验证。网格划分并不是越细越好，网格数量太多反而会增加计算时间，降低效率。重点是使支承辊网格和轧件的网格互相匹配，这样才能获得精确的计算结果。为此，最终确定采用六面体结构化网格。

2 边界条件设置与分析计算

2.1 接触设置

生成接触对是整个分析的重要一步，所以要对一些参数进行设置。由于轴和套在联接时是过盈配合，轴的外表面和套的内孔面之间将构成面面接触对，摩擦系数为0.1。

图2 接触设置

限制支承辊的轴向移动，在设置约束时，分别定义支承辊两端面不可平移。辊身施加载荷1.96e+7N，两端主轴颈分别施加9.8e+6N。

利用ANSYS参数管理器，将辊套厚度和过盈量设为输入参数，在过盈量一定下，对不同辊套厚度产生的应力进行对比分析，等效应力设为输出参数，辊套厚度分别取100、110、120，如图3所示。

图3 辊套厚度和应力的关系

由图3可知，当过盈量为不变，辊套厚度为100、110、120时，应力分别为106.54、101.68、101.86 MPa，套厚为110时应力最小，所以套厚选取110较为合适。

2.2 建立辊套轴向应力分布

通过对辊套建立线性应力分布，得到支承辊沿辊身长度方向的应力值的分布情况，如图4所示，发现辊套端部的应力值较辊套中间的应力值较大一些，对辊套端部进行倒角处理，很好的抵消了由于轧辊弯曲造成的影响，减少一些应力集中点的存在。

图4 辊套轴向应力分布

3 结 论

(1) 通过对支承辊工作特点和失效形式的分析，对复合轧辊的材质进行了选择，辊套材料为锻钢，辊芯材料为 42CrMo。给出了辊套与辊芯过盈量的计算原则和方法，得出了过盈量的选择范围。

(2) 通过对比在辊套厚度分别为100、110、120时的应力值，套厚为110时应力最小，所以套厚选取110较为合适。辊套越厚，轧制过程中辊套和辊芯结合处影响越小，这有利于减少二者之间的滑动可能性。因此，如果强度和加工工艺允许的情况下，辊套可以选择厚一点，这样也可以为轧辊预留足够的磨削余量。

(3) 通过建立线性应力，辊套端部的应力值较辊套中间的应力值较大一些，最大等效应力在靠近辊套的边缘不远处，所以在设计辊套时为减小应力，在边部应设计有倒角。

(4) 通过对复合支承辊的分析、计算，得到了辊套厚度和应力的关系、辊套轴向应力线性分布情况，为复合式轧辊的研制提供了理论依据。