高刚度小型轧机结构的经济方案.doc

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1、 高刚度小型轧机结构的经济方案 摘要 通过分析和计算说明现有短应力线轧机刚度高于普通牌坊式轧机的原因并非短应力线效应，而是将胶木瓦轴承改为滚动轴承,安全臼改为球面垫。按此思维进行了普通牌坊式高刚度轧机LCG2-300的 关键词 牌坊式高刚度轧机， 轴承选型一 问题的提出辊径250300的小型轧机遍布全国城乡各地，是小型材和棒线生产的主要设备。老的牌坊式结构被认为刚性差、轧制精度低，除粗轧机架外基本上被淘汰；从上世纪八十年代开始很多棒线生产线在成品机架和成品前机架已被各种型式的短应力线轧机替代；可以说短应力线轧机风靡全国。但是短应力线轧机在应用中也反映出以下几个问题：1.设备费用高：现有的短应力

2、线轧机以SY型为例，虽然工作机座重量较老的牌坊式轧机减轻约510%，但用户在选用短应力线轧机时除购置在线设备外还要买一套备用机架（而不是备用轧辊装置）和专用的拆辊机械；加之短应力线轧机结构复杂，切削加工量大，单位造价高；用户需要支出的总设备费用比普通牌坊式轧机高出30%以上。2.轴承寿命短：文献【】介绍，某特钢厂老式轧机使用国产球面滚子轴承二月左右消耗一套，改进轧机结构和轴承选型后可使寿命成倍增加。文献【】显示，使用四列短圆柱滚子轴承的SY短应力线轧机在唐山某厂的年消耗量高达45套，一般厂家的使用寿命也就是两月左右。轴承消耗量大不但增加了使用费用，而且频繁更换降低了轧机生产能力。3.轧辊轴向窜

3、动严重：文献【】介绍，经过改造后的SY型高刚度轧机，轧辊轴向窜动量仍达0.24mm，制约着轧件精度的提高，而且在线调整工序多、时间长，降低轧机产能。这个问题在众称先进的“红圈”轧机中也难以解决现有各种短应力线轧机为实现轧辊弯曲时球面垫自位在立柱导套中留有足够间隙的要求与防止上下轧辊轴向窜动引起孔型误差的要求是相互矛盾的。4.换辊操作消耗的工作量大；产品规格变化时孔型更换不方便。我们在评价一种新机型的实用价值时不能单看其在功能上的改进，还要考虑实现功能所需的全部费用包括设备制造费用和使用费用。从价值工程分析的角度看，笔者以为对于那些经济能力薄弱，生产规模要求不大的企业来说现有短应力线轧机并不是经

4、济适用的最佳选型，传统的牌坊式二辊轧机也能实现高刚度轧制。本文宗旨在于澄清一些理论宣传上的偏颇，对小型轧机的刚度提高问题作一新的探讨。二 短应力线轧机的机架刚度并不高几十年来国内外研究者都把提高小型轧机刚度的问题集中在缩短机架应力线长度的措施上，各种短应力线轧机已成为“高刚度”轧机的代名词，从定性的观点看这无疑是正确的。但从定量的观点看，国内现有的短应力线轧机不管是GY型或SY型，它们的机架刚度反而低于老的牌坊式二辊轧机。这一点可从短应力线轧机理论的研究与实践者在文献【】中为我们提供的以下刚度比较资料中明显看出。 项目轧机类型立柱高度mm立柱断面hb mm立柱刚度系数KN/mm普通闭式300轧

5、机1225220150471GY型短应力线300轧机662130286造成这个现象的原因很简单，从H.耶丁等人的机架变形表达式 （参见图一）fk=L/2F+L1/F1+L2/F2+K(W3/J)R/E 1 可以看出,机架总变形fk不但与各传力构件的应力线长度成正比，还与各构件的断面尺成反比。短应力线轧机与普通牌坊式轧机相比虽然应力线长度（L,W）缩短了，但构件断面尺寸(F)也减小了。为了证明这一点，笔者取SY230短应力线轧机和同规格牌坊式轧机进行了弹性变形的比较计算。计算公式取自文献【】【】，计算结果如下 （表一）机型项目SY230短应力线轧机300牌坊式二辊轧机(胶木瓦)LCG2-300牌

6、坊式二辊轧机(滚动轴承) 轧辊直径d 300轧辊辊身长度l 450辊颈直径180170160辊颈长度168180109机架立柱中心距W470590650轴承座中心距A750650690机架立柱断面尺寸130220150220150机架横梁高度h1290/260290/260机架窗口宽度B370430机架立柱长度L66211001160压下螺丝规格S11012S10012S10012压下螺母外径高度180180170180170180轴承座中心高k180220轴承外径宽度260168200180270109安全臼计算直径厚度6520球面垫直径厚度170/120159020标高调整垫板厚度1515

7、总轧制压力 PZ t100 轧辊弯剪变形 f10.31120.20720.2712上下横梁弯剪变形f210.1910.1010.123立柱拉伸变形f220.05940.03970.0418压下螺母压缩和螺纹弯曲变形f230.06280.07940.0794上下轧辊轴承座变形f40.0120.0152安全臼弯曲压缩变形f50.274球面垫压缩变形f60.00410.0075标高调整垫板压缩变形f70.00160.0016总变形量f1.051.1361.013轧机理论刚度系数C t/mm958898：对于短应力线轧机而言上下横梁弯剪变形即轴承座的变形，由于目前还没有一个准确的计算公式，表中所列数值

8、是根据文献【】提供的SY230轧机刚度实测数据K=853.62KN/mm及轴承座变形佔总变形量16.6%的结论推算而得。 从（表一）的计算结果可以看出三点：(1).SY230短应力线轧机机架系统的总变形量（f2=f21+f22+f23）为0.313mm，而同规格牌坊式胶木瓦二辊轧机的总变形量（f2）为0.22mm，前者比后者多出40%；虽然这个计算结果不可能很准确，但现有短应力线轧机的机架理论刚度并不比普通牌坊式轧机高的事实是显而易见的。（2）轧辊变形在轧机总变形中佔的比重最大，随机型不同达到3659%，其数值是机架系统变形的2倍左右。因此对于二辊轧机来说一但轧辊规格（直径d和辊身长度l）确定

9、，轧机的总刚度系数就基本定下来了，采用其它手段只能在有限范围内改善，不可能出现刚度系数成倍提高的效果。文献【】通过对340550GY型短应力线轧机和330750普通牌坊式二辊轧机的刚度测试数据作比较,得出“GYGY型短应力线轧机的刚度系数要比普通牌坊式轧机高24倍”的说法是不科学的。因为轧辊变形量随其长(l)径(d)比的不同会产生剧烈变化；所测试的两种轧机的轧辊，前者短粗，后者细长，没有可比性。（3）造成普通牌坊式轧机变形量大于短应力线轧机的主要原因有两条：a.胶木瓦轴承变形量大，佔轧机总变形量的18%，约为滚动轴承的2倍。b.安全臼的变形量高达轧机总变形量的24%，比机架系统的总变形量还大，

10、,约为球面垫的60倍。以上三点可以说明：促成短应力线轧机“高刚度”的根本原因并非“短应力线”效果，而是将胶木瓦轴承改为滚动轴承；安全臼改为球面垫。如果普通牌坊式轧机照此办理后也可达到“高刚度”。从（表一）中LCG2-300牌坊式二辊轧机(滚动轴承)的计算结果显而易见。三 安全臼弊大于利的安全设施 传统的型钢轧机设计中在压下螺丝与轴承座间设有安全臼（见图二），其作用是防止轧机超载时造成断辊或轴承损坏事故。安全臼既然要起到安全保护作用，其厚度“S”就不能取大，且材料也选用一般铸铁。这样造成安全臼的变形量（弯曲和剪切）很大。但由于材料性能和接触状态的不稳定，安全臼很难正确地起到安全保护作用；（表一）

11、中300牌坊式二辊轧机的成安全臼(尺寸如图二)的变形量虽然按圆形平板公式【】计算的结果高达0.274mm，但计算剪切应力只有1137Kg/cm2,对于强度极限为12001500Kg/cm2的一般铸铁来说还没超过破坏值，并不安全。 安全臼起不到安全保护作用，徒然增大轧机变形，降低轧机刚度，应该舍弃。事实上在SY型短应力线轧机和现代高速线材轧机上已用球面垫取代，起自位作用。由于小型轧机的轧辊和轴承强度考虑了过“冷”钢的要求，所以不易遭到破坏。四 接触变形是轧机工作刚度低于理论刚度的重要原因 从（表一）的计算结果和文献【】【】提供的测试数据可以看出轧机的理论计算刚度比实际工作刚度高很多。这中间除了各

12、种变形计算公式本身固有的近似性外，轧机各构件之间不能按计算设定的几何接触状态传力是重要原因。（图三）用夸大的画法表示出轧机各主要传力构件的理论接触状态和实际可能出现的最坏初始接触状态以及计算设定的载荷分布情况和实际临界接触状态的载荷分布情况；由于零件制造存在形位公差这种情况不可避免。 在实际初始接触状态由于构件受力条件恶化，轧机刚度很低，从状态达到理论接触状态需轧制压力达到某个临界值P0才能实现。反映在轧机弹性曲线（图四）上，轧制压力大于P0后变形与压力基本成线性关系，轧机刚度系数接近计算值；而在压力小于P0的0A段，变形与压力成非线性关系，轧机刚度系数低于计算值，且变化很大，我们称之为接触刚

13、度，对应临界压力P0的轧机变形量S0称之为接触变形。S0的大小与轧机构件表面粗糙度及形位偏差的累计成正比，P0的大小则与轧机构件的刚度和接触变形S0成正比；所以刚性好的零件如果没注意控制形位精度,可能使P0值很高，超过了轧制压力；轧制实际上是在接触刚度区进行。这就是轧机工作刚度低于理论刚度的主要原因。为了提高轧机整体刚性，各构件自然也得有好的刚度，这就要求有高的形位精度相匹配，才能保证轧机工作刚度接近理论值。然而你若查看一下那些老的轧机设计图纸，形位公差要求低甚至无要求的情况并不在少数。五 在小型轧机上用双列球面滚子轴承比四列短圆柱滚子轴承合理 小型轧机的轧制压力比板带冷轧机小，选用超宽系列双

14、列球面滚子轴承 改进轴承结构设计后也能满足使用要求。而对提高轧机刚度有以下两点好处：如前所述，轧辊变形在轧机总变形量中占得比重最大。缩短轧辊受力支点间的跨距是提高轧辊刚度最有效的办法。由于双列球面滚子轴承宽度较四列短圆柱滚子轴承短，可以达到这个效果。由（图五）可以看出A2A1。虽然选用双列球面滚子轴承时辊颈要适当减小，但其合成应力不会有明显增加。在选用四列短圆柱滚子轴承时需要在轴承座与机架横梁之间增设一个弧面垫板以减轻轴承的载荷集中现象，且轴承座中心高度也要足够大。弧面垫理论上是线接触受力，其接触变形是普通平垫板的三倍，在四辊轧机上占到总计算变形量的9.6%。而双列球面滚子轴承本身具有自位能力

15、，不需要弧面垫板，且轴承座中心高度也可取小些；由（图五）可以看出K2K1。这样可以将轧机总变形量减少约10%，起到提高刚度的作用。 其实双列球面滚子轴承在线材轧机上早已被采用,甚至在现有的进口棒材轧机上也在使用着。但这些轧机上的双列球面滚子轴承既承受轧制压力又承受轴向力,存在使用寿命低的问题。小型轧机用孔型轧制,轧制中轧辊及轴承承受的轴向力比板带轧机要大很多;而双列球面滚子轴承的标称能力是按纯径向负荷条件给出的,当存在轴向负荷时,其径向承载能力会急剧下降。本文建议在固定端轴承座上采用双列球面滚子轴承与双向推力球轴承的组合结构(如图五右),由双向推力球轴承承受轴向力；不仅使双列球面滚子轴承承载能

16、力和自位能力得已充分发挥,而且因双向推力球轴承的轴向间隙小,并可调节,提高了上下轧辊孔型的横向定位精度以及轧材的断面几何精度。四列短圆柱滚子轴承承载力大的前提条件是必须保证在工作中四列滚子能均衡受力.这对长径比较小(L/D1) 、刚性好的板带轧机支承辊来说容易做到,加之在轴承座地面增设了自位弧面垫板,可有效减轻四列滚子之间的偏载现象; 而对于长径比较大(L/D1.5)的小型轧机的轧辊来说,本身刚性差,弯曲变形大,很难保证四列滚子受力均衡,且在小型轧机上大多无法实现轴承的自位转动,例如: SY型短应力线轧机虽然在立柱螺母下设有球面垫,实际上轴承座转动不了;对预应力轧机而言,因需要施加预应力,轴承

17、座也转动不了.因此四列短圆柱滚子轴承用于小型轧机上偏载现象严重。根据有关资料提供的数据表明, SY型250轧机轴承滚子的峰值应力超过了最小值的两倍；这意味着在这种轧机上四列短圆柱滚子轴承的实际承载能力只能达到标称值的%75,比同直径系列的宽型双列球面滚子轴承强不多少。由于轴承寿命取决于重载列滚子的寿命,且与负荷成高次方关系（公式L=）,故从理论上讲实际寿命只能达到计算值的38%。由此可以看出在小型轧机上选用四列短圆柱滚子轴承并不能发挥其承载力大的优点，费用却比双列球面滚子轴承增加30%。六在上下轧辊轴承座间施加预应力可提高轧机刚度 在采用撑式平衡装置（见图六）时，加大平衡力到轧制压力的10%以

18、上，相当于给机架系统施加了预应力；使轧机传力构件之间在未过钢时已接近理论接触状态，减小了接触变形对轧机刚度的削弱。这种撑式平衡装置应该是一个具有一定刚度值Cp的弹性体,它还有提高轧机刚度的作用证明如下： 设上下轧辊的总刚度系数为C1，轧辊外构件的总刚度系数为C2,平衡装置的刚度系数为Cp。当轧制压力产生PZ的增量时：轧辊弹性变形的增量为 f1=PZC1；2轧辊外构件变形的增量（=平衡装置的伸长量）为 f2=PZ(C2+ Cp)；3轧机总变形的增量为 f=f1+f2=PZ C1+PZ(C2+ Cp) 4轧机的刚度系数为 C=fPZ=1（1/ C1+1C2 - CpC22 ） 5 从5式说明加大平

19、衡装置的刚度系数Cp值可以提高轧机刚度。从这一点看，用刚度系数大的组合碟型弹簧作平衡构件较为理想。七机架结构尺寸的合理设计 从有关资料介绍和（表一）所列的计算结果看，机架变形仅占轧机总变形量的16%左右。因此加大机架断面尺寸对提高轧机刚度的效果并不显著，徒然增大了设备重量。但在满足强度条件和适当目标重量的前提下，通过对机架横梁及立柱断面尺寸的合理匹配却可以得到一个最佳刚度值。而这种匹配结果随机架窗口高、宽比及断面形状和机架结构形式的不同变化很大，并无固定的规律可循，只能通过对多种尺寸匹配方案的变形计算结果进行优选。所以文献【】中“在设计闭口式机架时比值h1（横梁断面高度）h2（立柱断面高度）的

20、合理选取范围为1.752.05”的说法欠妥；对于压下装置设在窗口内的厚钢板焊接机架并不适用。 在按强度条件确定机架断面尺寸时，教科书中以轧辊断裂时机架不得产生塑性变形为前提，推荐取安全系数1012.5 。这里要指出的是，根据文献【】介绍：重庆大学对300mm四辊轧机牌坊用有限元法计算的结果表明在横梁与立柱交接处有很大的应力集中，其最大应力可达到按一般方法计算结果的四倍。所以笔者建议按纯拉伸确定立柱断面尺寸时考虑到小型二辊轧机立柱中由静不定弯矩引起的弯曲应力不超过拉伸应力的25%，取安全系数为（1012.5）41.25=5063；对横梁则可忽略静不定弯矩的影响按简支梁计算弯曲应力，取安全系数为（

21、1012.5）4=4050。对于常用的ZG270500铸钢机架，许用应力在立柱中为810 MPa；在横梁中为1012.5 MPa 。八在普通闭式二辊轧机上实现“高刚度”LCG2-300轧机技术 设计 通过以上论述说明在在普通闭式二辊轧机上实现“高刚度”是可能的。而且是一种提高小型轧机刚度的经济合理的途径。事实上在上世纪九十年代我国从美国和西德知名轧机制造厂家引进的高速线材轧机其粗轧和中轧道次都用的是牌坊式机架,多年的使用实践说明这些轧机都能生产出高质量的棒线产品。而在换辊、换孔型操作和工作稳定性，使用经济性方面优于短应力线轧机。为此笔者根据本文分析并综合吸收国内外现代先进的轧机设计思想完成了L

22、CG2-300轧机的技术设计,这种机型可适用于各种棒线轧制。其主要结构特征如下：机架为闭式整体焊接框架，刚性好，精度好，制造费用低。采用手动蜗轮蜗杆压下机构，自锁性能好，调整精度高，调整量指示精度可达0.01mm。轧辊装置采用特制双列球面滚子轴承，并在非传动端加双向推力球轴承作轴向定位。上轧辊可通过螺套结构作轴向调整，并有可靠的防松措施。轧辊的轴向窜动量可控制在0.15mm以下。取消安全臼和弧面垫板。对传统的锁板结构做了改进，为提高轧辊轴向刚度，减小窜动量创造条件；并最大限度地减少了由于轧制轴向力在轴承中形成的附加载荷。采用带预应力缸的碟型弹簧平衡装置。特制“C”形勾换辊或成对移出换辊。9.采

23、用端面齿法兰联结的SWC型接轴传动。轧机主要规格性能如下： 轧辊直径 330290 mm 轧辊辊身长度 450 mm 允许最大轧制压力（单边） 500 KN 允许最大轧制力矩 20 KN.m 上轧辊轴向调整量 2.5 mm 轧机理论刚度系数 980 KN/mm八结论1. 现场短应力线轧机的工作刚度高于普通牌坊式轧机的实际原因并非“短应力线”效果，主要是将胶木瓦轴承改为滚动轴承，安全臼改为球面垫。普通牌坊式轧机照此办理后也可达到同样刚度。2.小型轧机的轧辊轴承选用双列球面滚子轴承加推力球轴承的组合较选用四列短圆柱滚子轴承对提高轧机刚度有好处，且降低费用。3.LCG2-300轧机技术设计体现了高刚度小型轧机结构的新思维。他可以达到现场短应力线轧机同样的工作刚度，而在换辊、换孔型操作和工作稳定性，使用经济性等方面优于短应力线轧机。参考文献【】短应力线轧机的理论研究与实践 钟廷珍 等著 冶金工业出版社1997【】三铰拉杆方柱高刚度轧机 申光宪 全国小型连铸工作会议资料1994【】SY型高刚度轧机的改进 许景武 轧钢96.1【】板带车间机械设备设计 冶金工业部有色金属加工设计研究院 冶金工业社1983【】中小型轧机设计【】SY高刚度轧机及其在轧钢技术改造中的应用 李健 轧钢96.4