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短应力轧机与弹性阻尼体研究
添加时间:2015-03-05    阅读次数:1906

引言

随着现代钢铁科技的发展,为实现棒、线材高产优质低耗,在中国,现代化的小型棒材及线材轧钢车间普遍采用了先进的短应力线轧机,它具有刚度大产品精度高、设备重量轻,操作简单,工作可靠等特点,已成为目前世界小型轧机使用最多的一种主导机型。

所谓短应力线轧机是指应力回线缩短了的轧机。这里所说的应力回线是轧机在轧制力的作用下机座等各受力件的单位内力所连成的闭合环线,简称应力线,受力件的弹性变形量又与其长度成正比,因此缩短应力回线的长度,就能减小轧机的弹性变形,提高机座的刚度。下面图(1)中的a、b两图是通常轧机和短应力线轧机两种轧机的应力回线图。

1 短应力线轧机的发展历史

通过缩短应力线提高轧机刚度这一理论的问世,为中小型轧机的设计开辟了新的途径。在这一理论的指导下,各国轧机设计师们在努力寻找缩短应力线的途径。

第一代高刚度轧机大约出现在20世纪40年代中期,由瑞典中央、莫格斯哈马公司研制的P500型无牌坊轧机。它最先开始摆脱了机座的传统设计思想的束缚,取消了传动轧机的牌坊,用拉紧螺杆将两个刚性很大的轴承座连在一起,缩短了应力线长度,如图(2)所示。这种轧机采用辊系全悬挂三角架侧边支撑结构,轴承座上端中部中有压下螺丝,通过四根拉杆实现上轴承座的升降来进行辊缝对轧制线的非对称调整。由于辊系采用全旋挂的支撑方式,所以无论是轴向调整还是在轧制状态,四根拉杆总是铅垂的而保证受纯拉力,因而这种轧机的杆系结构是稳定的。但是由于三角机架侧边支撑结构采用侧边轴向固定与调整,固定点距轧辊的轴向有一偏心距离,造成轴向刚度不高,而且三角架挡住了联接扳手空间,使接轴装拆不便。非对称调整增加了轧制中导位板的调整工作量。另外,它保留了单独的压下螺丝和上横梁,应力线缩短不够理想,且上轧辊轴和轴承座受压下螺丝传递集中载荷(轧制压力)的作用,受力情况较差,轴承受到影响。后来,瑞典人改进了第一代无牌式轧机,将上轴承座的集中载荷—压下螺丝,改为分散载荷,其下轴承座不变。这样就使得应力线进一步缩短,改善了上轴承座的受力情况。但主要缺点是不能实现对称调整,如图(2)所示。

第二代高刚度轧机是20世纪60年代以瑞典中央、莫格斯哈马公司研制的P600型轧机为代表的。与P500型轧机相比,它取消了压下螺丝和上横梁,因而使轧机应力回线又趋缩短,进一步提高了轧机的纵向刚度和轴承寿命。第二代高刚度轧机采用两根拉杆落地、两根拉杆悬空的辊系半悬挂三角机架侧边支撑机构,利用拉杆上、下部的正反扣螺纹,转动拉杆,实现辊缝对轧制线的对称调整,如图(3)所示。
第三代高刚度轧机由Pomini公司于20世纪80年代初研制成功,也称“红圈”轧机,“红圈”即指轧机的应力回线,如图(4)所示。这种轧机拉杆支撑由头部改到中部,整个辊系通过拉杆中部支撑在半机座式底座上,使轧机稳定性明显高于第二代高刚度轧机,同时通过加大拉杆直径,减小压下螺母之间的距离f,在s和S处加大轴承座厚度等措施使应力线尽量缩短来使轧机刚度进一步提高。

近20年来,国内外钢铁行业的工程师们也在不断的对短应力线轧机进行开发和研制,现阶段短应力线轧机的型式也都是基于红圈高刚度轧机。

2 目前现阶段的短应力轧机型式

短应力线轧机缩短应力回线,提高轧机刚度,一直是国内外钢铁行业工程师们努力的方向。目前,国外及国内使用的机型,结构型式及性能都是基于第三代红圈高刚度轧机的优化,保证了很好的产品精度及高的成材率。只是在平衡方式、防轴窜机构、密封等局部结构方面有些差异,但各自都有自己的特点、优势。

2.1机型描述

国外机型与Ceri机型详见图(5~8)

图8 Ceri机型

目前短应力轧机机型,都是由轴承座、球面垫、铜螺母、拉杆、支撑块形成的应力回线。轧制力作用在轧辊上,四列短圆柱滚子轴承承受径向力,止推轴承承受轴向力,蜗轮、蜗杆机构对上辊系进行轴向调整,调整量大多为±3~4mm。

压下装置通过圆柱齿轮,蜗轮、蜗杆,带动拉杆及铜螺母实现轧辊辊缝的对称调整,操作侧设有防轴窜装置。

机芯通过螺栓固定在机座上,机座通过滑板在底座上滑动,通过四个锁紧缸承受轧制时的倾翻力矩,锁紧缸弹簧锁紧液压打开,通过螺栓固定在底座上。

接轴托架通过液压缸与机座连接,对接轴设有自平衡装置,可以满足大开口度的要求。接轴采用可伸缩式的鼓型齿接轴或十字头万向接轴。轧机底座通过地脚螺栓固定在基础上。

2.2机型对比

以上是对现有国内外机型参数的一个简单的对比,是现阶段短应力线轧机的几种主体机型。

通过有限元软件Ansys workbench中轴承力的加载(Bearing load),轴承力载荷即在轴承座的圆柱面内,加载的力能够变量的分布在某个区域,跟实际轴承座的受力情况一致,可以方便得到准确的应力、应变值。

3.3拉杆、铜螺母的校核

由于轧制力的作用,拉杆和铜螺母由于压缩或拉伸的自身变形,根据轴的强度校核和虎克定律可以求得。对于拉杆和铜螺母连接螺纹的强度和刚度,利用有限元软件Ansys workbench中的柔-柔面对称面接触,仿真得出相应的应力和应变。

3.5轴承润滑量的计算

根据SKF提供的耗油量公式

油气润滑 Q=0.00003~0.00005*D*B

干油润滑 Q=0.03*D*B (Q耗油量ml/h,D轴承外径mm,B轴承列宽mm)

3.6接轴的强度校核
a、 鼓型齿接轴的强度校核,要进行齿面工作压力,齿面接触应力和齿剪应力等方面的验算。
b、 十字万向接轴的强度校核,要进行十字轴的弯曲强度,弯曲疲劳强度,接触强度,轴承寿命,叉头弯曲强度,焊缝强度等方面的验算。

4 短应力轧机的结构优化及发展趋势

目前,短应力线轧机做为小型轧机的主导机型,广泛应用于棒材、线材和型钢生产线,对提高产品性能、提高产品精度,起到了举足轻重的作用。但对于生产高精度圆钢、合金钢等高精端产品,短应力线轧机的刚度、轴向窜动、密封等结构还需进一步优化。以下是Ceri公司针对生产高精端产品,轧机结构优化后短应力轧机的特点:

1、 与轧钢工艺结合,提供最合理的辊径范围及辊身长度,配置最优的孔型;

2、 拉杆直径加大,间距减小,增加了轧机刚度;

3、 采用弹性胶体平衡装置,消除径向螺纹间隙;合理、稳定的变形曲线,增加轧机径向刚度;

4、 上轧辊设有轴向调整装置,采用双螺纹的小侧隙消除轴向螺纹间隙;

5、 球面垫的球面接触,完成轴承座的自适应,避免受力应变;

6、 防轴窜系统:轴承座与支撑块侧面约束,轴向弧面接触,使轴承座自适应;支撑与机座稳定约束;紧固螺栓提供预紧力;轴承座与螺母、弧面间隙的控制;从结构上保证轴窜量最小。

7、 辊系、拉杆系等的密封采用双重密封或多重密封;

8、 机芯整体更换,保证了作业率;拆辊间快速换辊及线外装配,保证轧机装配精度。

以上是轧机技术层面的结构优化。从技术上我们跟进口设备可以相媲美,某些程度上还高于进口设备。但由于同物不等价,国产化轧机的整体精度在机加工、装配等方面得不到保证,势必会对轧机的性能有影响,最终影响产品的性能和精度。所以,我们传统的理念有必要改变一下。另外,短应力线轧机的节能也势在必行,油气润滑代替干油润滑,不但润滑效果好,而且长远收益大。快换连接板的使用也是一种趋势。机械、液压和电器的连锁,轧机的自动控制也已很成熟。

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