一种新型万能轧机径向调节机构的设计

唐军龙 王南 李世然

摘 要：针对轧辊表面磨损后，轧件精度降低的问题，文章设计了一种新型小型万能精轧机的径向调节机构，可在线补偿轧辊的磨损量。首先利用SolidWorks建立各主要零件三维模型并进行装配。以轧制HW150×150小规格H型钢最后一道次为例，利用S.艾克隆德方法计算出轧制力，运用Workbench代替传统的材料力学方法对关键部件进行有限元分析，获得了轧制过程中关键部件的变形特性和应力分布情况。该调节机构用于轧机中将实现一机多用的柔性生产，节省设备投资，提高轧材精度、提高轧机生产效率，降低设备投资成本。

关键词：H型钢；万能精轧机；径向调节；Workbench

1 概述

H型钢具有诸多优点，其截面形状合理经济，且力学性能良好，同时截面上的各个节点延伸比较均匀、内应力较小，相较于普通工字钢，其具有重量轻、截面模数大、节省金属的特点，可使建筑结构重量减轻30%-40%；又因为H型钢腿内外两侧平行，腿端是直角，依靠组合成建筑结构，可节约25%的铆接、焊接工作量。被广泛应用于要求截面稳定性好、承载能力大的大型建筑，以及船舶、桥梁、起重运输机械、支架、设备基础、基础桩等。这些优良的特点都使H型钢拥有了广大的市场需求和宽广的应用领域。目前国内生产H型钢的厂家主要有马钢、津西等钢铁公司。但各厂家的型钢生产比较依赖国外技术，生产线主要从国外整体引进，设备的维护等工作都受到相应的制约，可见国内万能轧机的自主创新是十分必要的。此外传统万能轧机由四个轧辊所围成的孔腔是固定的，即轧辊径向是固定的，一般不进行径向调节，这就会导致当轧辊辊面磨损后，孔腔会变大，从而导致轧材的尺寸变大。当需要进行轧辊的径向调整时，往往是要用对轧辊进行单独传动来实现。但是轧辊单独传动的机器结构特别复杂和庞大。

文章基于这样的背景提出了一种新型小型万能轧机径向调节机构的设计，利用SolidWorks建立其三维模型并进行装配；以轧制HW150×150型钢为例，取压下量为1mm求得最后一道次轧制力；将关键承力部件模型导入Workbench中进行有限元分析，得出变形特性及应力分布规律。

2 机构三维建模及轧制原理

2.1 轧机径向调节机构的设计

该万能轧机径向调节机构主要有两个系统组成，分别是机架（附带压下装置）、辊系（包括轧辊、轴承座、支撑梁、锥齿轮等）。机架四边各均布有两个压下螺纹孔，用于安放压下螺丝；支撑梁分为宽腿支撑梁和窄腿支撑梁，如图1（a）、（b）所示，梁的内面开有燕尾槽，用于和轴承座底部的燕尾块连接，轴承座如图1（c）所示，外面有两个与压下螺丝相连的环形孔腔，两条腿部末端加工出与轴承座侧面燕尾槽相配合的燕尾块，并在一条腿部加工出圆形孔腔，用于安放轧辊轴，实现轧辊的轴向固定，此外宽腿梁腿部开有方形孔腔，这样可使窄腿梁的腿部穿过，装配时宽、窄腿梁交叉放置。

图1 主要零件三维图

2.2 机构特点与调节原理

方形机架四条边上装有压下机构，通过压下螺丝与对应的支撑梁连接，实现支撑辊系的压下；在支撑辊系内部，支撑梁与轴承座的连接处均采用燕尾块燕尾槽连接；锥齿轮1通过锁紧螺母2和键3固定在轴套8上，轴套8通过锁紧螺母5、端盖9、轴承10与对应轴承座4轴向相互固定，轴套通过滑键6与支撑辊芯轴7相连，与芯轴7同步转动并可沿其轴向移动，具体实施方式见局部视图2。装配时，上下压下机构连接宽腿支撑梁，左右压下机构连接窄腿支撑梁，假设四轧辊孔腔中心为原点，上下梁，左右梁均分别关于原点对称。下轧辊为动力输入端连接动力输出设备。

以上支撑梁压下为例介绍调节原理，如装配图3所示，压下螺丝3，带动宽腿支撑梁4向下移动，推动左右轴承座1及轧辊向下移动，完成对上轧辊的径向调节。同时上轧辊轴必然带动其两端的锥齿轮向下移动，上支撑梁腿部推动轴承座以及与该轴承座轴向相互固定的锥齿轮向下移动相同距离，从而在调节过程中，保持锥齿轮的啮合关系。同理可进行其他三辊的径向单独调节。

2.3 轧制特点

该径向调节机构可以实现相互交叉的四支撑梁相邻成90°布置，每个支撑梁执行压上或压下时，通过锥齿轮同步啮合而实现四轴各自的径向调节，达到孔腔的细微调整；该机构用于轧机时，可实现精密轧制，同时不改变锥齿轮的啮合关系；亦可实现轧辊磨损后或轧辊错位后的在线调整，减少了换辊作业，提高了生产率；通过拆除锥齿轮，可以实现四轴单独传动，或者两轴传动，同样保持各轴的径向调节功能；该调节机构可以用于管、棒、线材轧机或H型钢、工字钢等万能轧机的轧辊径向调节和传动，以及四辊管材轧机、四辊张力减径机和其他设备；此外该机构使得轧机整体尺寸减小，结构紧凑，大大降低了设备的制造、维护和使用成本。

3 关键部件静力学有限元分析

随着计算机辅助工程（CAE）技术在工業领域中应用的广度和深度不断发展，它在提高产品设计质量、缩短周期、节约成本方面发挥了越来越重要的作用。 Workbench软件具有强大的装配体自动分析功能和自动化网格划分功能[1]，因此文章采用它作为有限元分析工具。由于机构的对称性，选取机构四分之一装配体，去除倒角圆角等对分析影响较小的部分，作简化处理后整体导入Workbench中。

3.1 轧制背景

轧制背景为：轧制材料为Q235，压下前H型腹板厚度8mm，取压下量1mm。轧制温度取下限800℃，轧制速度为10m/s。各主要零件属性如表1所示。

表1 各主要零件的属性

3.2 轧制力的计算

型钢在孔型中轧制时，轧机被强迫宽展，同时孔型侧壁又限制了轧件的宽展，产生侧向压缩和较大的摩擦力。由于孔型的限制，变形区内金属变形很不均匀，因而在孔型轧制时应力状态很复杂。一般采用艾克隆德方法来计算型钢轧机轧制力[2]。因为水平辊的轧制力要大于立辊轧制力，所以单纯计算水平辊轧制力作为有限元分析的载荷。

艾克隆德提出轧制时的平均单位压力

Pm=（1+m）（k+？浊u） （1）

式中：m-考虑外摩擦对单位压力的影响系数；k-轧制材料在静压缩时变形阻力，MPa；？浊-轧件粘性系数，kg·s/mm2；u-变形速度，S-1。

总压力P为轧制平均单位压力Pm与轧件和轧辊接触面积F之乘积，即P=pmF；接触面积F的一般形式为

F=■L （2）

式中：b0，b1-轧制前、后轧件的宽度；L-接触弧长度的水平投影。综合各参数后，得出轧制力约为42吨。

3.3 载荷和约束的施加

在轧制过程中，主要零部件受力很复杂，包括轧制力、摩擦力、附加力、冲击力等，其中轧制力最大，其他力远小于轧制力，因此，忽略其他力的影响，只取轧制力为外载荷[3]。轧制力为42吨，作用于轧辊下母线，垂直向上。支撑梁背部的两个环形孔腔底部各承受压下螺丝给予竖直向下的21吨压力。支撑梁两腿端处施加零位移约束。

3.4 结果的分析

等效应力图如图4左图所示，最大值发生在轴承处，为181.25MPa，其余部分的等效应力均小于20.139MPa，支撑梁必须具有强大的强度储备，取安全系数为10，对于ZG270-500来说，其強度限？滓b=500～600MPa，许用应力[？滓]取50MPa，大于20.139MPa，满足强度要求。

有限元分析得到装配体的总变形如图4右图所示，变形最大处位于轧辊工作面处，最大变形位移为0.061824mm，辊面处的变形会影响轧件的精度但从轧制H型钢的实际情况来看，实际容许的变形量要比0.061824mm大得多，能够满足轧件的精度要求。

图4 装配体等效应力图（左）及总变形图（右）

4 结束语

针对传统H型钢万能轧机长时间连续工作辊面磨损后，孔腔变大造成轧件精度下降的问题，文章提出了一种新型径向调节机构，可动态调节压下量，在线补偿轧辊磨损量，实现精密轧制。对关键部件装配后，运用Workbench进行有限元分析，得出其变形特性和应力分布情况，其精度和强度均满足轧制要求。该径向调节机构用于轧机上，可减少换辊作业，会使生产效率相应的提高，具有良好的经济效益，同时节省设备投资，达到节能减排的目的，也具有良好的环境效益。

参考文献

[1]李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].（第三版）北京：清华大学出版社，2013.

[2]邹家祥.轧钢机械[M].（第三版）北京：冶金工业出版社，2007.

[3]郭年琴，刘超，胡明振.U3-500H型钢轧机机架的有限元分析[J].机械设计，2008，25（9）：74-75.

作者简介：唐军龙，在读研究生。