宽厚板轧机支撑辊辊颈圆角受力分析与优化

邓华 方威

摘要：宽厚板轧机是轧制生产线的主要设备之一，目前普遍采用工作辊驱动的四辊形式，其中支撑辊的主要功能为支撑工作辊，其使用性能直接影响板材质量及经济效益。支撑辊在使用中承担了轧制过程的大部分轧制弯矩，在交变载荷下易在辊颈R角部位产生应力疲劳，而应力集中部位工作环境较差，其动密封结构会在此处产生磨损从而加剧应力集中情况。本文通过对支撑辊进行有限元分析优化了辊颈部位的尺寸结构，大幅降低了应力水平。

关键词：宽厚板支撑辊应力集中对称循环

The Stress Analysis and Optimization ofNeck Arc Angle with Wide and Heavy Plate back-up roll

DengHua FangWei

（Xiangtan Iron and Steel Co.，Ltd.of Hunan Valin Xiangtan 411101，China）

Abstract：The wide and heavy plate mill is one of the main equipments of the rolling production line.At present，the four-roller form driven by the working rolls is generally used.The main function of the back-up rolls is to support the working rolls，and the performance of the back-up rolls directly affects the quality of the plates and economic benefits.The back-up roller bears most of the rolling bending moment of the rolling process in using，and it is easy to generate stress fatigue at the R angle of the roll neck under the alternating load.The working environment of the stress concentration part is poor，and the dynamic sealing structure will be here.Wear occurs at the site to increase stress concentration.In this paper，the finite element analysis of the support roller optimizes the size structure of the neck of the back-up roller and greatly reduces the stress level.

Keywords：wide and heavy plate；back-up roll；Stress concentration；Symmetric cycle；

前言

宽厚板轧机是轧制生产线的主要设备之一，目前普遍采用工作辊驱动的四辊形式，其中支撑辊的主要功能为支撑工作辊，其使用性能直接影响板材质量及经济效益。见图1宽厚板轧机模型[1]。

由于支撑辊的直径远大于工作辊直径，因此其承受了大部分的弯矩，而工作辊则用于承担扭矩。在轧制时支撑辊的辊身始终保持与工作辊辊身滚动接触，支撑辊在弯矩的作用下其辊颈由于横截面突然变化存在辊径R角的起始位置及终了位置的应力集中。当支撑辊旋转一周时，R角的弯曲正应力完成一个循环交变周期的加载过程，拉压变曲正应力呈交互变化（R=-1），见图2支撑辊变曲应力分布。另外，支撑辊辊颈R角区域的工作环境恶劣，存在潮湿、腐蚀的情况，一旦此区域出现裂纹，裂纹将会在交变应力的作用下不断扩展。当裂纹扩展到临界值时，在外部载荷过大的情况下支撑辊将会瞬间断裂，造成重大生产影响及设备损失。

某宽厚板厂精轧机是四辊可逆轧機。由于产量不断的提高，钢种结构发生变化，导致原来的生产工艺已不能满足要求，在控轧控冷的工艺要求下，采用了低温大压下减少轧制道数从而提升钢板性能。在大压下的情况下轧制力极高，导致支撑辊辊颈R角应力升高。由于该宽厚板厂投产较早，采用国产支撑辊，当时制造工艺不够成熟，制造过程中精确控制材料成分及有害元素的能力偏低，铸造缺陷难以控制，锻造工艺较差，导致安全系数偏低。同时该宽厚板厂的支撑辊设计辊形在辊身与辊颈处的过渡区截面尺寸落差过大，导致其设计结构本身存在着明显的缺陷。因此在实际应用中出现了多次辊颈R角部位的断裂事故，造成了巨大损失。

分析事故原因有如下几条：1、支撑辊载荷过大，经常达到设计轧制力、甚至有超轧制力的情况；2、支撑辊制造质量差，实际UT探伤检查发现内部缺陷较多，力学性能检测数值也偏低；3、支撑辊辊颈部位结构不合理，辊身与辊颈部位过渡区的截面尺寸落差太大；4、支撑辊辊颈部位的密封结构设计不合理，密封对辊颈R角部位作相对转动，造成R角部位有周向磨损情况，实际使用中发现R角部位有磨损的周向细槽，进一步增加了此部位的应力情况。针对以上事故原因提出了如下应对措施：1、由于生产结构的限制，对轧制力超设计的情况予以限制，避免超轧制力的情况，但由于产量及品种结构的限制，难以有限控制；2、对新制支撑辊提出更高要求，包含了机械性能及缺陷等级，确保产品质量；3、对支撑辊辊颈部位的结构进行受力优化分析，提出新的结构形状，降低应力、并应用在新制支撑辊上；4、对辊颈R角部位的密封结构重新设计，匹配新制支撑辊，将与辊颈R角部位接触的密封改为静密封，避免R角部位的磨损造成的应力集中加剧的情况[2]。

本文主要针对上文的提到的第3点应对措施作详细分析说明，采用有限元法对R角部位进行受力分析求解危险截面应力场，并根据应力情况对R角部位的尺寸形状进行优化，同时对比应力情况从而找出最合理的辊颈R角结构形状。

1支撑辊有限元模型的建立及模拟

单独对支撑建立有限元模型，如图3。采用六面体单元对支撑辊划分网格，并在支撑辊辊颈R角区细化网格。共划分186304个节点和127071个单元，单元平均尺度为147mm，最小尺度为20mm，如图4。然后对支撑辊的辊身添加零位移约束。另外对两侧与油膜轴承锥套配合的辊颈锥面部位施加8000T的载荷，如图5。

对支撑辊进行有限元应力分析后得到图6的支撑辊主应力状态图，（a）显示为第一主应力，（b）显示为第三主应力。由此可见远离工作辊的R角部位是处于三向拉应力状态，应采用最大主应力进行强度计算。而靠近工作辊的R角部位是处于三向压应力状态。因此可以判断支撑辊R角的最大主应力位置从远离工作辊的一端旋转到靠近工作辊的一端的过程中，其应力状态是从三向拉应力转变为三向压应力，该部位的应力处于对称循环应力状态，与前文分析相符[3]。

2支撑辊R角部位的尺寸结构优化分析

在确认R角部位为危险截面后进一步分析R角的尺寸大小对应力所产生的影响，初步分析为增加危险截面的R角尺寸可以降低此处的应力水平。图7为初始设计的支撑辊R角部位的尺寸，由两个圆弧段、一个直线段及一个斜线段组成。其中斜线段用于与密封相配合，优化时可以适当减小长度，直线段用于测量辊颈锥面起始位置的尺寸，也可以适当减小长度，危险截面在靠右侧的圆弧段。在增加危险截面尺寸后将会导致斜线段的长度减小，实际优化过程中将直线段的尺寸减小至3.54mm并留出测量部位，这样可以有效增加危险截面的直径从而降低应力。同时可以发现当危险截面的R角部位尺寸增加至R130时斜线段的尺寸将会减小至11.38mm，此时斜线段由于太短，将不利于与密封唇口的接触，而改为R120时斜线段的尺寸为18.38mm，可以满足密封结构优化的条件，见图8R角部位的优化尺寸图。因此在分析时认为危险截面的R角部位改为R130是极限尺寸[4]。

在确定完危险截面的R角部位的尺寸优化方案后分别对不同尺寸大小的R角部位进行有限元分析并得出相应的应力值，见表1危险截面R角部位尺寸优化后的应力对比值。

通过表1可以发现随着R角尺寸的增加（从R65mm增加至R120mm），S1（Y）从556.3MPa减小至438.2 MPa（减小21.2%），应力减小程度明显。特别是当直线段从15mm减少至3.54mm时应力减小明显，这一点与前文分析相符，而当直线段减少至3.54mm后，通过减小R角的尺寸时应力是逐渐减小的。

3.实际改造应用

在经过对R角的有限元优化分析后确定了将R角由R65改为R120的方案，同时优化了直线段的尺寸。随后针对前文提及的密封结构进行了重新设计并匹配了改造后的支撑辊及轴承座，改造完后的密封结构从原来的动密封改为静密封，避免了密封长期使用导致的R角磨损造成的应力集加剧的情况。同时对新制支撑辊的制造工艺提出了更高的要求。目前改造后的支撑辊结构已实现应用，状况良好，可以满足改造要求。

4.结束语

本文以某宽厚板厂支撑辊为研究对象，针对使用情况及事故分析情况提出了优化支撑辊辊颈处R角的尺寸结构从而显著降低应力水的方案，从而提高了支撑辊的使用寿命。本文得出如下结论：

（1）在静载荷作用下，支撐辊辊颈部位的R角存在应力集中。在远离工作辊的R部位为三向受拉情况，而靠近工作辊的R角部位为三向受压情况，此部位处于循环对称应力状态。

（2）通过减小辊颈R角部位的直线段的长度可显著增加R角部位的危险截面的直径，从而显著降低其应力水平，但不能完全取消该直线段以避免辊颈锥面的起始处的尺寸难以测量的情况。

（3）通过增加辊颈R角的尺寸可有效降低其应力水平，但需要考虑密封的后续改造，以保证密封性能。

参考文献

[1]王国栋，中国中厚板轧制技术与装备.2009，北京：冶金工业出版社.

[2]王德俊，平安，徐灏，随机疲劳载荷的处理及载荷谱编制准则.东北大学学报，1994（04）：p.327-331.

[3]赵永翔，杨冰，张卫华，随机疲劳长裂纹扩展率的新概率模型.交通运输工程学报，2005（04）：p.6-9.

[4]Allegri，G.and X.Zhang，On the inverse power laws for accelerated random fatigue testing.International Journal of Fatigue，2008.30（6）：p.967-977.

（作者单位：湖南华菱湘潭钢铁有限公司）