唐軍龍 王南 李世然

摘 要：針對(duì)軋輥表面磨損后，軋件精度降低的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種新型小型萬(wàn)能精軋機(jī)的徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在線補(bǔ)償軋輥的磨損量。首先利用SolidWorks建立各主要零件三維模型并進(jìn)行裝配。以軋制HW150×150小規(guī)格H型鋼最后一道次為例，利用S.艾克隆德方法計(jì)算出軋制力，運(yùn)用Workbench代替?zhèn)鹘y(tǒng)的材料力學(xué)方法對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，獲得了軋制過(guò)程中關(guān)鍵部件的變形特性和應(yīng)力分布情況。該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)中將實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的柔性生產(chǎn)，節(jié)省設(shè)備投資，提高軋材精度、提高軋機(jī)生產(chǎn)效率，降低設(shè)備投資成本。

關(guān)鍵詞：H型鋼；萬(wàn)能精軋機(jī)；徑向調(diào)節(jié)；Workbench

1 概述

H型鋼具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其截面形狀合理經(jīng)濟(jì)，且力學(xué)性能良好，同時(shí)截面上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)延伸比較均勻、內(nèi)應(yīng)力較小，相較于普通工字鋼，其具有重量輕、截面模數(shù)大、節(jié)省金屬的特點(diǎn)，可使建筑結(jié)構(gòu)重量減輕30%-40%；又因?yàn)镠型鋼腿內(nèi)外兩側(cè)平行，腿端是直角，依靠組合成建筑結(jié)構(gòu)，可節(jié)約25%的鉚接、焊接工作量。被廣泛應(yīng)用于要求截面穩(wěn)定性好、承載能力大的大型建筑，以及船舶、橋梁、起重運(yùn)輸機(jī)械、支架、設(shè)備基礎(chǔ)、基礎(chǔ)樁等。這些優(yōu)良的特點(diǎn)都使H型鋼擁有了廣大的市場(chǎng)需求和寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)H型鋼的廠家主要有馬鋼、津西等鋼鐵公司。但各廠家的型鋼生產(chǎn)比較依賴國(guó)外技術(shù)，生產(chǎn)線主要從國(guó)外整體引進(jìn)，設(shè)備的維護(hù)等工作都受到相應(yīng)的制約，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)萬(wàn)能軋機(jī)的自主創(chuàng)新是十分必要的。此外傳統(tǒng)萬(wàn)能軋機(jī)由四個(gè)軋輥所圍成的孔腔是固定的，即軋輥徑向是固定的，一般不進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，這就會(huì)導(dǎo)致當(dāng)軋輥輥面磨損后，孔腔會(huì)變大，從而導(dǎo)致軋材的尺寸變大。當(dāng)需要進(jìn)行軋輥的徑向調(diào)整時(shí)，往往是要用對(duì)軋輥進(jìn)行單獨(dú)傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是軋輥單獨(dú)傳動(dòng)的機(jī)器結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜和龐大。

文章基于這樣的背景提出了一種新型小型萬(wàn)能軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用SolidWorks建立其三維模型并進(jìn)行裝配；以軋制HW150×150型鋼為例，取壓下量為1mm求得最后一道次軋制力；將關(guān)鍵承力部件模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行有限元分析，得出變形特性及應(yīng)力分布規(guī)律。

2 機(jī)構(gòu)三維建模及軋制原理

2.1 軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該萬(wàn)能軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)系統(tǒng)組成，分別是機(jī)架（附帶壓下裝置）、輥系（包括軋輥、軸承座、支撐梁、錐齒輪等）。機(jī)架四邊各均布有兩個(gè)壓下螺紋孔，用于安放壓下螺絲；支撐梁分為寬腿支撐梁和窄腿支撐梁，如圖1（a）、（b）所示，梁的內(nèi)面開(kāi)有燕尾槽，用于和軸承座底部的燕尾塊連接，軸承座如圖1（c）所示，外面有兩個(gè)與壓下螺絲相連的環(huán)形孔腔，兩條腿部末端加工出與軸承座側(cè)面燕尾槽相配合的燕尾塊，并在一條腿部加工出圓形孔腔，用于安放軋輥軸，實(shí)現(xiàn)軋輥的軸向固定，此外寬腿梁腿部開(kāi)有方形孔腔，這樣可使窄腿梁的腿部穿過(guò)，裝配時(shí)寬、窄腿梁交叉放置。

圖1 主要零件三維圖

2.2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與調(diào)節(jié)原理

方形機(jī)架四條邊上裝有壓下機(jī)構(gòu)，通過(guò)壓下螺絲與對(duì)應(yīng)的支撐梁連接，實(shí)現(xiàn)支撐輥系的壓下；在支撐輥系內(nèi)部，支撐梁與軸承座的連接處均采用燕尾塊燕尾槽連接；錐齒輪1通過(guò)鎖緊螺母2和鍵3固定在軸套8上，軸套8通過(guò)鎖緊螺母5、端蓋9、軸承10與對(duì)應(yīng)軸承座4軸向相互固定，軸套通過(guò)滑鍵6與支撐輥芯軸7相連，與芯軸7同步轉(zhuǎn)動(dòng)并可沿其軸向移動(dòng)，具體實(shí)施方式見(jiàn)局部視圖2。裝配時(shí)，上下壓下機(jī)構(gòu)連接寬腿支撐梁，左右壓下機(jī)構(gòu)連接窄腿支撐梁，假設(shè)四軋輥孔腔中心為原點(diǎn)，上下梁，左右梁均分別關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。下軋輥為動(dòng)力輸入端連接動(dòng)力輸出設(shè)備。

以上支撐梁壓下為例介紹調(diào)節(jié)原理，如裝配圖3所示，壓下螺絲3，帶動(dòng)寬腿支撐梁4向下移動(dòng)，推動(dòng)左右軸承座1及軋輥向下移動(dòng)，完成對(duì)上軋輥的徑向調(diào)節(jié)。同時(shí)上軋輥軸必然帶動(dòng)其兩端的錐齒輪向下移動(dòng)，上支撐梁腿部推動(dòng)軸承座以及與該軸承座軸向相互固定的錐齒輪向下移動(dòng)相同距離，從而在調(diào)節(jié)過(guò)程中，保持錐齒輪的嚙合關(guān)系。同理可進(jìn)行其他三輥的徑向單獨(dú)調(diào)節(jié)。

2.3 軋制特點(diǎn)

該徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相互交叉的四支撐梁相鄰成90°布置，每個(gè)支撐梁執(zhí)行壓上或壓下時(shí)，通過(guò)錐齒輪同步嚙合而實(shí)現(xiàn)四軸各自的徑向調(diào)節(jié)，達(dá)到孔腔的細(xì)微調(diào)整；該機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)精密軋制，同時(shí)不改變錐齒輪的嚙合關(guān)系；亦可實(shí)現(xiàn)軋輥磨損后或軋輥錯(cuò)位后的在線調(diào)整，減少了換輥?zhàn)鳂I(yè)，提高了生產(chǎn)率；通過(guò)拆除錐齒輪，可以實(shí)現(xiàn)四軸單獨(dú)傳動(dòng)，或者兩軸傳動(dòng)，同樣保持各軸的徑向調(diào)節(jié)功能；該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以用于管、棒、線材軋機(jī)或H型鋼、工字鋼等萬(wàn)能軋機(jī)的軋輥徑向調(diào)節(jié)和傳動(dòng)，以及四輥管材軋機(jī)、四輥張力減徑機(jī)和其他設(shè)備；此外該機(jī)構(gòu)使得軋機(jī)整體尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊湊，大大降低了設(shè)備的制造、維護(hù)和使用成本。

3 關(guān)鍵部件靜力學(xué)有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的廣度和深度不斷發(fā)展，它在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短周期、節(jié)約成本方面發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。 Workbench軟件具有強(qiáng)大的裝配體自動(dòng)分析功能和自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能[1]，因此文章采用它作為有限元分析工具。由于機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，選取機(jī)構(gòu)四分之一裝配體，去除倒角圓角等對(duì)分析影響較小的部分，作簡(jiǎn)化處理后整體導(dǎo)入Workbench中。

3.1 軋制背景

軋制背景為：軋制材料為Q235，壓下前H型腹板厚度8mm，取壓下量1mm。軋制溫度取下限800℃，軋制速度為10m/s。各主要零件屬性如表1所示。

表1 各主要零件的屬性

3.2 軋制力的計(jì)算

型鋼在孔型中軋制時(shí)，軋機(jī)被強(qiáng)迫寬展，同時(shí)孔型側(cè)壁又限制了軋件的寬展，產(chǎn)生側(cè)向壓縮和較大的摩擦力。由于孔型的限制，變形區(qū)內(nèi)金屬變形很不均勻，因而在孔型軋制時(shí)應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜。一般采用艾克隆德方法來(lái)計(jì)算型鋼軋機(jī)軋制力[2]。因?yàn)樗捷伒能堉屏σ笥诹⑤佨堉屏Γ詥渭冇?jì)算水平輥軋制力作為有限元分析的載荷。

艾克隆德提出軋制時(shí)的平均單位壓力

Pm=（1+m）（k+？濁u） （1）

式中：m-考慮外摩擦對(duì)單位壓力的影響系數(shù)；k-軋制材料在靜壓縮時(shí)變形阻力，MPa；？濁-軋件粘性系數(shù)，kg·s/mm2；u-變形速度，S-1。

總壓力P為軋制平均單位壓力Pm與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即P=pmF；接觸面積F的一般形式為

F=■L （2）

式中：b0，b1-軋制前、后軋件的寬度；L-接觸弧長(zhǎng)度的水平投影。綜合各參數(shù)后，得出軋制力約為42噸。

3.3 載荷和約束的施加

在軋制過(guò)程中，主要零部件受力很復(fù)雜，包括軋制力、摩擦力、附加力、沖擊力等，其中軋制力最大，其他力遠(yuǎn)小于軋制力，因此，忽略其他力的影響，只取軋制力為外載荷[3]。軋制力為42噸，作用于軋輥下母線，垂直向上。支撐梁背部的兩個(gè)環(huán)形孔腔底部各承受壓下螺絲給予豎直向下的21噸壓力。支撐梁兩腿端處施加零位移約束。

3.4 結(jié)果的分析

等效應(yīng)力圖如圖4左圖所示，最大值發(fā)生在軸承處，為181.25MPa，其余部分的等效應(yīng)力均小于20.139MPa，支撐梁必須具有強(qiáng)大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，取安全系數(shù)為10，對(duì)于ZG270-500來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度限？滓b=500～600MPa，許用應(yīng)力[？滓]取50MPa，大于20.139MPa，滿足強(qiáng)度要求。

有限元分析得到裝配體的總變形如圖4右圖所示，變形最大處位于軋輥工作面處，最大變形位移為0.061824mm，輥面處的變形會(huì)影響軋件的精度但從軋制H型鋼的實(shí)際情況來(lái)看，實(shí)際容許的變形量要比0.061824mm大得多，能夠滿足軋件的精度要求。

圖4 裝配體等效應(yīng)力圖（左）及總變形圖（右）

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)H型鋼萬(wàn)能軋機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作輥面磨損后，孔腔變大造成軋件精度下降的問(wèn)題，文章提出了一種新型徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓下量，在線補(bǔ)償軋輥磨損量，實(shí)現(xiàn)精密軋制。對(duì)關(guān)鍵部件裝配后，運(yùn)用Workbench進(jìn)行有限元分析，得出其變形特性和應(yīng)力分布情況，其精度和強(qiáng)度均滿足軋制要求。該徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)上，可減少換輥?zhàn)鳂I(yè)，會(huì)使生產(chǎn)效率相應(yīng)的提高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)節(jié)省設(shè)備投資，達(dá)到節(jié)能減排的目的，也具有良好的環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：唐軍龍，在讀研究生。