Φ550短应力线轧机设计

550 短应力线轧机摘要型钢几乎涉及了日常建筑、生活设施的各个方面和国民经济的各个部门，在国民经济中占有重要地位。 借鉴国内外先进理论和经验，设计一台短应力线轧机。设计过程中对压下规程进行优化，并计算了轧制力和轧制力矩，使轧机设备性能得到充分发挥，同时对其变性理论、轧制工艺和轧辊的设计进行了深入的研究。全文全面阐述了短应力线轧机的结构特点和设计原理，论述了短应力线轧机较普通轧机的优点。整个设计过程采用了精确的计算公式，并配合以详细的受力分析及结构示意图的重要部件进行了校核。 关键词：型钢 ；短应力线轧机；变性理论 AbstractWith the continuous increasing requirement of the milling precision and the continuous development of the rolling technique, short stress path high rigidity rolling mill become very popular in recent years. It is a very important question in the structural designing of short stress path high rigidity rolling mill that whether the bearing chock of the rolling mill can self-align freely and whether the self-aligning pad can come into partial loading status or even into damage because of the bearing chocks deformation. So it has very important theoretical and practical significance to study the vital structure parameters of the rolling mill. Profiled bar is almost relate to all fields in daily life and all departments in national economy. It takes a very important part in national economy. Using the experience of home and abroad for reference. A new short stress line roll mill is designed . In design optimum of the draughty schedule is used and rolling force and rolling torque are calculated,which is to improve the property of the mill.In the meantime,a thorough research is done about the theory of the mill. Technology design and manufacture of roll. The structure principles and design features of short stress line roll moll.The design adopt some precise calculation formula and provide some full and allurate picture of analysis for and structure.Keywords： rofiled bar；hort stress line roll mill ；thory of deformation摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 钢轧机的分类 .11.2 中小型及线材轧机的发展及趋势 .21.2.1 中小型材状况及其发展趋势 .21.2.2 线材生产及其发展 .3第 2 章 短应力线轧机的结构特点分析 .32.1 短应力线轧机的机械结构特点 .32.1.1 辊系装配 .32.1.2 轴向调整机构 .22.1.3 压下螺母与球面垫 .22.1.4 辊缝调整机构 .22.1.5 轧辊平衡装置 .22.2 与普通牌坊式轧机相比短应力线轧机的优点 .22.3 线成品架轧机的轧辊轴向窜动控制 .22.3.1 短应力线轧机轴承的结构和特点 .22.3.2 圆锥滚子轴承的装配形式 .32.3.3 短应力线轧机产生轴向窜动的原因分析 .32.4 短应力线轧机防窜辊技术研究与应用 .82.4.1 轧机窜辊的原因 .82.4.2 防窜辊技术的主要内容 .8第 3 章 短应力线轧机的形式 .33.1 传统棒、线材轧机结构演变 .33.1.1 轧材尺寸精度与轧机机座刚度的关系 .33.1.2 小型棒、线材轧机工作机座的演变途径 .43.2 预应力轧机的原理及特点 .53.3 短应力线高刚度轧机原理及特点 .73.3.1 高刚度轧机发展概况及结构演变 .93.3.2 高刚度轧机在推广使用中遇到的问题 .113.4 HGR 型轧机及其结构特点 .133.4.1.机架 .143.4.2.轧辊轴承装配 .153.4.3 轧辊装置装配 .163.4.4.辊缝调正用蜗轮箱装置 .173.4.5 横向调正和锁紧装置 .173.4.6.传动接轴 .183.5 SY 短应力线轧机自位机构改造探讨 .193.5.1 轴承烧损的主要原因 .203.5.2 SY 短应力线轧机自位机构分析 .213.6 轴承座弹性变形 .233.6.1 轴承孔载荷分布 .233.6.2 轴承的使用于维护 .253.7 弹性阻尼体技术及其应用 .283.7.1 弹性阻尼体性能 .283.7.2 弹性阻尼体的制备及性能特点 .293.7.3 弹性阻尼体的应用 .29第 4 章 短应力线轧机的计算与校核 .34.1 轧制力与轧制力矩的计算 .34.1.1 计算平均单位轧制力 Pm .34.1.2 计算轧制压力 P .24.1.3 轧制力矩的计算 .34.2 轧辊强度及挠度的校核 .34.2.1 有槽轧辊的强度校核 .44.2.2 轧辊挠度的校核 .54.3 轴向调整装置 .64.4 压下螺丝的校核 .7结束语 .2参考文献 .3致谢 .5第 1 章 绪论1.1 钢轧机的分类型钢生产历史悠久，品种规格繁多，用途广泛，在轧钢生产中占有非常重要的地位。据统计各类形状的型钢有 1500 多种，尺寸规格达 3900 多个，在我国型钢被广泛应用在能源、交通、农田水利、房屋建筑等基础设施。据 1997 年的统计资料表明，我国型材的比例占钢材总量的 62.62%，远远高于 30%的世界水平。 型钢轧机按照其用途及生产产品的规格可以分为轨梁大型、中小型及线轧机三大类。大型轧机的轧机形式有万能钢梁轧机、横列式、大型轨梁轧机、跟踪式轧机，中小型轧机的轧机形式有横列式中型轧机、连续式中型轧机、横列式小型轧机、半连续式小型轧机、连续式小型轧机，线材轧机的轧机形式有横列式、半连续式、连续式、高速线材轧机。1.2 中小型及线材轧机的发展及趋势 1.2.1 中小型材状况及其发展趋势 我国中小型型钢品种包括碳素钢和低合金钢的简单断面和异型断面的型材以及合金钢的简单断面型材。发达国家中小型型材的比例占钢材总量的的 615%。我国成品钢材中，中小型材占 2030%，其中大部分是小型型材。我国中小型材生产于发达的工业国家相比差距很大，尤其是产品质量、品种不能适应市场对小型材应变的要求，主要表现在以下几个方面： （1） 横列式轧机数量多， 这部分轧机平均产量低， 大部分形不成经济规模，导致能耗高，劳动生产率低，成本高，经济效益差。 （2）生产工艺简单，设备陈旧，许多轧机两火成材，不能与连铸坯衔接。 （3）原料断面小，单重低，成材率低。 （4）轧机设备水平低，刚度差，产品精度低。（5）车间综合装备水平低，缺乏机械化和自动化。 随着国内钢铁工业的发展和钢铁市场有卖方市场转变为买方市场，由国内竞争转变为国际竞争，中小型材产品必须做到高质量、高效益，要做到这一点，我们必须充分发挥已建或在轧机的作用，在完全消化吸收引进设备的先进技术前提下，必须加速对现有横列式轧机的技术改造。 （1）淘汰一批工艺落后、设备陈旧、形不成规模、产量低、能耗高、劳动生产率低、成本高、缺乏竞争能力的调坯轧材的横列式轧机。 （2）对一些具有炼钢、连铸设备的企业，采用可靠的新工艺、新技术、新设备对现有轧机进行全面改造，实现连续化，采用连铸坯，一火成材。 （3）对于那些改造成连轧有困难，但自身条件好，具有特色的调坯轧材的横列式轧机，要提高轧机的装机水平，采用高刚度轧机，提高产品尺寸精度，降低能耗，并且充分发挥横列式轧机的优点，生产一些特殊断面、小坯量型材。 （4）小型材轧机的改造要立足国内设计、制造。 中小型型钢轧机的产品发展趋势：由简单断面型材向高刚度方向发展，异型断面型材向轻型薄壁化方向发展。从轧机布置形式上，中小型型钢轧制向着半连续化、连续化方向发展，尤其是小型材生产。从装备水平上，广泛采用短应力线、高刚度轧机，并且有的轧机可以进行平、立转换，扩大了轧制产品的品种，提高了产品质量。 1.2.2 线材生产及其发展 我国自 80 年代以来，线材生产有了长足的进步和发展，线材产量及消费量不断提高，我国线材产量占钢材产量的比例及占世界线材总产量的比例比较高。但我国虽然已是线材生产大国，但与先进国家仍有很大的差距，主要表现在高速线材的比例低，硬线及合金钢等高附加值线材比例低，控冷线的比例低，总体质量水平低。 我国目前高线比例仅为 42%，其余均由复二重式或横列式轧机生产。复二重式或横列式轧机工艺技术落后，产品尺寸精度低，盘重小，规格少，性能差，耗能高，在冶金生产结构调整中应予以淘汰并建高线轧机代替其生产。线材轧机的演变是朝着高速、连续、无扭、单线、组合结构、机械化、自动化的方向发展的，用户对线材产量、盘重、精度、性能等方面的不断增长促进了线材轧制的发展。第 2 章 短应力线轧机的结构特点分析2.1 短应力线轧机的机械结构特点 近几年，在冶金机械线棒材行业中，短应力线轧机因具有投资少、见效快、安装调整方便、易于操作、轧制废品少、重量轻等优点，受到轧钢厂家的普遍欢迎，定货量呈上升趋势。因此对短应力线轧机的结构特点进行深入的分析，对今后产品的设计、制造是非常有必要的。短应力线轧机是一种高刚度轧机，在轧制过程中，轧制力所引起的内力沿各承载零件分布的应力回线缩短。该轧机主要由辊系装配、辊缝调整机构、轴向调整机构、拉杆装配等组成。 2.1.1 辊系装配 由于采用了四列短圆柱轴承，其轴承寿命长，承载能力大，但四列短圆柱轴承只能承受径向力，不能承受轴向力，故又采用了双列角接触球轴承来承受轴向力，由于四列短圆柱轴承的外圈可以自由脱出，这样内圈就可以事先套在轧辊辊颈上，外圈则可先装入轴承座内，将轴承座推到辊颈上与内圈配合，轴承座与轧辊的装配就变成了轴承本身的自装配。从该装配可以看出，轴承和轴承座受力情况好，且由于该轧机取消了集中载荷的压下螺丝，采用四列短圆柱轴承，使轴承受力均匀，应力降低，故与牌坊式轧机相比轴承寿命有显著提高。 2.1.2 轴向调整机构 该机构是由一轴通过轴套与万向联轴器相连接，进行外置式轴向调整。该机构调整方便，结构设计新颖。 2.1.3 压下螺母与球面垫 压下螺母通过标准螺钉与轴承座联接在一起，即压下螺母不能相对于轴承座转动。当拉杆转动时，压下螺母带动轴承座升降，实现辊缝的调整。压下螺母在所有的零件中受力比较大，且更换不方便，调整时与拉杆螺丝相对运动发生摩擦，故选用耐磨材料；但由于它与拉杆相比较，制造简单，体积小，所以螺母材料应略次于拉杆材料；为防止挤压面胶合，压下螺母材料选用铸造青铜。球面垫与压下螺母配合调心起一个铰链点的作用。当轴向调整轴承座或安装误差使拉杆被迫歪斜时，球面垫允许拉杆有一个小范围的摆动以减小轴承的边缘负荷，提高轴承寿命，球面垫要满足硬度和表面耐磨性的要求。2.1.4 辊缝调整机构 辊缝调整机构用于调整辊缝的大小。由于调整行程比较小，且不需要经常调整，所以采用手动或液压马达压下，该装置采用大传动比的蜗轮蜗杆减速，因此省力，结构紧凑。图 1 为辊缝调整机构原理图，由一套蜗轮蜗杆带动拉杆旋转实现辊缝调整，即四个蜗轮与一个长蜗杆相啮合，每个蜗轮又与辊系一个拉杆以键相联接，蜗杆轴上安装有内齿圈和外齿轴套两个齿形离合器，可以同时压下，也可以单侧压下，选用齿形为花键的牙嵌离合器，这种齿形可以传递较大的力矩且容易啮合。压下机构调整完毕后，蜗轮蜗杆传动机构能自锁。从辊缝调整机构可以看出，由于取消了压下螺丝，进一步缩短应力回线，提高了该轧机的刚度，从而获得了高精度产品，减少了轧制废品，提高了轧机产品成材率。拉杆上、下两端有旋向相反的T 形螺丝起压下螺丝作用，拉杆上顶端与蜗轮箱配合，下顶端与小底座配合，它联接上、下轴承座，代替普通轧机的牌坊承受轧制力、支承辊子及压下机构的重量，并且参加压下传动实现对称调整。因此，要求拉杆具有较高的强度、刚度和较好的韧性，能承受交变负荷且要耐磨，故拉杆采用S34Cr2Ni2Mo。采用这种结构实现了对称调整，保证了轧制线固定不变，从而，使导卫装置的调整、安装、维护都很方便，减少了操作事故和工艺事故，提高了成材率和作业率。 图 1 辊缝调整机构2.1.5 轧辊平衡装置 由于轴承座及上轧辊的自重使拉杆螺丝与压下螺母之间产生间隙。此间隙若不消除，则轧钢时将在间隙处产生冲击，影响整个机座的刚度，因此必须采用平衡装置来平衡上轴承座和上轧辊的重量以消除间隙。 2.2 与普通牌坊式轧机相比短应力线轧机的优点 由于缩短了应力回线，提高了轧机的刚度，从而获得了高精度产品；设计紧凑，体积小，重量轻，简化了装配，减少了大量的基础工作；在轧制期间更换辊环时，导卫装置保持在原有位置，不需要更新移动；轧辊辊缝对称调整，保证了轧制线固定不变，因而，延长了导卫装置的寿命。 需要解决的问题: (1)短应力线轧机都备有二套以上的辊组，换辊时将旧辊组取下，换上新辊组，所需的备件多，包括轧辊、轴承座、拉杆、蜗轮箱、蜗杆等，相对增加成本。 (2)由于压下螺母受力较大，且更换不方便，如有损坏，需要将整套辊组及蜗轮箱等全部更换。 (3)短应力线轧机各部件的加工精度高，所需要加工设备精度高。 2.3 线成品架轧机的轧辊轴向窜动控制 高刚度轧机具有精度高、换辊及调整方便等优点。但由于轧机在安装、维修等方面仍存在问题, 造成产品尺寸时有超差现象。轧机轴窜、轴向不稳定是造成钢材尺寸超差的一个主要因素。 因此, 减少甚至消除轴向不稳定造成的轴向窜动成为一个亟待解决的问题。2.3.1 短应力线轧机轴承的结构和特点 短应力线轧机成品架轧辊轴承四列短圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承。四列短圆柱滚子轴承仅承受径向力, 既轧制力, 不承受轴向力; 圆锥滚子轴承承受轴向力, 用于轧辊的轴向定位, 防止轧辊的轴向窜动。2.3.2 圆锥滚子轴承的装配形式 圆锥滚子轴承安装在轧辊的一端, 即四列短圆柱滚子轴承的外侧, 如图 1 所示, 圆锥的安装方式。错误的安装会造成装拆困难, 甚至无法定位等。两盘轴承之间(外圈) 加一定距环, 以保证两盘轴承之间有一定的游隙,以保证两盘轴承之间有一定的游隙, 一般掌握在 0. 03mm 0. 05mm 之间。图 1 短应力线轧机轴承布置图 1 轴承座 2 螺钉 3 端盖 4 轴承 5 轴套 6 螺钉 7 定距环 8 内端盖 9 轴承 10 轧辊2.3.3 短应力线轧机产生轴向窜动的原因分析2.3.3.1 轧机布置的影响 五架短应力线轧机成横列式布置, 如图 2 所示。两架轧机之间用齿接手连接, 轧机转速为 493r m in, 电机功率为 1250kW , 在轧制过程中一o般有 3 4 架轧机同时过钢, 传动扭矩较大, 每轧一条钢就有一次冲击载荷, 同时由于齿接手使用一段时间后, 产生磨损, 间隙较大, 传动轴随着跳动和轴向窜动, 其后果造成对轧辊有一定的轴向冲击力, 而且这个力是周期性的。 图 2 横列式轧机布置示意图2.3.3.2 轧制过程的影响 在轧制过程中, 过钢次数增加, 导板不断磨损, 造成导板之间间隙变大, 轧槽的不均匀磨损, 轧件跳出围盘时, 也是左右摆动, 较为剧烈, 这就造成了轧制力不仅仅是径向力, 而且还有一定的轴向力(这个轴向力也是不稳定的)。 2.3.3.3 轴承固定分析 短应力线轧机的轴向调整机构是由 11 条 M 14140 螺栓紧固在一起。圆锥滚子轴承与轧辊是靠 3 条 M 2050 螺栓来固定。从图 1 所示看出至少有 5 个部件是靠螺栓联结在一起, 由于加工精度的影响和螺栓预紧力的不均匀, 在一定载荷的冲击下, 必将产生一定的间隙。 从以上几个方面分析来看, 传动轴在传动过程中产生的轴向力是一定频率下的轴向振动所致, 而轧件在轧制过程中使轧辊在轴向上也要产生一定频率下的振动, 这两个力在一定的条件下就有可能产生周期性振动,其振动的结果必然产生一个较大的轴向力作用于轧辊。从前面的结构分析, 如果轧机使用一段时间后紧固螺栓的预紧力减小, 轴承磨损后游隙稍微加大一点, 当振动频率相接近时, 振动增强, 使得轴承及相关部件的弹性变形也增加, 从而使轧辊轴向窜动加大, 当窜动量达到一定极限时, 造成批量废品。 2.3.3.4 装配后的轧机轴向窜动检测 短应力线轧机在线轧辊采用整机架更换, 轧机的装拆在装配间进行。轧机装配完毕后, 为保证轧机正常生产, 验证装配质量, 预防轴向窜动, 需对装配完毕后的轧机进行静态轴向窜动的测试。 (1) 测量工具 钟表式百分表, 磁性表架, 轧辊固定框。(2) 检测方法 用固定框架将两轧辊轴头固定, 测量时,轧辊不发生相对转动, 以免造成测量数据出现误差。将下轧辊轴头端面擦拭干净, 将磁性表架磁块放到下辊端面上, 百分表触头与上轧辊端面轻轻接触。测试安装时必须保证百分表的触头垂直于被测量的轧辊端面, 否则会产生误差。 对轧辊施加力的作用, 见图 3, 施加力 测出 在百分表上可以读出数据, 1F1L施加力 ，测出 数据。2F2L图 3 测轴向窜动示意图F1，F2 作用力均大于 10kN , 上下两轧辊的轴向窜动量为 12L为了确保轧机正常生产及装配质量, 每装完一架轧机, 作一次静态轴向窜动检验, 将测得数据记录入册, 依此做为检验轧机装配质量及装配精度。生产实践证明, 轴向窜动量0.12mm 是能够满足轧机正常生产的。在实际生产中当有测试静态轴向窜动数据大于 0.12mm 这个数据时, 就应该更换推力轴承和减小定距环间隙了。(3) 两轴承外圈之间隙测量方法 将两盘推力轴承装成“外八字”形式放到专用工具的底盘上, 见图 4。用油压千斤顶给底盘施加约 49kN 力的预加载荷, 使两盘轴承内圈端面紧紧接触, 这时转动轴承内圈应活动自如。用块规测量两盘轴承外圈之间的距离 L 由测出的 L 数据来确定所需定距环原始坯料尺寸及精加工修磨尺寸。 图 4 测轴承间隙示意图 1 底座 2 立柱 3 水平平台 4 千斤顶 5 下底盘 6 定距环 7 推力轴承 8 上底盘2.3.3.5 预防窜动措施 (1)预加轴向载荷 为了防止和消除这种同周期振动引起的轴向窜动, 可以在安装轴承时预先给予一定的轴向载荷。圆锥滚子轴承每两盘外圈之间装一定距环, 如图 1 所示, 使两盘轴承外圈之间产生预紧力, 提高轴承的配合精度, 减少或消除轴承的原始游隙。(2)确定毛坯定距环尺寸用预加载荷的方法和图 4 所示工具，测得圆锥滚子轴承外圈的距离，最后确定圆锥滚子轴承的毛坯定距环尺寸。 (3)定距环精确尺寸确定 根据测得轴承不同 L 尺寸, 配出相对应定距环的精确尺寸, 具体步骤如下:在确定了的$L 的两盘轴承上打上序号。将毛坯定距环按 L 的尺寸进行磨削, 精度达到表 1 的要求。在磨削后的定距环上做出相同的序号。以前测轴承间隙为压重物法, 这种方法在实际应用中存在很大的弊端, 为了消除这种弊端带来的精确度不高的影响, 设计了如图 4 所示的专用工具, 很好地解决了实际操作中压重物法所存在的缺陷。优点是: 有一水平作基准面, 同心度好，用油压千斤顶将 49kN 的力作用在底盘上, 轴承受力均匀; 测量准确, 简单易行。2.4 短应力线轧机防窜辊技术研究与应用 2.4.1 轧机窜辊的原因 短应力线轧机窜辊的原因主要包括轧机张力柱本身刚度差;轧辊轴承座无轴、径向固定装置;张力柱、调整铜螺母及球面垫加工精度不够导致装配间隙大;定位轴承不可靠等。 2.4.2 防窜辊技术的主要内容 防窜辊技术的主要内容有: (1) 铜螺母定位调整; (2) 球面垫改进; (3) 张力改进; (4) 增加轧辊轴承座轴、径向固定装置; (5) 定位轴承改成可调式。 2.4.2.1 铜螺母定位调整 使铜螺母与轴承箱孔间隙缩小,提高铜螺母加工精度,铜螺母加工工艺如图 1 所示。图 1 铜螺母加工工艺2.4.2.2 球面垫改进 图 2 球面垫加工工艺2.4.3.3 张力柱改进 提高张力柱加工精度，力柱加工工艺如图 3 所示。图 3 张力矩加工工艺2.4.3.4 增加轧辊轴承座轴、径向固定装置 增加轧辊轴承座轴、径向固定装置主轧机上下辊固定端左右支撑臂制作四个防窜装置,控制轴承座的轴向窜动量,轴承座的凸台加高到 80 mm ,凸台两侧面表面粗糙度为以上, 确保防窜装置与凸台面接触,凸台宽度不变。强度的要求:在立式状态下,防窜装置承载力应大于轧辊及轴承箱重力+ 轴向力(轧制 40 mm 以上轧时轧制力) 。防窜装置两内侧调整块,表面粗糙度为以上,材质选用合金钢,以防冲击变形、磨损。在不妨碍其它部件的条件下,防窜装置应尽可能制作大,确保装置的强度。特别下辊受轧机底座的影响,安装防窜装置空间太小,只能制不规则的形状。2.4.3.5 定位轴承改成可调式 轴承内圈为整体式,外圈为两半式的,中间留有间隙,外圈间隙可调,上辊的定位轴承通过带螺纹的端盖进行间隙调整,下辊轴向间隙的调整,通过对端盖进行改进实现。轧机的轴承座及固定方式不能变。第 3 章 短应力线轧机的形式短应力线高刚度轧机是我国于“七五”期间迅速发展起来的一种新机型。此类轧机具有投资少、见效快、安装调整方便、易于操作、轧制废品少、重量轻等优点，受到轧钢厂家的普遍欢迎。我国第一台短应力线轧机 GY 型短应力线轧机自诞生以来就发挥了其巨大的优势，这种轧机注意了工艺与设备的结合，简便、好用、可靠，为我国大量的中小轧机技术改造及新轧机的建造闯出了一条新路。在 GY 型短应力线轧机之后出现的各种型号的短应力线轧机在推动我国胶木瓦轴承轧机的技术改造方面也起到了应有的作用。 目前这一成果已被国内 200 多家中、小型钢铁企业(相当于我国国有中、小型钢铁企业的三分之二以上)所采用，并取得了巨大效益。3.1 传统棒、线材轧机结构演变为适应中小型型钢、棒材、线材生产的需要，实现高产优质低耗，线、棒材轧机无论在自身结构还是在传动方式和机架结合形式等方面都出现了很大变革。3.1.1 轧材尺寸精度与轧机机座刚度的关系 随着用户对产品精度要求的日益提高，高精度轧制也越来越显示出其重大的经济意义。它可以提高收得率 510%，并为拉拔工序提供优良原料，提高拉丝质量和拉模寿命。此外，高精度轧材可达到拉拔尺寸公差，如无特殊性能要求可以以轧代拔，省去拉拔工序2。 生产实践证明1， 轧机纵向及轴向刚度与产品尺寸精度有十分密切的关系： 00phsfkh轧件高度 S0轧辊孔型高度 f 轧机弹性变形 P轧制力K轧机纵向刚度系数 pKf由于在轧制过程中的工艺参数(轧件温度、 尺寸、 轧辊表面状态和冷却润滑条件等)是不稳定的，因而轧制力是波动的。这就使轧件随轧制力的波动量 P 而产生断面尺寸波动量 h（ ） ，只有提高轧机纵向/hpk刚度系数 K 才能使 h 减小。对于圆钢而言，轧材的精度还取决于轧机对轧辊轴向窜动的控制能力。轴向窜动对椭圆度的影响最敏感，若轧辊轴向窜动量为 a，则椭圆度 =1.4a。 轴向窜动量决定于止推轴承的游隙、 轴向零件的弹性变形(轴向刚度)及轴向零件间因加工及装配精度而出现的间隙。因此减小轴向窜动一要消除或减小间隙，二要提高轴向刚度。3.1.2 小型棒、线材轧机工作机座的演变途径 我国传统的中、小型轧机刚度低，难以进行精密轧制，目前我国现有的老轧机生产的产品一般只能达到普通精度公差，达不到较高精度公差。老轧机轧钢时弹跳大，自锁性能差，轧件尺寸波动，产品精度差，容易造成卡钢等工艺事故，对连轧影响更大，造成成材率和作业率低，工人劳动强度大；轧机的预调性能差，不能实现对称调整，经常出现弯头、缠辊等工艺事故。这些老式传统轧机大都不能满足高级优质钢材的精密轧制和给高速机组提供精坯的要求。因而结合国情，研制高刚度轧机以改造老轧机便成为当务之急。提高轧机工作机座的刚度的实质归根结底在于减少工作机座的弹性变形。工作机座的弹性变形 f 由两部分组成：bkff式中 轧辊弯曲变形bf工作机座中受压零件压缩变形和受拉零件拉伸变形之和k为了减少 ,生产工艺允许的条件下，现代小型与线材轧机均设计成短bf辊身，或者增大辊径。至于如何减小 瑞典 Hans.Gedin 等人指出，轧机kf机座的刚度是受力元件的截面积和长度二者的函数，即3312kLPWf KEAI式中 P作用在单片机架上的轧制力E弹性模量I惯性矩 K系数L1、L2、L3、W轧机中相应变形部位的长度(参见图 1-3a)A1、A2、A3轧机中相应变形部位的断面积公式(1-3)将复杂的应力状态简化为简单应力状态，认为受力元件是纯拉或纯弯，没有考虑剪切应力引起的变形。这是虎克定律在轧钢机座中的有效应用并指明了影响轧机机座刚度的两个直接因素：截面尺寸和应力线长度。3.2 预应力轧机的原理及特点 采用预应力的方法可减少轧机弹跳变形,预应力轧机也是一种高刚度轧机。它的基本原理是3,4：利用受压零件在轧制前对机架施加预应力，使其处于受力状态。这样在轧制时，由于预应力的作用，机架的弹性变形变化减小，从而提高了轧机的刚度。如图 1-1 所示，预应力轧机57在机架的横梁与下支撑辊轴承座之间增设预应力拉杆 5，以及在下横梁与下轴承座之间装设预应力加载液压缸 8。轧制前，液压缸 8 对机座进行预应力加载，此时机架受拉力，而下轴承座 7 和压杆 5 则受压力，其大小都等于预紧力(通常预紧力要大于 1.5 倍的轧制力)。在预紧力 P0，机架产生拉伸变形 l1 件产生压缩变形 l2 。一般情况下l1 和 l2 与 P0 成正比。如图 1-201plk02lk式中 K1 机架刚度系数 K2 受压零件的刚度系数由图 1-2 知 K = tg ，而 tg 0 ，所以 永为正值； = 11K2，而 tg 0 所以 永为负值。tg2图 1-2 中直线 AB 表示机架受力与变形的关系，直线 CD 则表示受压零件的受力与变形的关系。 轧制时， 在轧制力 P 的作用下， 机架上的作用力由 变为 ，变形由 变为 ，增加了一个 。受压件的作用0P11l1l力由 变为 ，变形由 变为 ，减少了一个 。由图可见：2221012()()PK所以，由轧制力 P 引起的轧机的弹性变形 12K此时，预应力轧机的刚度系数为 K = K1 + K2 。 对于一般轧机，在轧制力 P 作用下，机架和受压件的弹性变形之和即为轧机的弹性变形 1212lK故一般轧机的刚度系数 121212K由式(1-8)可见，预应力轧机的刚度系数要比普通轧机的刚度系数大。但是预应力轧机采用液压螺母和压杆，使轧机结构变的复杂，加工精度要求提高，尤其对压杆的制造质量要求较高，为了施加预应力，还需备有高压油泵和一套油压系统。当换辊或改变轧辊直径时，需要换上轧辊轴承座与半机架之间的调整垫片，而且预应力轧机不能实现对称调整。3.3 短应力线高刚度轧机原理及特点 所谓短应力线轧机是泛指应力回线缩短了的轧机，前文已经指出影响轧机刚度的两个直接因素是截面尺寸和应力线长度。靠增加截面尺寸来提高刚度，必然导致机架笨重粗大。合理的途径是尽量缩短应力线，这就是短应力线轧机的原理811。 图 1-3 所示为短应力线轧机和普通轧机应力回线的比较。短应力线轧机是所有轧机中应力线最短的。这种轧机的应力线是紧紧围绕轧辊辊径轴承的椭圆形。这是由于取消了压下螺丝和机架的结果，拉杆安装的与辊径轴承的外圈极为接近，使 W 值很小(图 1-3)，轧机的配合面是最少的(由于负荷零件的减少，使得他们之间的配合面也减少了)，轧机轴承具有较大刚度，所有这些都使轧机变形量减少，从而保证了轧机的高刚度。短应力线轧机不采用预应力，没有机架，走短应力线、少配合面分散载荷的设计思路，使轧机外观小巧，加工简便，刚度高。避免了靠增加截面尺寸来提高刚度而导致机架笨重粗大的不经济做法。并且短应力线高刚度轧机不需要象预应力轧机那样对机架等受力零件施加预应力而得到较高的刚度，轧机结构和操作相对简化，图 1-4 为三种轧机刚度曲线。 1-3 普通轧机与短应力线轧机应力回线图 1-4 轧机刚度曲线短应力线轧机离线预装、预调，整体吊装换辊，可以减少在轧线上换辊与调试的时间，提高轧机作业率，减少调试废品。没有笨重的铸钢牌坊，设备加工制造容易，制造周期短。轧机采用滚动轴承，其弹性变形、摩擦系数、 单位时间内的磨损量远比旧式轧机(大多采用胶木瓦轴承)小， 产品精度、工作稳定程度均大于胶木瓦轴承。短应力线轧机所用滚动轴承和十字轴式万向连轴器(或尼龙棒接轴、弧形齿轮轴等)，比旧式轧机的胶木瓦与梅花轴套传动平稳、振动小、噪音小，更适合于高速传动。此外，滚动轴承摩擦系数小，主电机启动电流与工作电流小，电耗低，也是短应力线轧机的一大优点。3.3.1 高刚度轧机发展概况及结构演变 从前面的分析可知单纯靠增加截面尺寸来提高刚度是不可行的，合理的途径使尽量缩短应力线，高刚度轧机即基于此种思想应运而生，并迅速发展起来。第一代刚度轧机大约在四十年代中期，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，取消了传统轧机的牌坊，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1,14，如图 1-5 所示1。 这种轧机无牌坊，它采用辊系全悬挂三角架侧边支撑结构，轴承座上端中部装有压下螺丝，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。由于辊系采用全悬挂的支撑方式，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，固定点距轧辊的轴线有一偏心距离，造成轴向刚度不高，而且三角架挡住了联结扳手空间，使接轴装拆不便。非对称调整增加了轧制中导卫板的调整工作量。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，且上辊轴承和轴承座受压下螺丝传递集中载荷(轧制压力)的作用，其受力情况较差，轴承寿命受到影响。 后来，瑞典人改进了第一代无牌坊轧机，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 1-6所示。 图 1-5 第一代无牌坊轧机 图 1-6 改进的第一代无牌坊轧机第二代高刚度轧机是六十年代以瑞典中央、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。我国 GY-I 型短应力线轧机就是根据 P600 型的原理设计的2,7。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 1-7 所示。 第三代高刚度轧机由 Pomini Farrel 公司于八十年代初研制成功，也称“红环”轧机(Red-Ring Stands)， “红环”即指轧机的应力回线，如图 1-8 所示。这种轧机拉杆支撑由头部改在中部，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。 目前，短应力线高刚度轧机发展已趋于成熟，本课题中所研究的轧机即为 Pomini Farrel 公司研制的“红环”轧机。3.3.2 高刚度轧机在推广使用中遇到的问题 目前，高刚度轧机技术已广泛应用于生产中，特别是小型轧机中有近一半的轧机应用了高刚度轧机，对老设备进行了单体改造更新。国内制造的第一批高刚度轧机在使用过程中存在以下问题:(1)轧辊轴向窜动量大，特别是在轧制变形抗力较大的合金圆钢时表现更为明显，圆钢椭圆度有时达不到国标。 (2)有的轧机上辊平衡力不够造成进钢时轧辊跳动现象， 影响产品精度，甚至造成断辊等事故。有的轧机不是“四脚着地” ，而是“两脚着地” ，过钢时有“点头”现象，也造成轧制过程中的不稳定。 (3)吊挂轴承座的三角支架过于轻便，造成刚度不够。三角架承受轴向力，还靠它实现轴向调整。断辊、缠辊事故时的轴向力可能造成三角架的永久性变形而影响换辊速度，甚至影响轧机的继续使用。现在的高刚度轧机水平较八十年代初期有了大的进步。 SY 型轧机在运用过程中得到不断的改进和完善而获得广泛应用； LB 型连接板式轧机以其富有特点的设计构思引起了人们的兴趣，将在更多的单位试验应用以在生产实践中进一步推广。 但至今在高刚度轧机推广应用过程中，在以下方面还不同程度的存在问题： (1)由轧辊轴向固定与轴向调整机构的问题而使轴向刚度不高。 (2)轧辊平衡力不够，平衡弹簧寿命低。 (3)同现场使用条件下联接轴的选择及装拆速度问题。 (4)轴承使用寿命低。 以上问题影响到新机型效能的发挥，应引起足够的重视。各种不同的机型在使用中通过发现问题以促进设计的改进和提高制造质量，还要不断修改完善新机型的技术水平。只有这样才能使新机型具有生命力，使推广和应用面更大。综合小型、线材轧机工作机座的演变途径，即提高轧机刚性，改进结构的途径目前采用的有以下几点措施: (1)增强牌坊整体性。改变老式开式机座的结构，尽可能采用高刚度的闭式机架或增强开式机架的联结刚性，如采用预应力法。 (2)缩短应力线。对传统结构的闭式机架应改变机架窗口尺寸，使窗口窄而短，增大横梁断面；改变工作机座的传统结构，取消压下螺丝，改变力的传递途径和应力分布，变集中载荷为分散载荷，使应力线减到最小程度。(3)减少承载件的配合面，改善各承载体的材质、结构及加工精度以提高工作机座的配合精度，提高刚性。(4)缩短轧辊的辊身长度。 (5)对称调整。轧辊辊缝实现对称调整以形成一条平直不变的轧制线，使导卫装置永远处于理想的中性线位置，不需因辊径变化而经常调整，保 证轧制稳定性，减少各种轧钢事故的发生，提高作业率。但是，在如何进一步减少轧辊的轴向窜动，即保证产品质量的同时又不影响轴承座的自位，以及在冲击的轧制力作用下，提高自位承载垫的寿命等方面仍缺乏足够的理论分析和改进措施。 3.4 HGR 型轧机及其结构特点 为了适应小型型钢、棒材、线材生产需要，实现高产优质。小型轧机无论在自身结构还是在传动方式和机架结合形式等方面都出现了很大变革。其中主要的结构变革是轧辊采用四列短圆柱滚动轴承和上下轴承座间使用拉杆，取消了传统的牌坊，缩短了机架中应力线长度为提高轧机的刚度和精度开辟了新的途径。 北京钢院研制的 GY 型短应力线轧机，为我国小型轧机的技术改造开辟了新路，继而各种类型的短应力线轧机纷纷出现。提高了轧机的刚度和精度，整机换辊迅速，辊缝调正方便，使这些横列式轧机出现了新的生机。但是，近几年推广的短应力线轧机只限千机列的最后一架或二架上使用。笔者认为:对成品机架的技术改造固然是关键，但是要轧出高精度产品，要保证轧制程序的稳定性，应该将整个精轧机列甚至于精轧机架也列入技术改造范围内，使各道次轧出的产品偏差都控制在较小范围内，才能保证成品质量的稳定，容易实现负公差轧制。北京特钢小型轧钢厂和邯郸钢厂线材车间以及杭州钢铁厂线材车间的工艺流程就证明了这一点。 为了进一步提高短应力线轧机在较高速度条件下工作的稳定性，改进轧辊压下和横向调正机构的性能，杭州钢铁厂设计院在综合各种机型的结构特点基础上，自行设计了 HGR 型短应力线轧机(见图)。该轧机首先应用于线材复二重轧机上。该轧机结构设计合理，不仅具备短应力轧机的特性:工作稳定可靠，调正灵活精确、操作简单方便，可整体换辊，而且在结构上还具有独特的优点，较全面地提高了轧机装备水平。HGR 型轧机的设计参数是: 轧辊直径为 290-315mm轧辊长度为 600mm: 轧辊轴向调正范围 士 2 mm 最大轧制压力为 600KN 众所周知，轧机的刚度是直接影响轧材精度和稳定的主要因素之一。由刚度系数 K 的计算公式 K= P 轧 可以看出，要提高轧机的刚度，必f须尽可能减小 (机座的总变形量)。而 ，式中 辊的弯曲变f bkfbf形量， 机座中各承载零件拉伸或压缩变形量之和。kf因此提高轧机的刚度，除了增大立柱断面积和改进机架结构外，还