热轧精轧机结构设计及有限元分析

摘要：国民经济各部门对带钢的性能、精度的要求越来越高，这就需要对轧制工艺和设备的不断发展。精轧机组对轧件的轧制是轧制过程的最后工序，热连轧精轧机组设备轧制水平的高低和控制系统智能化的高低直接影响产品的质量，因此对热连轧精轧机组的研究非常重要。本文主要就热轧精轧机结构设计及有限元分析方面的内容展开了论述，以供参阅。

关键词：热轧精轧机;结构设计;有限元分析

现代化精轧机是热轧带钢生产线上的主要生产设备，其主要由机架（牌坊）、轧辊、压下装置、辊型调整装置、平衡装置、传动装置、润滑系统、液压系统等构成。轧辊和机架在轧制过程中要承受很大的轧制力、轧制力矩及动载荷，因此对精轧机轧辊和机架的强度、刚度的研究十分重要。

1精机结构与参数设计

1.1车辊

轧辊是精轧机主要的零件之一，精轧机轧辊是由支撑辊、工作辊构成。轧件通过转动的工作辊产生塑性变形，轧制出符合要求的产品。工作机座上的其它零部件都是为了安装、支承、调整、更换轧辊和引导轧件正确进出轧辊而设置的。精轧机的轧辊在轧制过程中工作辊是和轧件直接接触的，强迫轧件产生塑性变形，因此要承受很大的轧制压力、轧制力矩及动载荷。在轧制过程中，轧机是通过加热炉加热后，才进行轧制，因此，轧件的温度高，轧辊需要冷却液冷却，工作条件的恶劣、繁重对轧辊的强度、刚度、表面硬度、耐磨性、辊型都有严格的要求，以保证轧制完后产品的质量和产量。工作辊和支撑辊由辊身、辊头、辊颈组成。親颈安装在轴承座的轴承里，由于轴承座要承受压下装置传递的轧制力，因而辊颈要承受很大载荷。工作辊的箱头是与联接轴相连接，并传递轧制轧件时所需的扭矩。此外，还要制造、安装所需的辅助表面，如中心孔，紧固、吊装用的沟槽以及带动轧辊转动的带槽轴等。在轧制过程中，支撑辊承受着全部礼制力，辊身与想颈的过渡段是受力危险截面。由于受到轴承尺寸的限制，辊颈不能做得太大，因此在过渡区段会产生应力集中，需要合理的选定过渡区段结构。工作辊除了要承受平衡力外，还要承受调节辊型用的弯辊力，所以，工作辊过渡区段的应力集中问题应考虑。实践证明，轧親辊身边缘的尖角处应力集中，因此尖角处必须倒钝。

1.2轧辊的调整装置

轧辊调整装置是精轧机一个重要部件主要用来调整轧辊在机架中的相对位置，用以保证能获得所要求的压下量、精确的轧件尺寸、形状以及正常的轧制条件。根据调整时轧辊动作的不同，轧辊调整装置可分为径向调整装置、轴向调整装置和辊型调整装置三类。

1.3轧辊平衡装置

由于轧机机座中有关相互配合的零件存在着配合间隙，因此在轧机空载的情况下，各零件的自重作用，将会造成工作辊与支撑辊表面间以及辊颈与轴承间均有一定的间隙。这种间隙必然会在轧制过程中产生强烈的冲击现象（轧制速度越高越严重），其结果使礼机相关零件寿命降低，辊缝发生变化，对轧件的咬入不利。为了清除在轧制咬钢过程中因工作机座中有关零件间存在间隙所引起的冲击现象，也为了防止工作辊和支撑辊之间产生打滑现象等，几乎在所有的轧机都设计了平衡装置。合理的选择平衡力，还可以清除平衡系统中的滞后现象，以提高板厚自动控制系统的控制精度，还可以避免因工作辊和支撑辊之间打滑而引起轧件产生波浪及擦伤轧件表面的现象。

1.4机架

轧钢机机架是轧钢机的重要部件，它要在轧制过程中承受巨大的轧制力、瞬间冲击力、部分轧制力矩，另外轧辊系统、平衡系统和压下系统都必须安装在机架上，因而精轧机的机架具有足够的刚度和强度。由于机架的重量很大，制作非常复杂，一般给予很大的安全系数，作为永久使用、不更换的零件来设计。

1.5精轧机主传动装置

主传动装置的作用是将电动机的转动传递给工作机座的轧辊，使其以一定的速度和输出扭矩转动，实现对轧件的轧制。主传动装置的组成与轧机的结构形式有关。精轧机主传动装置主要由联轴器、减速器、齿轮机座、轴等构成。

1.6精轧机换辊装置

轧辊在轧制过程中其辊身、辊颈都要逐渐磨损。当辊身磨损到一定程度出现表面缺陷时，为了保证轧件的尺寸精度和表面质量，这需要及时更换轧辊，但是换辊需要停产，降低轧机的生产能力，为了提高生产率，因此必须采用快速的换辊装置。快速的换辊装置是将换辊的全过程实现程序控制，最大限度的缩短时间，增加轧件产量。目前，国内外才用的快速换辊装置主要有横移式和转盘式两种，热轧精轧机组通常采用转盘式。工作辊更换装置主要由工作辊更换小车、机架前的轨道和盖子，换辊车的绕线盘和横移设备等构成。工作辊更换装置安装在工作侧，工作辊从机架中通过小车抽出。

2机架有限元分析

軋机的机架又称牌坊，是轧钢机重要零件。工作辊、支撑辊、轴承座、辊缝调整装置等都安装在精轧机的机架里，并承受很大的轧制力，因此机架是主要的受力构件。影响轧件的轧制精度有很多的因素，机架的强度、刚度选择不合理在轧制过程中机架变形量过大会影响轧件的轧制精度。在轧制过程中，机架承受的力有轧制力，轧件的前后张力差，工作辊锁紧装置对机架的力等，其中轧制力最大，也是主要考虑的。由于轧机的机架是永久使用而不更换的重要零件，为了防止机架在载荷过大时而损坏，因此机架的强度应保证在轧辊断裂时，机架不产生塑性变形，也就是机架能承受的最大载荷就是轧辊断裂时的载荷，同时，机架的应力不能到达机架材料的屈服极限。对于板带轧机不仅要计算它的强度，还必须要计算它的变形。这主要是因为精轧机在轧制过程中，其机架在垂直方向上会产生变形，这会使轧辊轴心线的偏移，使轧件的厚度尺寸及公差发生变化，从而影响轧件的轧制精度。机架在水平方向上的变形，也就是立柱向内弯曲，则使机架的窗口和轴承座之间的间隙减小，要确保此间隙应大于机架的水平变形，否则在轧制过程中调整辊缝，而轴承座无法移动。

参考文献：

[1]刘瑞，刘欣玉，贾尚武.基于有限元的热轧H型钢万能精轧机结构设计与优化[J].重庆科技学院学报（自然科学版）.2015（08）.

[2]黄涛.铝带热轧转向辊内冷结构优化设计[J].中国重型装备.2018（05）.

[3]王春香，刘欣玉，刘瑞，贾尚武.基于PRO/E和ANSYS的热轧H型钢万能轧机结构设计与优化[J].重庆科技学院学报（自然科学版）.2015（12）.

（作者单位：河钢集团邯钢分公司）

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