高剛度軋機軸承負荷特性與軸向剛度分析

目前，國內(nèi)外使用的短應力線高剛度軋機陳了極少數(shù)緊湊式超負荷高剛度軋機外，普遍采用四列短圓柱滾子軸承傳遞軋制負荷。實踐表明，軸承的工作壽命和異常損壞及軸向竄動大已成為當今高剛度軋機正常工作和進一步推廣使用的嚴重障礙。

傳統(tǒng)的小型、線材軋機工作機座為適應精密軋翩拔術(shù)發(fā)展的需要。其自身結(jié)構(gòu)型式發(fā)生了巨大變革。實現(xiàn)軋制成品尺寸及形狀的高精度化具有重大的經(jīng)濟意義。它可使收得率提高5~10%，為拉拔等后序深加工提供精密坯，提高拉拔成品質(zhì)量和拉模壽命，甚至實現(xiàn)以軋代拔制，革除拉拔工序。

成品的高精度化主要取決于軋機工作機座的機型與必備水平。傳統(tǒng)中小型、線材軋機只能提供具有普通精度公差的成品。Hans.G in等人早已指明軋機工作機座的剛度是受力元件截面積和長度兩者的函數(shù)。旨在提高軋機工作機座的剛度而出現(xiàn)的備類預應力軋機雖可減少彈跳量.但正如Ormer等人的證明，增加剛度是有限的。擺脫傳統(tǒng)設計思想的束縛而出現(xiàn)的短應力線高剛度軋機，革除了普通軋機的高大牌坊，軋制力平衡回線短，將軋機縱向剛度提高到目前的最高水平，推動了精密軋制技術(shù)的發(fā)展。

最早的短應力線高剛度軋機是40年代中期瑞典中央莫格斯哈馬公司研制的P500型無牌坊軋機，由三角架固定在地基上，于60年代末被我國長城鋼廠引進使用。第二代高剛度軋機-瑞典中央奠格斯哈馬公司的P60。型軋機于6O年代問世，我國80年代初出現(xiàn)的GY型短應力線軋機就是參考此軋機的原理設計的。同一時期，意大利的Porrdnl Parrel公司研制了"紅圈"軋機，"紅圈"指軋制力平衡回線。我國參考"紅圈"軋機結(jié)構(gòu)原理隨后在80年代中期研制了SY型高剛度軋機，其特點是革除了三角架。增設了旨在提高軸向剛度的方柱結(jié)構(gòu)。

目前，國產(chǎn)的短應力線高剛度軋機主要用于取代橫列式軋機的成品機座及成品前機座而廣泛應用在近一半的小型、線材軋機上，為精密化技術(shù)改造發(fā)揮了積極作用。但是，正如冶金部有關(guān)文件所指出的，上述高剛度軋機的現(xiàn)場運轉(zhuǎn)實踐表明，重載滾子軸承壽命低甚至發(fā)生燒熔;軸向竄動量大影響產(chǎn)品精度;軸向調(diào)節(jié)與固定系統(tǒng)事故頻繁 這些隱患降低產(chǎn)品質(zhì)量，影響軋機作業(yè)率，阻礙新機型發(fā)揮預期效能。

本研制針對短應力線高剛度軋機所存在的軸承負荷特性、軸向固定與調(diào)節(jié)性能等問題，應用彈靜定機構(gòu)自位原理 振動理論及其測試實驗進行分析，在開發(fā)其關(guān)鍵技術(shù)的基礎上研制了三鉸拉桿方柱型高剛度軋機 。

唐鋼第一鋼廠作用的原短應力線高剛度軋機四列短圓柱滾子軸承，在額定軋制負荷下頻繁發(fā)生燒熔事故。對原軋機軸承的軋翩力回線所在的平面彈性靜定自位機構(gòu)分析看出，實現(xiàn)各列均勻受載是不可靠的。上下兩個軋輥軸線所在平面上，將位于平行平面上的拉扦和方柱的軸線重迭在一起簡化成軋輥(視為彈性彎曲杼)、軸承座、拉桿、球面墊及方柱相對于底座的平面彈性桿系。軋輥與軸承座之間只有相對旋轉(zhuǎn)運動。限于平面彈性桿系的分析。可把兩者視為一體。球面墊在軸承座鏜孔內(nèi)，設計成允許軸向位移2~3mm，可視為滑塊。

球面墊球心因拉桿與螺母聯(lián)結(jié)而位于拉桿軸線的某一位置上。軸承座滑槽與方柱相聯(lián)接1形成滑副。當軸承座滑槽和方柱間無間隙時，彈性桿系的桿件數(shù)為2，低副數(shù)為3，高副數(shù)為0，故軸承座自由度為0，亦即軸承座不能傾斜轉(zhuǎn)角而成為剛性支座 若當軸承座滑槽和方柱同留有間隙或松動，此滑副作用便會失效，減少了一個低副，軸承座自由度變?yōu)?，軸承座成為軸向來固定狀態(tài)，影響成品精度與真圖度的實際竄動量在不計止推軸承游隙情況下也會超過一個輥竄動量的兩倍。由此可見，從自位機構(gòu)上講不可能實現(xiàn)軸承座的軸向固定和可靠的自位作用，并且自位和軸向固定互相對立，兩者不可能同時得到保證。

三鉸拉桿方柱型高剛度軋機在原短應力線高剛度軋機的基礎上配置了確保軸承自位的三鉸一滑副機構(gòu)取代原一鉸二滑副機構(gòu)。

當軋輥受軋制力而產(chǎn)生彎曲變形時，軸承座跟隨軋輥軸線的傾斜擺動，軋輥卸載時靠軋輥的彈性恢復使軋輥軸線為水平線，軸承座跟隨恢復原位，確保軸承座內(nèi)的四列短圓柱滾子軸承各列均載，從而提高了軸承的工作壽命。這種結(jié)構(gòu)由于軋輥軸承座滑槽鉸鏈的安裝間隙靠強化緊頂螺釘?shù)靡韵涂刂?，故具有軋輥軸向高剛度性能當軋輥受軋制力作用而處于彎曲時，軸承座隨著輥頸的傾斜而轉(zhuǎn)角的能力稱自位性能，它決定了軋機軸承的負荷特性 為了證實不同的負荷特性，對唐鋼第一軋鋼廠的原高剛度軋機和本軋機進行了離線和在線兩種現(xiàn)場測試實驗。

在上軸承座外端垂直面上白上而下選擇3個測試點，側(cè)出直到對應軋制力P一143.26kN的軸向變形量。原高剛度軋機軸承座的上部兩點變形量在受載范圍內(nèi)一直保持為0。下部測量點的變形雖不大，但同上部兩點連接起來沒有形成轉(zhuǎn)角變形. 因此下部測量點的變形時只能考慮為輥頸傾斜引起的彈性變形。另外，在軋輥受載范圍內(nèi)軸承座相對方柱的滑移量測量值為0。然而，在同一負荷和測試條件下，本軋機的3個測量點變形量連成一條直線且相對垂直線旋轉(zhuǎn)一定角度 上述測量結(jié)果足以證明原高剛度軋機在軸向固定場合下不具有自位性能。與此相反，本軋機確保了自位性能 。

軋機一般都具有軋輥軸向調(diào)節(jié)機構(gòu)以調(diào)整孔型。同時，軋輥與軸承座之間必須軸向固定以確保必要的軸向剛度。為了重點闡明軋機的軸向剛度，對原軋機和三鉸拉桿方柱型高剛度軋機進行了固有頻率和振型的理論計算與測試。

最終將元件的單元傳遞矩陣按高剛度軋機力學模型裝配成總體傳遞矩陣，根據(jù)已知的邊界條件求解狀態(tài)變量。兩種高剛度軋機振動的前幾階固有頻率計算值示于附表。很明顯，三鉸拉桿方柱型高剛度軋機的垂直和軸向振動頻率遠遠高于原高剛度軋機。原高剛度軋機的軸向振動一階固有頻率只有38.276rad/s，低于軋輥轉(zhuǎn)速頻率60.16rad/s，說明容易受激發(fā)生軸向共振現(xiàn)象。對于兩種高剛度軋機的振動特性還進行現(xiàn)場測試，其結(jié)果與計算值 相一致，證明本軋機的研制是嚴格和精細的。

(1)對當前推廣使用的短應力線高剛度軋機普遍存在而長期得不到解決的軸承燒熔和軸向竄動大的問題，建立彈性桿系自由度分析和三維彈性接觸邊界元法相結(jié)合的軋機自位理論，并研制成功具有可靠自位機構(gòu)的三鉸拉桿方柱型高剛度軋機。通過現(xiàn)場離線和在線的自位性能測試及在線振動特性測試，證明了理論和關(guān)鍵技術(shù)成果的可靠性。本軋機已獲國家發(fā)明專利。

(2)原存在的軋輥軸向調(diào)節(jié)螺紋機構(gòu)易脫扣事故，因自位問題得到解決而自行消失 。