三辊轧管机轧辊强度分析计算

李慧斌

(中冶京诚工程技术有限公司 北京100176)

1 前言

三辊轧管机机芯包括三个单独传动的轧辊，轧辊轴线夹角为120°，相邻轧制机芯中的轧辊成60°交错布置，每个轧辊两侧有可滑动轴承座。轧辊为分体式结构，包括辊环和辊轴，相互之间采用过盈配合连接。轧辊的强度和刚度直接影响钢管的轧制精度，因此，在对轧辊进行设计时，必须满足以下两点要求：1)要有足够的强度。在设计上要求绝对安全，轧辊断裂会引起生产安全事故，一般情况下不允许破坏；2)要有足够的刚度。轧辊刚度越大产品精度越高。

2 轧辊强度分析

2.1 影响轧辊强度的因素论述

轧辊报废的原因主要有热冲击裂纹、脆性剥落、带状剥落、辊颈粘结和正常磨损，其中磨损占有很大比重。具体来说，轧辊破坏可能由下列四方面原因造成：

1)轧辊的破坏与其工作时的应力状态有关，如剥落就是在交变应力作用下经过一定的时间后产生的一种局部疲劳破坏。

2)轧辊的形状设计不合理或设计强度不够。

3)轧辊的材质、热处理或加工工艺不合要求[1]。

4)轧辊在生产过程中使用不合理。热轧轧辊在冷却不足或冷却不均匀时，会因热疲劳造成辊面热裂，轧热的轧辊骤然冷却，会因温度应力过大，导致轧辊表面剥落甚至断辊；压下量过大或因工艺过程安排不合理造成过负荷轧制也会造成轧辊破坏等[2]。

轧辊的破坏决定于各种应力，其中包括弯曲应力、扭转应力、接触应力、由于温度分布不均或交替变化引起的热应力等。鉴于影响轧辊强度的某些因素如：轧辊的铸造缺陷、热应力、轧辊计算断面的应力集中系数等难以精确确定，轧制时的冲击载荷也只有通过一定的测试手段才能获得，轧辊又是轧钢车间的主要耗件，轧辊的强度通常只按静载荷验算，并将上述因素的影响纳入安全系数中，因此，研究轧辊的应力状态和水平对提高轧辊的抗事故性是很重要的。

2.2 轧辊受力分析

三辊轧管机机芯包括轧辊装配和轧辊滑座，如图1所示。三辊轧管机轧辊在轧制过程中，受力主要包括轧制力和轧制力矩，且同时作用在轧辊上。

以下采用工程材料力学计算方法和有限元分析的方法对轧辊强度进行计算。轧辊轧制过程中的受力简图如图2所示，为了便于分析计算，轧辊模型进行一定简化。

图1 机芯和轧辊装配

图2 轧辊受力示意图

2.3 工程材料力学计算

轧制过程中轧件受力变形，轧制力作用在轧辊表面，根据受力及结构特点，初步判断轧辊辊环的危险断面通常在轧槽中部，辊轴的危险断面在辊轴与辊环的交接面。因此主要校核如下的强度：(1)辊环中部的弯曲强度；(2)辊颈的弯曲和扭转强度；(3)传动端辊头的扭转强度[3]。

表1 轧辊的主要结构尺寸参数

1)轧辊各截面的力学特性：

(1)

(2)

(3)

(4)

2)轧制力能参数及材料性能参数

轧制力P=3500kN；

轧制力矩Mn=171000kN·mm；

许用安全系数n=5；

辊环材料抗拉强度σb-D=800MPa；

辊轴材料抗拉强度σb-d=1000MPa；

根据抗拉强度和安全系数得出抗拉及扭转许用应力：

(5)

(6)

辊环扭转许用应力，[τb-D]=(0.55～0.62)[σb-D]=96MPa;

(7)

辊轴扭转许用应力，[τb-d]=(0.55～0.62)[σb-d]=120MPa;

(8)

3)辊环强度校核

辊环中间危险断面弯矩，

(9)

(10)

(11)

弯扭组合应力，对于球墨铸铁轧辊，合成应力应按第二强度理论计算：

(12)

4)辊轴强度校核

辊轴危险截面弯矩，

(13)

(14)

(15)

弯扭组合应力，对于合金钢轧辊轴，合成应力应按第四强度理论计算：

(16)

5)传动轴头强度

(17)

表2 辊环、辊轴及轴头应力计算结果

根据表2轧辊强度分析计算结果，计算应力小于材料的许用应力。

2.4 采用有限元计算

a)模型的建立

轧辊受力条件如图2所示。

b)网格划分

有限元模型采用四面体实体单元，辊轴的弹性模量E为2×1011Pa，泊松比为0.3，辊环的弹性模量E为1.8×1011Pa，泊松比为0.27。

建立几何模型后，由计算机自动划分网格。机架的几何模型及载荷和约束如图3所示[4]。

图3 轧辊有限元模型网格划分

图4 轧辊等效应力图

c)加载及约束

钢管轧制时，轧件与轧辊接触面为一段弧面，因此轧制力采用面载荷的方法施加于轧辊的弧面上。

在正常轧制时，每个压下装置所受的轧制力P，按均布载荷方式作用于轧辊接触接触弧面上，此面载荷为：

(18)

式中：A—轧辊接触面积，按照近似为矩形面积计算;

P—轧制力;

H—接触弧长度，按照角度为120°，半径为R的圆弧长计算;

L—接触弧宽度，按照角度为20°，半径为D的圆弧长计算。

任何设备都需要受到一定的约束条件来保持运行的稳定性。如图2轧辊的受力条件图，在辊轴与轴承中心线的接触面处，设置Y、Z方向位移约束，轴肩端面设置X方向位移约束。

2.5 有限元计算结果分析

通过ANSYS程序求解，得到轧辊的等效应力图，如图4所示。

根据仿真计算结果，可以看出辊轴最大应力截面位于辊环与辊轴的衔接部位(图5)，最大应力为136MPa，计算应力小于轧辊材料的许用应力值。

图5 危险截面应力图

3 结论

通过采用两种方法对辊环及辊轴的强度分析，得出以下结论：

1)辊环上的弯曲和扭转应力均较小，但是与轧件接触的弧面接触应力较大；辊环所受接触应力为主要应力。该工作状态是轧辊轧制瞬时受力状态，接触面为载荷施加位置，因而具有较大的表面应力集中。

2)辊环在圆周方向受力不均，辊环孔型底部的接触应力水平高于两侧断面。在生产过程中需优化冷却水管理，确保辊面及时冷却，避免辊面裂纹[4]。

3)辊轴上的最大应力点位于辊环外侧与辊轴衔接的位置。此位置属于危险截面，设计时需要进行结构优化，避免应力集中，可增大辊轴过渡圆角进而提高辊轴强度。

4)两种方法计算结果接近，计算应力均小于轧辊材料的许用应力值，且最大应力位置及应力分布状态与前期假设分析一致；正常轧制条件下轧辊是安全的，轧辊结构设计参数满足现有生产要求。