（机械工程专业论文）轧辊轴断轴的分析与研究.pdf

摘要 唐钢棒材厂一的生产线是进口设备装备的具有九十年代末期世界先进 7 妖乎熬凝疑生产线 该厂生产管理水平也是较裹麓 是意大到达涅剩公 司在世界范围内售出的1 3 4 祭生产线中的三条模范生产线之一 但其投 产以后第五架轧枧断轴事故频繁发生 戏了铡约生产豹主要闯慰 本文的目标就是研究轧辊轴断裂的原因 找出解决轧辊轴断裂事敌 的措施 本文从轧钢生产的轧制工艺 轧辊轴结构技术参数 三l 及轧辘轴所遍 用豹材料等三个方面入手 系统全煎地进行了分橱 著锩助予有限元技 术 对轧辊轴谶行强麓分析 通过轧制工艺和零件结构技术参数的分析 找出了轧辊轴断裂的各 萃牵矩困 针对故障原因提出了解决闻题的裔效方法一一改善轧制工艺参 数 优化零件结构技术参数 并在国产化过程中改变轧辊轴材质 轧制工艺方面酶改进是解决这一问题韵关键 同时零件结构技术参 数的完蛰和选用性能优越的合金钢材料有利的提高了轧辊轴的疲劳强 度 本文所研究的成果有一定的工程实用价值和较广的适用性 它对同 类转梳事放酶磷究有饕重要瓣倍鎏後 关键谲 韩辊辘繇裂乾翱工艺零 孛缭擒参鼗有限嚣分轿 a b s t r a c t t a n g g a n gb a rm i l li sa ni m p o r t e ds t e e lr o l l i n gl i n ei nt h ee n do f19 9 0 s w h i c hh a si n v o l v e dm o s ta d v a n c e di n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g y n o wi t h a s b e c o m eo n eo ft h e3 p r e s t i g i o u sl i n e se n t i t l e db yd a n i e l ii nt h ew o r l d b e c a u s eo ft h e i rm o d e r nm a n a g e m e n t b u tt h es h a f t b r o k e no ft h e5 t hs t a n d o c c u r r e ds e v e r a lt i m e sa n db e c a m et h em a i np r o b l e mf o rp r o d u c t i o n t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e r i st o s t u d yt h ec a u s eo fr o u g hm i l l sr o l l i n g s h a f t b r o k e na n dt ot a k em e a s u r e sf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m s i nt h i sp a p e r w eh a v es t u d i e dt h ei s s u ew i t ht h r e ea s p e c t so fs t e e lr o l l i n g t e c h n o l o g y c o n s t r u c t i o np a r a m e t e ra n dt h em a t e r i a lo ft h es h a f t e m p h a s i s i sp l a c e do nt h er o l l i n gl o a da n a l y s i s m o r e o v e r w ea n a l y s e st h es t r e n g t h o f r o l l i n gs h a f tw i t ht h eh e l po ff i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y t h ea l lc a u s e so fr o l l i n gs h a f t b r o k e na r ef o u n d b y t h e a n a l y s i s o ft h e r o l l i n gt e c h n o l o g ya n dc o n s t r u c t i o np a r a m e t e ro fp a r t e f f e c t u a lm e t h o do f s o l v i n gt h ep r o b l e m s i s p r o v i d e d t h e r e a r et h e i m p r o v e m e n to fr o l l i n g t e c h n o l o g yp a r a m e t e ra n dc o n s t r u c t i o np a r a m e t e ro fp a r t t h ei m p r o v e m e n to ft h er o l l i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yt os o l v et h ep r o b l e m s a tt h es a m et i m e t h ei m p r o v e m e n to ft h es h a f tc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r r a i s e st h ee x h a u s t e ds t r e n g t ho f r o l l i n gs h a f t t h er e s e a r c hr e s u l ti nt h e p a p e rp o s s e s sh i g hv a l u ea n dw i d er a n g eo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n du s et h em e t h o df o rr e f e r e n c et ot h es a m e p r o b l e m s k e y w o r d s r o l ls h a f tb r o k e n r o l l i n gt e c h c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r f i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得盘鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 多名磊 签字日期 吕 矿 年 月7 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 弘砺翩虢张 签字日期 z 矿护z 年 月芗 日签字日期 扫 z 年7 月厂同 第一章概述 第一章概述 1 1 工厂设备及生产工艺概况 唐山钢铁公司棒材厂是具有九十年代国际装备水平的轧钢生产厂 其 机械设备由意大利的达涅利公司引进 电控设备由美国g e 公司引进 设计 年产量6 0 万吨 轧制速度 精轧机最高为2 0 米 秒 产品规格是中1 2 一中 4 0 的螺纹钢和中1 4 一中5 0 的圆钢 使用的钢坯是1 6 5 1 6 5 毫米连铸方坯 钢坯定尺长度为1 2 米 主要钢种是低合金钢和碳素结构钢 主要设备布置及生产过程流程如图l l 所示 l 上料台架卜 装 歹 2 li 进 夹 粗 1 中 钢 式 号 顶钢机k 辊 加 送 轧 号 轧 i b 飞 热辊 机剪机 i 道 剪 炉 l 双 精3裙 摆 辊 运成 轧号板冷 式 道 输 打 品 过包 机龟辊床 冷 链 链 跨 机 组剪道剪小 床床 左 1 淬火线 图1 1唐钢棒材生产工艺流程图 唐钢棒材厂加热炉设计加热能力15 0 吨 小时 燃料是重油及煤气混 烧 加热炉的步进梁及顶钢机都由一个独立的液压站 流量1 0 0 0 l m i n 驱 动 运行操作可实现全自动 也可实现手动或半自动 整条轧制线上共有 18 架轧机 粗 中 精轧机组各由6 架轧机组成 其中l 号至4 号为平立交 错布置的中6 8 5 粗轧机 5 号6 号为平立交错布置的m5 1 0 粗轧机 7 号一1 2 第一章概述 号为中4 3 0 平立交错的六架中轧机 1 3 到1 8 号为o3 4 0 平立交错的六架精轧 机 除粗轧机外 其它机组都是高刚度 短应力线卡盘式轧机 六架粗轧 机都是悬臂式辊环轧机 各机组均采用直流电机单独传动 其中粗轧机组 的传动形式为电机通过行星减速机 减速箱 轧辊箱驱动轧辊轴 中轧机 传动方式是电机通过减速机 万向传动轴 驱动轧辊 轧线上布置的剪子 l 号剪是曲柄剪 2 号 3 号剪为圆盘式飞剪 冷剪是摆动式飞剪 生产线 上的淬火线在生产有特殊要求的 级钢筋时使用 平时该部分使用替代辊 道 棒材厂的冷床是步进式冷床 全长1 3 2 米宽1 2 5 米 分成两个独立部分 分别由一组直流电机 通过蜗轮蜗杆减速机 驱动长传动轴 再由传动轴 带动偏心轮 驱动冷床床体实现步进 冷床输出的钢由搬钢小车搬到运输 辊道上 运至冷剪切成定尺 然后由托钢小车托运过跨 经运输链床运至 打包机打包 再运到成品收集链床上 经电子秤称重后 由电磁吊吊运至 货场 入库 整个生产过程通过计算机实现程序控制 1 2 设备及工作存在的主要问题 唐钢棒材厂自1 9 9 5 年投产以来 出现了一些问题 暴露出不少设备缺 陷及工艺缺陷 其中由5 1 0 轧机 特别是第五架轧机 轧辊轴多次发生断 裂 造成事故 这一故障 直接影响了轧钢生产的正常进行 迫切需要进 行分析处理 从而解决这一实际问题 粗轧机组的位置是轧线的最前端 使用的都是悬臂式轧机 该种轧机 的特点是结构紧凑 体积小 压下系统精密 换辊方便 辊缝径向调整采 用液压马达 驱动蜗轮 蜗杆系统 带动偏心套 利用齿轮传动的可分离 特性实现的 导位框架等的固定采用液压缸卡紧 其中中5 l o 机组原装进口轧辊轴生产中断裂后换上了国产的轧辊轴 所用材料为2 0 g r n i m o a 轧辊轴经常断裂的部位是轧辊轴上装大油膜轴承 位置的前后两端 轧辊轴在该部位的直径为3 0 5 m m 该轴重负荷侧和轻负 荷侧都由油膜轴承支撑 大油膜轴承直径3 0 5 m m 小油膜轴承直径2 5 0 m m 并在轻负荷侧采用止推球轴承进行轴向定位在轧钢生产过程中 粗轧机组 中第五架5 1 0 机组发生了多次断轴事故 严重影响了轧钢生产的顺利进行 1 3 文献综述及解决问题的基本方案 为解决粗轧机第五架轧机辊轴的断裂问题 必须进行两个方面的分析 第一章概述 研究 一是从工艺方面 二是从零件的结构强度分析 从而找出故障的真 正原因 得到解决问题的有效办法 1 3 1 工艺分析 工艺分析是指从轧制工艺上去研究分析轧辊轴的断裂原因 它包括的 主要内容有 各种轧制参数及孔型配置的研究 现场测试分析等 工艺分 析也包括轧制负荷的考查 在理论上 工艺分析可以借助于塑性力学及轧制原理等方面理论 计 算出作用在轧辊轴上的轧制压力 轧件作用在轧辊的总压力 等于单位压 力及单位摩擦力在合力作用方向上的投影沿接触弧的积分和 实际计算轧 制总压力时常采用单位压力的平均值p 与接触面积的乘积 计算接触面积 实质上是计算接触弧长度 在型钢轧制中对不同孔型 它的接触面积 亦即接触弧的长度有不同计算方法 计算平均单位压力 也有很多方法 其计算公式主要有 采列柯夫公式 勃兰特一福特公式 西姆斯公式 斯通公式 伊卓公 式 根据卡尔曼的均匀压缩理论和奥洛万的不均匀压缩理论 从不同的附 加假设条件出发 许多研究者导出了各自不同的计算公式 主要有希尔近 似公式 奥洛万一帕斯科克公式 亚历山大一福特公式 埃克伦德公式 志田公式 齐腾公式 根据不同轧制条件 可选用不同的单位平均压力计 算公式 从而得到比较准确的结果 在轧制宽度较大的轧件时 考虑有无张力轧制 可选用不同形式的采 列柯夫计算公式 勃兰特一福特公式的使用条件是 忽略宽展 接触表面 产生干摩擦滑动 摩擦系数不变 轧件在变形区内产生均匀压缩 主应力 沿断面高度的分布不均匀 斯通公式适用于冷轧薄板的平均单位压力的计 算 伊卓公式适用于热轧碳钢的轧制力的确定 希尔近似公式对于不带张 力的轧制 计算轧制压力比较方便 奥洛万一帕斯科克计算公式是确定热 轧 轧制力的简化公式 埃克伦德计算公式适用于轧制温度大于8 0 0 轧材含锰量小于1 含铬量小于2 3 的情况 志田公式是对西姆斯公式 进行修正和简化而得到的 齐腾公式适用于轧制钢坯及厚板时轧制力的计 算 结合唐钢棒材厂的生产实际 从这些公式中可选择出合适的计算公式 如西姆斯公式 伊卓公式 奥洛万一帕斯科克公式 埃克伦德公式等 根 据这些公式 在理论上可计算出各个道次的轧制力 在实际上 如果条件许可 可以通过测试的方法实测到各道次的轧制 第一章概述 力 借助于测试技术等方面的理论和必要的实验装置即能获得较准确的数 据 从电力拖动方面考虑 电机输出的力矩 可按下式计算 3 l m 争 m m 胁 m 抽 式中m e 一一轧辊上的轧制力矩 i 一一减速比 肼一一附加摩擦力矩 m k 一一空转力矩 如 一一动力矩 在同等轧制状态下m i m k m g 是固定的 因此设置轧机空转 即 m e 为零 此时电机的输出力矩即为嘶 坝 慨 之和 设为 再测 出正常轧钢时的m d m o 与 之差即为m f i 从而得至r j m e 在二辊轧机 上每个轧辊轴的扭矩为m e 的1 2 根据扭矩值及各道次的几何数据可计算 出作用于轧辊轴上的轧制力 工艺分析还涉及孔型的优化配置等工艺理论 1 3 2 结构分析 结构分析是指从轧辊轴本身的许用强度及结构特点出发 去研究分析 ul 挝 j 监 6 l l 冈il i 卅 广一 i i i llllil i l i l i liil i i l 1 i 行星减速卜苌 l l l i i l il 图l 2 立式轧机结构简图 l 一减速齿轮箱 2 一轧辊轴3 一轧辊箱摇臂 4 一辊环5 一轧辊箱枢轴 6 一齿轮箱与轧辊箱啮合齿轮 4 3 第一章概述 它的断裂原因 强度分析主要包括按许用扭应力 许用弯曲应力的计算 以及疲劳强度的校核 强度分析在此有两种 一是经典的零件强度设计校 核 二是有限元技术分析方法 粗轧机组结构简图如图1 2 图1 3 所示 h 65 图1 3 水平机架结构简图 1 一减速机2 一减速箱与轧辊箱啮台齿轮3 一轧辊轴4 一辊环 5 一轧辊箱枢轴6 一轧辊箱摇臂 轧机各机架主要传动参数见表1 1 表1 1 粗轧机各机架主要传动参数 总输入传电机转矩电机功率电机转速 机架号总速比 动惯量 n m k w 转 分 l h1 0 3 0 71 1 8 05 7 8 0 5 65 2 28 5 0 1 2 7 5 2 v7 7 2 3 61 1 8 05 7 8 0 5 65 2 28 5 0 1 2 7 5 3 h6 2 6 0 91 1 8 05 7 8 0 5 65 2 28 5 0 1 2 7 5 4 v4 8 8 9 41 1 8 05 7 8 0 5 65 2 28 5 0 1 2 7 5 5 h2 4 8 0 61 1 5 07 4 3 2 1 55 7 l8 5 0 1 2 7 5 6 v1 8 0 8 91 15 07 4 3 2 1 55 7 l8 5 0 1 2 7 5 注 h 一水平机架v 一立式机架 4 第一章概述 轴类零件的经典强度分析是根据轴类零件上各个部位的扭矩 弯矩计 算出该部位的最小许用直径 或者根据轴类零件各部位的直径 计算出该 处的晟大许用扭矩 弯矩 同时 还考虑到足够的安全系数 以及刚度 振动 稳定性等方面限制 这种方法主要根据材料力学及工程等方面的理 论 依靠大量手算比较繁琐 有限单元法f e m f i m t ee l e m e n tm e t h o d 是一种高度有效的结构分析 方法 它广泛应用于机械工程等学科领域 计算机技术的日益发展更为有 限元分析技术提供了良好的条件 它不仅可以对已有结构进行校核计算 并且能够对设计构件中的模型进行多种方案的分析比较并选择出最佳方 案 有限单元法早在1 9 4 3 年就已经开始在数学界进行研究 六十年代初有 限元主要应用于计算简单的零部件 大的 复杂的问题尚不能解决 到七 十年代有限元计算 主要是使用大型计算机 编制大程序解决较大问题 近二十年来 随着微机和计算机技术的迅速发展 已开发出一批适用于微 机有限元分析的通用软件 1 4 本文研究的主要内容 本文是对唐钢棒材厂粗轧机组中的第五架轧机轧辊轴断裂故障的研 究 其主要内容包括对唐钢棒材厂轧钢生产过程的工艺分析和对轧辊轴进 行结构强度分析 通过工艺分析 提出合理均衡配置轧制载荷的方案 通过强度分析 优化并改善轧辊轴的结构 并对其选材 机械加工及热处理工艺过程提出 改进方案 总之 通过本课题的研究 找出其故障的主要原因 提出有效的改进 方案 从而减少或避免轧辊轴的断裂事故 提高唐钢棒材厂轧制生产的经 济效益 第二章轧制工艺过程分析 2 1 基本参数 第二章轧制工艺过程分析 2 1 1 钢坯规格及允许偏差 截面面积1 6 5 1 6 5 r a m 偏差 5 m m 长度1 2 0 0 0 m m 偏差 8 0 m m 2 1 2 钢坯品种及加热温度 1 普碳钢 1 0 5 0 一1 1 5 0 2 低合金钢 1 0 5 0 一1 15 0 2 1 3 各轧制道次孔型参数 棒材厂产品规格主要有中1 2 中1 4 该两种螺纹钢采用三线切分轧 制 o1 6 中18 该两种螺纹钢采用两线切分轧制 中2 0 中2 2 巾 2 5 中2 8 中3 2 m3 6 o 4 0 等各种规格螺纹钢 以及巾1 4 一m5 0 各种规 格圆钢 本文仅以2 0 r a m 螺纹钢为例 进行工艺过程分析 粗轧机的轧制孔型 布置在辊环上 辊环装配在轧辊轴上 靠专用液 压小车 实施拆装操作 比较方便 中 精轧机的孔型车制在轧辊上 轧 辊装配在卡盘机架内 卡盘机架经过液压螺母等固定系统卡固在机组上 并经过万向传动轴与传动系统连接 轧制巾2 0 螺纹钢各道次孔型图及参数见表2 1 2 1 4 各机架传动参数 关于1 1 8 架轧机各机组传动参数见表2 2 7 第二章轧制工艺过程分析 表2 1 轧制0 2 0 螺纹钢各道次孔型图及参数 机架孔型孔型几何尺寸 m m 轧件面积延伸 号形状名称 高度宽度辊缝 m m 系数 l ho 箱 1 1 6 0l8 0 o1 52 0 4 5 9 71 3 2 4 7 2 vo 箱 1 2 9 01 2 9 0151 6 1 6 2 71 2 6 5 8 3 ho 椭圆 8 6 0l5 0 o151 13 9 5 51 4 18 3 4 v o 圆1 0 5 01 0 5 0 158 6 5 9 o1 3 1 6 0 5 ho 椭圆 6 2 91 1 8 31 55 9 1 7 41 4 6 3 3 6 v o 圆 7 6 07 6 01 04 5 3 6 51 3 0 4 3 7 ho 椭圆 4 5 78 7 78 8 103 9 1 6 o1 15 8 4 8 v o圆 5 6 95 5 59 42 4 9 6 91 2 7 9 9 9 ho 椭圆3 4 76 6 o 7 81 8 4 5 71 3 5 2 8 v o 圆4 5 54 1 01 0 0 1 5 4 81 2 2 7 l 1 1 ho 椭圆 3 0 74 9 66 11 2 6 01 2 4 7 0 1 2 v o圆 3 7 23 4 87 41 3 4 71 16 5 5 1 3 ho 椭圆 2 5 74 1 34 98 3 9 81 2 3 2 0 1 4 v o 圆2 9 23 1 05 87 2 2 21 1 6 2 8 1 5 ho 椭圆 2 0 33 6 94 55 8 4 41 2 3 5 7 1 6 v o圆 2 5 92 4 o5 44 8 9 01 1 7 3 4 1 7 ho 椭圆 1 4 93 1 53 04 2 6 61 1 6 7 3 1 8 v o圆 2 0 2 62 0 2 62 0 03 2 2 41 3 2 3 2 表2 2 各机组传动参数 机架 减速比 电机转数轧辊转数电机容量 号 转 分 转 分 k w 1 h1 0 3 6 7 40 8 5 0 1 2 7 58 9s 2 2 2 v7 7 0 3 60 1 8 5 0 1 1 2 7 51 1 55 2 2 3 h6 2 6 0 90 8 5 0 1 2 7 515 os 2 2 4 v4 3 8 9 40 8 5 0 1 2 7 52 0 o5 2 2 5 h2 4 8 0 60 1 6 5 0 13 0 0 3 8 56 7 0 6 v1 8 0 8 90 1 6 5 0 1 3 0 05 1 36 7 0 7 h1 1 5 9 10 6 5 0 1 3 0 07 6 66 7 0 8 v8 8 3 70 1 6 5 0 1 3 0 09 9 96 7 0 9 h6 5 7 l0 1 6 5 0 l3 0 01 3 0 58 2 2 1 0 v4 6 5 70 6 5 0 l3 0 01 6 2 48 2 2 l l h4 0 5 90 6 5 0 13 0 01 9 8 98 2 2 1 2 v3 0 7 40 6 5 0 13 0 02 3 3 98 2 2 1 3 h2 5 0 00 1 6 5 0 13 0 03 0 4 28 2 2 1 4 v1 9 4 70 6 5 0 门3 0 03 5 6 78 2 2 1 5 h1 4 1 50 6 5 0 1 3 0 05 1 2 48 2 2 1 6 v1 2 1 90 6 5 0 l3 0 06 0 8 28 2 2 1 7 h1 1 7 40 6 5 0 门3 0 07 0 0 48 2 2 1 8 v1 0 1 40 6 5 0 l3 0 09 3 5 78 2 2 8 第一二章轧制工艺过程分析 2 2 轧制负荷计算 2 2 1 轧制过程中各道次的平均单位压力 本题以轧制中2 0 螺为例考查各主要道次的轧制载荷情况 根据唐钢棒材厂轧制的特点及本题的实际状况 选用s 艾克隆德计 算式来确定轧制过程中的平均单位压力p p 1 m k 1 7 2 一i 式中m k 一一计算系数 7 一一粘度系数 一一变形系数 计算系数m h l 式中 一一摩擦系数 对于钢轧辊 掣 1 0 5 0 0 0 0 5 t r 一一轧辊半径 h h i 一一轧制前后轧件的高度 计算系数k 按下式计算 k 13 7 0 0 9 8 t 1 4 c 肘n o 3 c r 式中t 一一轧制温度 c m n c r 一一分别为轧件含碳 锰 铬量的百分数 粘度系数 7 按下式计算 目 0 0 l 1 3 7 0 0 9 8 t c 口 式中c 为考虑轧制速度对n 的影响系数 可按表2 3 选取 表2 3 轧制速度对目的影响 2 1 a l 轧制速度 m s 巍辊轴镲分转韵撰梅蓠强 翻3 一l 巍辊辘动力转动簿蜜 1 一轧辊轴齿轮 d l 4 0 2 2 一减速箱输如齿轮 d 2 4 5 7 3 轧辊轴 4 一耗辘辘轴承5 一鞋辘辖摇赣6 一乾辊轴辊王l l 第三章结构强度分析 为了对轧辊轴进行麓力分析 首先给出轧辊轴结构图如下 燃3 2 轧凝轴结构图 轧辍轴受力分析见圈3 3 n lf 飞 n 己 l 妒 赢f n 湖 怩 3 套b叠9 7 图3 3 轧辊轴受力示意图 由于m r m p 1 3 4 7 k n m p 一1 4 6 5 式 f 埤 6 7 0 1 t 9 2 0 2 3 3 3 柳 1 c o s 8c o s l 2 五 彘一等丝 6 7 0 1 d 20 4 0 2 删 f 4 s 第三章结构强度分析 贝u f o f x 留p 6 7 0 1 t g l 2 1 4 2 5 k n 由 m r 0 得 n l 4 4 8 5 k n n 2 2 1 7 9 9 5 足 由 帆 0 得 n 1 1 4 9 7 6 k n n 2 8 3 5 4 k n 由 版 o 得 n 1 f a 1 4 2 5 k n 以上符号的意义 坼为齿轮输入扭矩 m e 为轧制力矩 p 为轧制力 为齿轮切向力 l 2 v 1 1 2 l 等都为约束反力 轧辊轴的弯矩图 扭矩图如图3 4 所示 x z 面弯矩图 一 f 彳 4 7 5 1 k n m 彳i1 斩lli ab x y 面弯矩图 4 1 0 5 k n m cd ab 合成弯矩图 cd 4 3 5 1 0 5 k n m 一 4 9 j 3 5 0 k n m i 秆们l ab 扭矩图 cd l3 4 7 k n m 0 图3 4 轧辊轴受力弯矩 扭矩图 1 9 o 第三章结构强度分析 3 1 2 轧辊轴强度校核 唐钢棒材厂投产以后 粗轧机组第五机架多次发生轧辊轴断裂事故 其断裂部位大多发生于图3 2 中i i 断面和l i i i 断面处 这一部位 是大油膜轴承支撑处的前后两端 从弯矩图中可以看出该处的弯矩最大 弯矩胁 4 3 5 1 0 5 k n m 扭矩m n 13 4 7 k n m 轧辊材料为2 0 g r n i m o a 其抗拉强度 ob 1 l5 0 m p a 屈服强度 os 1 1 0 0 m p a 按第四强度理论轧辊轴在扭转与弯曲 组合变形下的强度条件为 古扣丽茎 a 3 1 其中抗弯截面系数 w d3 l f 0 3 0 5 1 3 3 23 2 m w 4 3 5 1 0 5 k n m m n 1 3 4 7 k n m 古厢 1 7 1 9 2 m p a 海上式蕊楚霄教繇下鍪 矗辩莪涮蓬力p 的铡终邃蒙荚黎鞍簸杂 且影鹂稷发缀大 是若毽定轧铡握力大小的又 个主要因素 对链测逮凄v 萋曩轧俘宽度b 取导 宴 舔 黜为常数 素 弼 t 黜弼吊裂 塞弛 a o 为常数 4 5 4 6 可嫩轧制速度 转件宽度对轧制压力的影蛹较小 函数关系为 次 函数 轧制过襁的前后张力对轧制力矩有影响 前张力使轧制力矩减少 后张力使轧制力矩增大 在棒线材轧翎时 辘制张力不靛避大 蹙微张 力辊割 敬辘潮强力奁藏对赣涮载荷瓣影滴缀小 轧稍漱痰鹃摄赢 疆淤大大降低转涮聪力 德它受弱严橇秘戳涮 不 怒超遂残定簸 嚣馥改变转凝的饔效筮下整楚竣交载裁瑟力靛窍效途径 辍耗梳组轻铡力分毒及惩 攀系数分套分别翔辫4 1 及4 2 搿苯 第凹苹解决轧辊轴置岂的研究 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 1 0 k n 笊 卜 1 8 9 k 1 0 4 7 o123456 轧制道执 翻4 1 掇孰飒组孰剃力分蠢翻 5 ll 帅多k i 3 2 4 7 1k 土 r i 2 6 5 洒8 r 13 l 舀01 l l l l 1 0 4 3 0 123 456 轧铡道次 圈4 2 粗轧机组延伸系数分布 粗轧机组总延伸系数 el l 5 9 7 3 3 褪乾梳维的平均延镩系数 辍 癍 惭 l t 3 2 9 第五架的延伸系数是1 4 6 3 3 第二絮的蜒 申系数值为1 2 6 5 8 第4 架为1 3 1 6 0 可觅第五柴轧枫的延伸照比平均值高 第二 四架轧机延 伸鼍比平均值低 而第赢架和第六都楚5 1 0 机组 前4 架都是6 8 5 机组 5 6 粲 l 机轧辊轴冼前4 架细的多 可觅扶延伸量分配上第五粱5 1 0 机 组承担的偏高 丽第二 四架6 8 5 机缀承担的偏低 从轧视的有效压下羹方面看 第二 四两絮立式轧税有效隧下量偏小 故轧制力偏低 第一 三 五架轧机 特别鼹第五 架轧机有效压下量 编大 故轧制力偏高 5 4 3 2 l 0 第凹章解决轧辊轴工艺的耐f 究 4 1 2 轧 牛的皎入条件 图4 3 为轧件咬入时的受力图 图4 3 轧件皎入受力图 靛搜耗辊正辫咬灭辍 譬 豢矮襞落鑫摩擦力 翁瘩平分量 大予爰 压力 的水平分黛1 7 1 即 tc o s 疆 ns i na a 为笈入角 4 7 令 t n u b 溺海咬入簿擦系数 在鳘锈转涮孛己强僮一般免0 3 6 0 4 7 由 4 7 式知 r f f t g 4 即在整钢轧剃时t g a 必须小于o 3 6 0 4 7 7 由此可知最大咬入角 般在2 0 2 5 c n r a h t 2 霆 i a h 一2 f l 一 口j 4 0 招四章解决轧辊轴工艺的研究 故比值 h r 最大在l 8 1 6 之间 亦即糨轧机的5 1 0 机组最大压下 量程6 3 8 3 之间 h m m 5 0 4 s 4 0 3 5 3 0 2 5 0123456轧制道次 图4 4 鞭转梳有敲鹾f 虽分布匿 图4 4 为粗筏机有效压下鬣分布圈 觚诧豳上番第五檠钝梳愿下量 己在设计时考虑了较小德 但幽于该架出口为椭圆 接触孤长及宽展都 吃2 4 6 架大的多 所敬再爆量减少第五絮藐梳筑枫的露效压力下量 是解决问题的关键 从生产实际出发 在粗轧机组范围内 进行小范围 个羽架次我墅静修改藏聪良增绷蒙受蔹较轻懿絮次静承载繁 扶蕊减小 第氘架轧机的有效压下爨和载荷 是缀济的 可行的 4 1 3 孔攫改善 获工艺分摄嚣 为缀轻矗絮毵辊王终受蕊 对毙靼絮 五絮 六絮 轧机轧制力和轧制力矩 四架轧机轧制力1 8 9 1 k n 轧制力矩2 2 1 9 k n m 盘絮轧到力1 4 6 5 k n 孰铡力矩13 7 4k n m 六絮轧铡力1 0 4 7 k n 轧制力矩9 2 5 9k n m 从工艺角度分析 因前四架为6 8 5 轧机 轧机 能力较大 可采用压下鬟调整的方法 弱邦逡当调熬西 轰 六絮各道 次j 益f 量分配 即 直接增加第四道次的压下量 并通过孔型修改 降 低矗桨压下量的方法 达到减轻第五架轧枫受萄的羁的 为此 对矗架 孔型图进行修改 修改厝的第四架 第五架孔型图分别如图4 4 4 5 所 币 4 l 第四章解决轧辊轴 慧的研究 圈4 4 翻架礼黧蹦 翻4 5 五紫魏裂魁 1 孔型改进后的咬入条件梭祓 遥架孔塑改遂矮 其轧飒平均攫下量炎 矗h 螋一 8 6 5 9 5 0 0 4 r a m 8 6j 0 5 4 2 颦图枣解决筑辗轴工芑躺研究 此时皎入角为 c o s 龇 l 一垒生 1 5 0 0 4 2 x3 0 6 0 9 1 8 2 2 霁 褥到 a 2 3 3 瀵熙转辍咬入条髂 五架孔聚改进后 篡轧机平均压下量为 h 一2 9 l 毫张 此肘皎八角为 c s 程 l 一生 垒 l 2 多 1 1 2 2 3 0 5 0 9 3 8 7 2 霹 褥到 a 2 0 4 潦懋载辍皎入条孛 五絮狂黧泼遴蜃 出予魏 孛尺寸变化 六架轧枫平均压下鳖为 h 3 3 8 毫米 j 磁辩皎入角海 s 程 l 垒塑 l 3 3 8 忿 2 2 5 5 0 9 2 5 6 2 霆 褥到 路一2 1 7 熟满足转辍滚灭条转 2 孔型修改后逮度变化 爨鞭蘩 轰絮藐登足寸镦修浚 箕毽蘩次羲锌足寸 孔黧尺寸浚蠢受 纯 掰戳为了缳涯开魏及终筑速度不改变 妊缀鞠应对五絮轧枫速度调 整 根攒遴轧秒流量掴铸原则 五架辘件尺寸变大 压下减少 箕轧件 速度褥变小 i v i f 2v2 j jv3 螺 f 5v5 黧 l7v1 7 f i8vl8 式中芦一一轧徉蕊积 v 一 辕 牛速度 嚣黎飘 譬速癀 v4 一f lgp l g f 4 0 7 l 零 秒 五架轧件速度 s f l8vl8 f 5 o 8 9 4 4 米 秒 第鲻带解决轧辊轴工艺韵研究 孔型改遴螽 四架 五架 六架轧枫负荷将相应发生变化 掰纂他机 架因i l 型 速度等因素不变 相应轧机负荷不发生变化 3 四架轧机轧制力 轧制力矩计算 由艾克鼹德公式计算 1 乎魏擎位压力 r 1 脚 足 t 1 甜 1 m 为外摩擦力对单位压力影响系数 篡计算公式如下 1 6 1 a r h o 一女 一1 2 螽1 m 一 魂 矗l 式中 一一轧件与轧辊摩擦系数 一t 1 0 5 0 0 0 0 5t 对钢辍艚l 敬1 0 设轧制滠廑为1 0 3 5 列 口 1 0 x t 0 5 0 0 0 0 5 1 0 3 5 r 轧辊工作半径 r 3 0 6 m m 又压下嫠 h 5 0 0 4m m 代入上式得到 一1 6x0 5325x 306x50 04 1 2 50 0 4m 0 1 7 7 孽 一一 1 0 5 1 5 0 2 k 为静压力下单位变形抗力系数 其计算公式如下 拦 13 7 0 0 9 8f 1 4 c m n o 3 c r 对2 0 m n s i c 取o 2 0 m n 取1 4 剐 岸一1 0 9 5 m p a m m 2 3 n 为被轧钢材粘度系数 其计算公式如下 r l o 0 t x 1 3 7 一o 0 9 8 f c 若轧锈速度系数c 取i 0 剡 玎 o 0 3 6 5 第蹦章解决轧辊轴工艺的研究 4 甜为燮形速度系数 冀计算公式热下 2 v h o h i e 胪 r 当v 0 7 i m s 时 掰 1 5 9 5 3 1 移 5 平均肇位压力 尸 1 o 1 7 7 9 1 0 9 5 0 0 3 6 5 x1 5 9 5 3 1 2 9 m p a 6 接触馘积 足 蛰 5 1 0 5 1 5 0 x 3 0 6 5 0 0 4 1 7 2 l5 7 7 7 m m 2 7 轧制压力 p d p r 0 4 f 4 2 0 3 6 k n 8 不考虑张力影响 轧制力矩计算公式为 m 2 p 零 0 霆 矗蠡 若力臀系数中取o 5 则轧制力矩 m 4 2 x 2 0 3 6 o 5 x 3 0 6 5 0 0 4 1 7 2 2 5 l 9 8 k n m 2 赢繁鞔穰羲割力 麓潮力矩计箕 与四架计算相同 由艾克隧德公式计算可褥 平均蚺位压力 p m 1 0 2 0 8 x 1 0 8 7 8 0 0 3 7 3 7 1 9 一l3 l 5 m p a 接秘鬣裁 f 0 5 10 5 1 1 6 3 2 3 0 5 2 9 1 7 2 9 0 6 2 m m 2 轧制聪力 p 5 p 5 罗s l 9 2 k n 不考虑张力影响 轧露 力矩 m t 2 1 1 9 2 0 5 x 2 3 0 5 x 2 9 1 2 9 7 6 k n m 1 5 第四章解决轧辊轴丁艺的研究 3 六架辘机轧制力 轧制力矩计算 由艾克隆德公式计算 平均单位压力 p r 0 6 1 2 8 8 0 6 m p a 接触巍积 f o 0 5 6 3 9 十7 6 2 2 5 5 3 3 8 6 1 0 68 7 r a m 2 轧制压力 p p m 6 风 7 8 6 6 k n 不考虑张力影响 轧制力矩 m 2 x 7 8 6 6 x 0 5 x 厄丽丽弧 6 8 6 k n 膨 轻割参数修酸后 载蘅 有效压下耋及跫传系数分衣如图4 6 圈 4 9 所示 轧制力 1 0 n n 3 2 0 2 8 0 2 4 0 2 0 0 1 6 0 1 2 8 8 0 4 0 o i i 5 t t l k l 一 23456789101 112l3141 51 6l71 8 机架号 闰4 6 轧制舔力分布翻 第四章解决轧辊轴 r 艺的研究 轧制力矩 k n m 3 2 0 2 8 0 2 4 0 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 o l234567891 01 11 2 3 4l51 6 1 7l8 撬絮号 h m m 4 0 3 0 2 0 1 0 o 幽4 7 轧制力矩分布图 i t 1 一r 1 234567891 01 11 21 31 4l51 617 1 8 枫黎号 幽4 8 平均雁f 量分布幽 第删誊解决轧辊辘工艺韵研究 压延系数e k 1234567891 01 11 2131 4151 61718 帆架号 图4 9 压延系数分布图 4 4 改善轧糊参数后轧辗强度检查 减小第孤架轧机的压下爨 适当增加第四 六架轧机的压下糖后 从图4 5 和图4 6 可以看出邋样粗轧机组所承搬的载荷比较平均了 五 絮较改进翦载搿有较太幅凄下蹲 臻在在此即w 查一1 f 第五架辘秘敬型 以矗貔疲势强度 第五絮轧机孔型改造以聪轭制力为 p 1 1 9 3 k n 轧制力矩为 m p 9 7 6 k n m 在忽略了轧辊轴的附加黪擦力矩和空转力矩的情 况下 认为轧辊轴的输入力矩 m i u p 9 7 6 k n m 对照圈3 2 3 3 3 4 良及第三章静稠关诗葵过程妇 警 l 涮力p 为1 1 9 2 k n 扭矩m s 为9 7 6 k n m 时 危险截面的最大合成弯缒为 m w 3 5 4 0 2 4 k n m 危险颧瓣上酌弯蓝应力 和翘应力t 计算如下 咿丝 尝禁 5 5 5 2 矗l p a 4 w 耳f o 4 0 2 3 2 弯曲应力幅 4 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o l l l 0 0 o e 第戤蕈艇决轧辊轴工艺的研究 平均应力 o 0 扭应力威力幅和平均应力 t t 瓦m n 莉9 7 丽 6 x 三1 0 蕊0 0 4 5 8 5 m p a 禳据3 1 3 部分的畜关毽论褥公式 考查l l l 断瑟豹疲劳馕况 i 断丽 3 n 2 弋 1 3 s o i a 口4 辔a a s 衣2 蠢j 主 i3云3j7i 蕊5 l 5 2 i 断面疲劳强度安全系数 s 柑悄 h 断面 一 g 是吒 垂 6 b 鼓2 意 t 一 i l 断面疲劳强度安全系数 扳娄 2 妄 2 j i 1 2 1 五 2 2 s 二 一 一 三w 4 4 3 1 3 8 5 由以上疲劳强度分析可知经过局部改变轧制参数后第五架辄机承载 偏高的现敷明显改善 其轧辊轴疲劳强度有了很大的提高 安全系数已 第四章解决轧辊轴工艺的研究 达到了t 0 以上 虽然不是很高 但从理论上已基本满足设计要求 按 照同样的思路 在考虑改变其它轧机的孔型 对整个六架轧机进行均载 甚至考虑对包括中轧机组和精轧机组在内的整个轧机列进行均载 就能 更进一步降低第五架轧机的负荷 从而达到提高其抗疲劳强度 满足使 用要求的目的 4 2 改善结构的研究 零件的疲劳强度与零件的应力集中系数k 表面状态系数1 3 及零件 的绝对尺寸系数e 等结构参数及所选用轴料的材质等方面有着密切的关 系 因此 从改善零件的结构参数尽可能地减少应力集中 并选用优质 的合金钢做为轴材 采用适当的热处理方式提高轴的强度 来满足对零 件抗疲劳强度的要求也是一种常用的和行之有效的解决问题的途径 首先 根据材料力学的相关理论 机械零件的过渡圆角y 在一定范 围内适当的增大 将大大地减少应力集中系数 提高零件的表面粗糙度 零件的表面质量系数b 将会提高 特别是选用更高强 更优质的合金钢 做为轴料 可直接改变疲劳极限o i 和t i 的值 对提高轴的抗疲劳强 效果更加明显 对高强钢进行各种强化表面处理的方法很多 如高频淬 火 表面渗碳 表面渗氮等等方式 表面强化处理后 材料可充分发挥 其高强度的作用 大大提高其疲劳强度 根据以上理论 首先改变轧辊轴的某些结构参数 并对其表面进行 强化处理 结合轧辊轴本身的结构及使用的特点 我们在此改变l 断面处的过 渡圆角 由r 3 改为r 5 表面粗糙度仍选r a 0 8 同时对轴的表面进行 高频淬火处理 这样有关该轴的系数值如表4 1 所示 表4 1 轧辊轴强度计算系数值 系数 断八 五 世 母fof 1m 中 i 断面 2 1 019 02 8o 6 00 6 80 150 1 i i 断面 1 4 31 3 02 80 6 00 6 8o 15o 1 再考虑改变轴料的材质 国内高强度的轴首选材料是2 0 g r n i m o a 这种材质其静强度 第瓣章辩袭转辊辘工艺酌麟究 口b 1 1 5 0 m p a 邋几年国内弓l 进戆类镌冀辊械设备中 我们逶过对破断的辜斑进行奉孝质 纯验 发现缝裁弱豹是缓遥2 0g r 2 n i 4 w a 袋者是1 8 g r 2 n i 4 w a 斡毒季耩 在此我们考虑用2 0g r 2 n i 4 w a 该材料的静强度为 霹霓镬溺矗一穆耪瓣蒸势强度秘菝疲骛强度都毫缳大鬟亵 焱改变2 疆的结梅参数 并选用了合邋瓣糖矮后我们褥辩新黪疲劳 s口 131e纛 2 j i j 三面621 8 9 5 文2 赤2 b l 断谣的疲劳强度安全系数 s 3 4 5 塑一一 4 5 8 5 o 1 4 5 8 5 2 8 0 6 8 瓣 5 4 3 型一 1 3 1 4 1 塑 5 5 5 2 0 2 8 0 6 6 8 3 一a m 一 十 卫 互陀 一一 n d 黩灏 第四章解决轧辊轴工艺的研究 s t2 毒2 乏 i j 三 j 3 j 4 舌5 蕊2 9 6 5 i i 断面疲劳强度安全系数 s 一 7 7 8 1 2 1 2 可见 改善轧辊轴的结构参数 并对其表面进行强化处理以后 轧辊轴 的疲劳强度更进一步满足了使用要求 这中间的主要因素是改变了轧辊 轴的材质直接就提高了轴自身的强度 提高表面质量 避免了应力集中 现象 由以上分析计算可以看出 在提高轧辊轴的疲劳强度的途径中 从 工艺角度出发对粗轧机组进行均载有意识地减少第五架轧机的负荷是最 行之有效的 其次改变轴材提高轴自身的强度 改善表面质量 进行有 效地热处理 也是十分必要的 第五章结论与展望 5 1结论 第五章结论与展望 1 断轴原因分析 唐钢棒材厂粗轧机组中第5 号轧机轧辊轴频繁断裂的主要原因是轧 制工艺方面原设计有缺陷 轧制载荷分配不合理 粗轧机组中的第五架 轧机是由6 8 5 机型转入5 l o 机型的首架 孔型是椭圆 承担的载荷相对 过高 由高承载直接造成了第五架轧机轧辊轴的疲劳强度不够 同时轧 辊轴零件本身也存在一些不完善的因素 轧辊轴表面质量不符合使用要 求 原零件技术要求调质处理之后仅在轴头处高频淬火 轧辊轴的某些 结构参数及加工工艺等存在一定缺陷 造成轧辊轴存在应力集中 另外 在实际生产过程中 一旦出现轧制低温钢或头部温度低的现象 就加速 了轧辊轴的破坏速度 把影响轧辊轴破坏的因素归纳起来有以下几个方面 1 轧制工艺参数不合理 2 零件的材质 表面质量及结构参数有缺陷 3 实际生产中