高刚度轧机轴承负荷特性与轴向刚度分析

目前，国内外使用的短应力线高刚度轧机陈了极少数紧凑式超负荷高刚度轧机外，普遍采用四列短圆柱滚子轴承传递轧制负荷。实践表明，轴承的工作寿命和异常损坏及轴向窜动大已成为当今高刚度轧机正常工作和进一步推广使用的严重障碍。

传统的小型、线材轧机工作机座为适应精密轧翩拔术发展的需要。其自身结构型式发生了巨大变革。实现轧制成品尺寸及形状的高精度化具有重大的经济意义。它可使收得率提高5~10%，为拉拔等后序深加工提供精密坯，提高拉拔成品质量和拉模寿命，甚至实现以轧代拔制，革除拉拔工序。

成品的高精度化主要取决于轧机工作机座的机型与必备水平。传统中小型、线材轧机只能提供具有普通精度公差的成品。Hans.G in等人早已指明轧机工作机座的刚度是受力元件截面积和长度两者的函数。旨在提高轧机工作机座的刚度而出现的备类预应力轧机虽可减少弹跳量.但正如Ormer等人的证明，增加刚度是有限的。摆脱传统设计思想的束缚而出现的短应力线高刚度轧机，革除了普通轧机的高大牌坊，轧制力平衡回线短，将轧机纵向刚度提高到目前的最高水平，推动了精密轧制技术的发展。

最早的短应力线高刚度轧机是40年代中期瑞典中央莫格斯哈马公司研制的P500型无牌坊轧机，由三角架固定在地基上，于60年代末被我国长城钢厂引进使用。第二代高刚度轧机-瑞典中央奠格斯哈马公司的P60。型轧机于6O年代问世，我国80年代初出现的GY型短应力线轧机就是参考此轧机的原理设计的。同一时期，意大利的Porrdnl Parrel公司研制了"红圈"轧机，"红圈"指轧制力平衡回线。我国参考"红圈"轧机结构原理随后在80年代中期研制了SY型高刚度轧机，其特点是革除了三角架。增设了旨在提高轴向刚度的方柱结构。

目前，国产的短应力线高刚度轧机主要用于取代横列式轧机的成品机座及成品前机座而广泛应用在近一半的小型、线材轧机上，为精密化技术改造发挥了积极作用。但是，正如冶金部有关文件所指出的，上述高刚度轧机的现场运转实践表明，重载滚子轴承寿命低甚至发生烧熔;轴向窜动量大影响产品精度;轴向调节与固定系统事故频繁 这些隐患降低产品质量，影响轧机作业率，阻碍新机型发挥预期效能。

本研制针对短应力线高刚度轧机所存在的轴承负荷特性、轴向固定与调节性能等问题，应用弹静定机构自位原理 振动理论及其测试实验进行分析，在开发其关键技术的基础上研制了三铰拉杆方柱型高刚度轧机 。

唐钢第一钢厂作用的原短应力线高刚度轧机四列短圆柱滚子轴承，在额定轧制负荷下频繁发生烧熔事故。对原轧机轴承的轧翩力回线所在的平面弹性静定自位机构分析看出，实现各列均匀受载是不可靠的。上下两个轧辊轴线所在平面上，将位于平行平面上的拉扦和方柱的轴线重迭在一起简化成轧辊(视为弹性弯曲杼)、轴承座、拉杆、球面垫及方柱相对于底座的平面弹性杆系。轧辊与轴承座之间只有相对旋转运动。限于平面弹性杆系的分析。可把两者视为一体。球面垫在轴承座镗孔内，设计成允许轴向位移2~3mm，可视为滑块。

球面垫球心因拉杆与螺母联结而位于拉杆轴线的某一位置上。轴承座滑槽与方柱相联接1形成滑副。当轴承座滑槽和方柱间无间隙时，弹性杆系的杆件数为2，低副数为3，高副数为0，故轴承座自由度为0，亦即轴承座不能倾斜转角而成为刚性支座 若当轴承座滑槽和方柱同留有间隙或松动，此滑副作用便会失效，减少了一个低副，轴承座自由度变为2，轴承座成为轴向来固定状态，影响成品精度与真图度的实际窜动量在不计止推轴承游隙情况下也会超过一个辊窜动量的两倍。由此可见，从自位机构上讲不可能实现轴承座的轴向固定和可靠的自位作用，并且自位和轴向固定互相对立，两者不可能同时得到保证。

三铰拉杆方柱型高刚度轧机在原短应力线高刚度轧机的基础上配置了确保轴承自位的三铰一滑副机构取代原一铰二滑副机构。

当轧辊受轧制力而产生弯曲变形时，轴承座跟随轧辊轴线的倾斜摆动，轧辊卸载时靠轧辊的弹性恢复使轧辊轴线为水平线，轴承座跟随恢复原位，确保轴承座内的四列短圆柱滚子轴承各列均载，从而提高了轴承的工作寿命。这种结构由于轧辊轴承座滑槽铰链的安装间隙靠强化紧顶螺钉得以消除和控制，故具有轧辊轴向高刚度性能当轧辊受轧制力作用而处于弯曲时，轴承座随着辊颈的倾斜而转角的能力称自位性能，它决定了轧机轴承的负荷特性 为了证实不同的负荷特性，对唐钢第一轧钢厂的原高刚度轧机和本轧机进行了离线和在线两种现场测试实验。

在上轴承座外端垂直面上白上而下选择3个测试点，侧出直到对应轧制力P一143.26kN的轴向变形量。原高刚度轧机轴承座的上部两点变形量在受载范围内一直保持为0。下部测量点的变形虽不大，但同上部两点连接起来没有形成转角变形. 因此下部测量点的变形时只能考虑为辊颈倾斜引起的弹性变形。另外，在轧辊受载范围内轴承座相对方柱的滑移量测量值为0。然而，在同一负荷和测试条件下，本轧机的3个测量点变形量连成一条直线且相对垂直线旋转一定角度 上述测量结果足以证明原高刚度轧机在轴向固定场合下不具有自位性能。与此相反，本轧机确保了自位性能 。

轧机一般都具有轧辊轴向调节机构以调整孔型。同时，轧辊与轴承座之间必须轴向固定以确保必要的轴向刚度。为了重点阐明轧机的轴向刚度，对原轧机和三铰拉杆方柱型高刚度轧机进行了固有频率和振型的理论计算与测试。

最终将元件的单元传递矩阵按高刚度轧机力学模型装配成总体传递矩阵，根据已知的边界条件求解状态变量。两种高刚度轧机振动的前几阶固有频率计算值示于附表。很明显，三铰拉杆方柱型高刚度轧机的垂直和轴向振动频率远远高于原高刚度轧机。原高刚度轧机的轴向振动一阶固有频率只有38.276rad/s，低于轧辊转速频率60.16rad/s，说明容易受激发生轴向共振现象。对于两种高刚度轧机的振动特性还进行现场测试，其结果与计算值 相一致，证明本轧机的研制是严格和精细的。

(1)对当前推广使用的短应力线高刚度轧机普遍存在而长期得不到解决的轴承烧熔和轴向窜动大的问题，建立弹性杆系自由度分析和三维弹性接触边界元法相结合的轧机自位理论，并研制成功具有可靠自位机构的三铰拉杆方柱型高刚度轧机。通过现场离线和在线的自位性能测试及在线振动特性测试，证明了理论和关键技术成果的可靠性。本轧机已获国家发明专利。

(2)原存在的轧辊轴向调节螺纹机构易脱扣事故，因自位问题得到解决而自行消失 。