短应力路径非对称多功能轧机的发展

李宝伟

（山东钢铁集团日照有限公司， 山东 日照 276800）

20世纪40年代，第一个短应力路径轧机在瑞典成功研制[1]。随着铣削精度的不断提高和轧制技术的不断发展，短应力路径高刚性轧机近年来越来越受欢迎。所谓的短应力路径轧机是轧机缩短应力路径的一般术语。短应力线结构可以大大提高轧机刚性，防止机器变形。因此，世界各地的设备制造商（如摩根，SMS，神户钢铁，丹尼利等）纷纷开发各种短应力路径轧机。

在本文中，新轧机由CISDI工程有限公司和重庆大学共同开发。此轧机取消了外壳，轴承座由四根杆连接起来。这大大缩短了应力路径，提高了轧机的刚性。轧机上辊和下辊由齿轮减速电机单独驱动，轧机可以通过交流变频调速器实现辊速调节，实现非对称轧制。轧机不仅可以生产圆形和条形板材，还可以通过不同槽的轧辊生产型材。轧机适用于钢和有色金属（如镁，铝，钛，铜，钴等）的轧制。此外，还可用于热轧和冷轧。另外，轧机采用四列圆柱滚子轴承，具有较高的承载能力，更长的使用寿命，安装维护方便。

1 短应力路径轧机的特点

抵抗结构变形的能力称为刚度。刚度系数K可以表示为：

式中:P为轧制力；f为轧机机架的弹性变形量，f=fB=fK，fB为轧辊的弹簧变形量，fK为轧机除了轧辊弹簧之外的弹簧变形量。

也就是压缩部分的压缩变形总和是拉伸部分的拉伸变形和弯曲折弯的变弯部位结合。

因此，轧机的刚性与轧机机架的变形成反比。提高刚性的本质就是减少fB和fK。对于传统的轧机，由四个部件组成的轧机机架的变形fK，公式可以表示为[2]：

式中：R为单磨机架窗口半径；E为弹性模量；I为零件惯性力矩；L1，L2，L3，W 分别为相应部件的长度；A1，A2，A3分别为相应部件的截面积。α为刚度系数。

传统轧机应力路径示意图如图1所示。同时也是等式（2）在图1中描述。

相比之下，短应力路径轧机去掉了螺丝，L2和L3的变形为零，L1的长度比传统的轧机短得多（见图2）。另外，短应力路径轧机使用大惯性矩轴承座来代替上下横梁，也就是说使I增加。在短应力路径轧机中，使用具有高机械性能的4个拉杆来代替机械性能差的立柱。使拉杆靠近滚子轴承，减小W的值。根据式（2），通过上述措施减小了短应力路径轧机的变形。因此，短应力路径轧机的刚性得到显著改善。

图1 常规轧机应力路径示意图

图2 短应力路径轧机应力路径示意图

与常规轧机相比，短应力路径轧机具有以下突出优点：

1）短应力路径轧机确保高刚性[3]。生产可以获得高质量和精确度。

2）轴承和轴承座的力比常规轧机好。轴承的使用寿命延长了约1.5倍，生产成本降低。

3）滚子的对称调节可以轻松实现。原因是4个杆具有左右螺纹，因此上下辊可以对称地调节。这一点对工厂来说是非常重要的。

4）滚筒更换可以作为一个单元的平台。减少更换辊子的时间，增加轧机的运行效率。

5）短应力路径轧机具有结构紧凑，质量轻，预设性能好等特点。

2 设计主要参数

经过对实验条件和技术要求的分析和研究，根据实际经验和理论计算确定了短应力路径轧机的主要参数。短应力路径轧机的主要参数如表1所示。

轧制力是轧机的重要参数。Sims模型采用条形轧制力公式，如式（3）和（4）所示。

表1 短应力路径轧机主要参数表

式中：为单位平均压力；l′为接触长度；b为板的宽度；σ为变形阻力；ε为通过量的减少；hexit为出口的厚度；hnp为中性点的厚度。

短应力路径轧机的轧制力是通过时间表典型实验确定。这里，3个表格如表2—表4所示。表2和表3是轧制的时间表和技术参数。材料分别为钢（Q235）和铝合金（2A12）。表4是轧制的工艺和技术参数。表4的轧制方案的金属材料为钢（Q235）。

表2 铝合金轧制工艺流程及技术参数

表3 钢的轧制时间表和技术参数

表4 钢的截面轧制时间表和技术参数

3 设备的主要结构和组成

新开发的短应力路径轧机设备的主要结构和组成如下。

1）功能：根据技术要求，将板坯轧制成所需的截面形式。

2）型式：短应力路径两高卧式轧机。

3）轧机结构：轧辊系统，轧辊间隙调节装置，轧机机架，主传动装置，连接轴等

4）间隙调节：电机驱动，可实现单侧调节。

5）轴向调速：手动操作。

6）滚动切换：手动操作。

7）结构特点：新开发的轧机是建立在一般的短应力路径轧机基础上的。

以下几个方面进行了改进：

1）尽可能扩大拉杆的直径，同时尽可能缩短发生弹性变形的拉杆长度。

2）轴承座和惯性矩的面积增加，减小轴承座的变形。

3）采用四列圆柱滚子轴承，优点是轧机承载能力强。在相同的整体尺寸下，轴颈大于常规轧机，可提供更大的扭矩。

4）短路应力辊轧机改变载荷传递路径，将轧机螺杆上的集中载荷改变为轴承座两侧的分散载荷，提高轴承和轴承座的力分布。因此，轴承的峰值载荷降低，轴承座的变形减小，轴承的使用寿命显着提高。

5）在拉杆的两端，有左右螺丝。4个拉杆将轴承座整体连接起来。调整辊隙时，上下滚动同步移动，关闭或分离，可以保证轧机的中心线不变。

图3描述了短应力路径轧机的主要结构。

短应力路径轧机的电机及其附件信息表5。

4 结语

图3 短应力路径轧机设备图（mm）

表5 短应力路径轧机的电机及其附件信息

开发了一种新型的短应力路径轧机，用于教学和研究。轧辊可以实现非对称轧制，但是当两辊的轧辊速度相等时，除了常规轧制模式。轧机可以通过不同槽形的辊，可以产生不同的外形和截面形状的型材。轧机适用于钢和有色金属的轧制。提出的主要部件设计思路和主要参数，可为类似功能和结构的轧机设计制造提供依据。

[1]钟婷贞.短路径轧机理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，1998.

[2]张荣彬，李铎，马锦江.新型短应力浅轧机的开发及应用[J].重庆理工学院学报（自然科学版）.1992（12）：44.

[3]蒋百华，张树棠.钢铁研究学报，1994，6（S1）：32.