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摘要：為了分析板帶軋機(jī)滾動(dòng)軸承列間偏載和板形的變化規(guī)律，利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件建立了耦合軋件、工作輥、支撐輥及其軸承座的軋制過程整體變形分析模型，分析了輥徑、摩擦系數(shù)、變形抗力及張力對(duì)軸承載荷分布和板凸度的影響。研究結(jié)果表明，軸承偏載程度和板凸度隨軋輥半徑和張力的增大而減小，隨變形抗力的增大而增大；軸承偏載程度隨摩擦系數(shù)的增大而增大，板凸度隨摩擦系數(shù)的增大略有減小；軸承偏載程度與板凸度的變化呈顯著正相關(guān)。研究結(jié)果可為板帶軋機(jī)滾動(dòng)軸承的使用和板形控制提供有益參考。

1、引言

隨著板帶材市場競爭的日益激烈，如何在增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本就成為提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵，這就在提高軋制速度、增大軋制力、提高可靠性和實(shí)現(xiàn)高精度板形控制等方面對(duì)軋機(jī)提出了更高的要求。板帶材的寬幅化和控制軋制等工藝要求使得軋機(jī)軋制力進(jìn)一步提高，故軋輥輥頸多選用多列滾動(dòng)軸承。軋制過程中，彈性軋輥受載后彎曲，導(dǎo)致各列軸承間發(fā)生嚴(yán)重的偏載，是影響軸承使用壽命和軋機(jī)可靠性的主要原因之一；另外軋輥的彈性彎曲和壓扁也會(huì)改變有載輥縫的形狀，使板帶材的橫向厚度分布發(fā)生變化而產(chǎn)生板形缺陷，成為影響板帶材質(zhì)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。目前進(jìn)行軋制過程分析的計(jì)算模型，多將輥頸處載荷看作集中作用載荷或均勻分布作用載荷，或?qū)④堉屏醋骱唵蔚姆植驾d荷，均與實(shí)際軋制工況有所不同，這也影響了模型對(duì)軸承載荷分布和軋件板形情況的解析精度。利用有限元法建立了耦合軋件、工作輥、支撐輥及其軸承座的輥系整體變形分析模型，對(duì)軋輥輥徑、摩擦系數(shù)、軋件變形抗力和張力對(duì)支撐輥軸承載荷分布和板凸度的影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為板帶軋機(jī)滾動(dòng)軸承的使用和板形控制提供理論支持。

2、模擬模型的建立

2.1模型的建立

為了能夠同時(shí)對(duì)滾動(dòng)軸承載荷和板凸度進(jìn)行分析，以實(shí)驗(yàn)室四輥可逆冷軋機(jī)的實(shí)際參數(shù)為依據(jù)，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 建立了耦合軋件、工作輥、支撐輥及其軸承座的四輥板帶軋機(jī)整體變形模型，由于板帶軋制過程關(guān)于軋制線對(duì)稱，為了節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算速度，選用只包含上輥系的 1/2模型進(jìn)行分析。該整體變形模型網(wǎng)格劃分和軸承滾子排列情況，如圖 1 所示。模型由 41 個(gè) part，277 個(gè)體，共 2051637 個(gè)單元構(gòu)成。

軋件與工作輥間的接觸服從庫侖摩擦定律，摩擦系數(shù)為0.06；工作輥與支撐輥的接觸服從庫侖摩擦定律，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.11，靜摩擦系數(shù)為 0.12；支撐輥為驅(qū)動(dòng)輥，通過摩擦帶動(dòng)工作輥旋轉(zhuǎn)，工作輥通過摩擦實(shí)現(xiàn)軋件的咬入和軋制。模型將軸承內(nèi)圈與支撐輥輥頸視為一體；軋件取厚度一半，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料，在軋件厚度對(duì)稱面，即底部施加 Z 方向 0 位移約束；支撐輥、工作輥、軸承外圈、軸承座均采用彈性材料，軋輥只能以 X 軸為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)軸承箱的上下表面施加 Z 方向 0 位移約束，前后兩個(gè)側(cè)面施加 Y 方向 0 位移約束，軋輥 Z 方向的位移不進(jìn)行約束；支撐輥軸承為四列圓柱滾子軸承，軸承滾子視為剛體。支撐輥材料為 9Cr2Mo，輥身尺寸為 Φ（220×350）mm，輥頸尺寸為 Φ （110×180）mm；工作輥材料為 9Cr2Mo，輥身尺寸為 Φ（100×350）mm，輥頸尺寸為 Φ（55×82）mm；軸承座材料為 45#；軋件寬度為200mm，厚度為 3mm。為了在相同軋制力的情況下對(duì)比各因素對(duì)軸承載荷和板凸度的影響，模擬過程中取總軋制力為 260kN。

2.2模擬結(jié)果

針對(duì)上述基本工況對(duì)軋制過程進(jìn)行了模擬，各列軸承載荷的分布情況，如圖 2 所示。從圖 2 中可以看出，各列軸承載荷隨距軋制中心線距離的增加而減?。磺皟闪休S承載荷占總載荷的比例約為 75%，表明軋制過程中軸承列間存在較為嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象。為了便于對(duì)軸承列間載荷分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義軸承載荷不均勻系數(shù)來衡量各列圓柱滾子軸承列間載荷的偏載程度，軸承載荷不均勻系數(shù)定義為各列軸承中載荷最大值與各列軸承載荷平均值的比值，可用下式表示：

3、軸承載荷分布影響因素分析

為了研究軋制工況變化對(duì)軸承載荷分布的影響規(guī)律，對(duì)軋輥直徑、摩擦系數(shù)、變形抗力和張力不同時(shí)的工況分別進(jìn)行了模擬分析。

3.1軋輥輥徑

工作輥半徑對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響，如圖 3（a）所示。從圖中可以看出，隨著工作輥半徑的增加，各列軸承列間載荷分布不均勻程度有所降低，工作輥半徑由 45mm 增加到 50mm，軸承載荷不均勻系數(shù)減小了約 0.12。這主要是由于工作輥輥徑增加，工作輥的剛度變大，在同樣的軋制力作用下，工作輥的彈性變形減小，進(jìn)而改變了工作輥與支撐輥間的壓扁狀態(tài)和輥間接觸壓力分布，減小了支撐輥的彈性撓曲，緩解了支撐輥軸承列間載荷分布的不均勻現(xiàn)象。

支撐輥半徑對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響，如圖 3（b）所示。從圖中可以看出，隨著支撐輥半徑的增加，各列軸承列間載荷分布不均勻程度減小，支撐輥半徑由 105mm 增加到 110mm，軸承載荷不均勻系數(shù)減小了約 0.05；主要是由于支撐輥半徑增加，支撐輥剛度變大，支撐輥彈性變形減小所導(dǎo)致的，但由于支撐輥半徑較大，剛度也較大，其變化對(duì)輥系彈性變形的影響較小，故較工作輥半徑變化對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響要小。

3.2摩擦系數(shù)和變形抗力

摩擦系數(shù)對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響，如圖3（c）所示。從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，各列軸承列間載荷分布不均勻程度略微增大，摩擦系數(shù)由 0.04 增加到 0.12，軸承載荷不均勻系數(shù)增加了約 0.02，摩擦系數(shù)對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響較小，尤其是摩擦系數(shù)在（0.04~0.08）時(shí)，軸承載荷分布基本未發(fā)生變化。變形抗力對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響，如圖 3（d）所示。從圖中可以看出，隨著軋件變形抗力的增加，各列軸承列間載荷分布不均勻程度增大，變形抗力由 152MPa 增加到 235MPa 時(shí)，列間載荷不均勻系數(shù)增加了約0.1，即軋件變形抗力對(duì)軸承列間載荷分布不均勻程度影響較大。

3.3前后張力

張力對(duì)軸承載荷不均勻系數(shù)的影響，如圖 3（e）所示。從圖中可以看出，隨著張力的增加，軸承列間載荷不均勻程度有所減小，其中后張力的影響較前張力要大；前張力小于 30MPa，后張力小于 25MPa 時(shí)，軸承載荷分布變化不大；前張力大于 30MPa，后張力大于 25MPa 時(shí)，軸承載荷分布略有減??；前張力由 30MPa 增加到 40MPa，軸承載荷不均勻系數(shù)減小了約 0.006；后張力由25MPa 增加到 40MPa，軸承載荷不均勻系數(shù)減小了約 0.015。

4、板凸度影響因素分析

提取上述模擬工況下的軋件凸度，即可得到軋輥直徑、摩擦系數(shù)、變形抗力和張力對(duì)板凸度的影響規(guī)律。

4.1軋輥輥徑

工作輥半徑對(duì)板凸度的影響，如圖 4（a）所示。從圖中可以看出，工作輥半徑由 45mm 增加到 50mm，板凸度減小了約 5μm，且當(dāng)工作輥半徑較小時(shí)其影響較明顯，這是因?yàn)楣ぷ鬏伆霃皆龃?，工作輥橫向剛度增大，輥系在相同軋制力作用下抵抗撓曲變形的能力增強(qiáng)，從而使軋件凸度減小。

支撐輥半徑對(duì)板凸度的影響，如圖 4（b）所示。從圖中可以看出，支撐輥半徑由 105mm 增加到 110mm，板凸度減小了約 1.2μm，同樣是由于輥徑增加導(dǎo)致輥系橫向剛度增大的原因；支撐輥半徑變化對(duì)輥系橫向剛度的影響較小，故對(duì)板凸度的影響也較小。

4.2摩擦系數(shù)和變形抗力

摩擦系數(shù)對(duì)板凸度的影響，如圖 4（c）所示。從圖中可以看出，摩擦系數(shù)由 0.04 增加到 0.12，板凸度減小了約 0.49μm ，即摩擦系數(shù)對(duì)板凸度的影響較小，這是由于摩擦系數(shù)增大，使得邊部金屬流動(dòng)速度減慢，軋件邊部厚度減小變難所導(dǎo)致的，但是由于金屬流動(dòng)的影響有限，使得摩擦系數(shù)對(duì)板凸度的影響也較小。

變形抗力對(duì)板凸度的影響，如圖 4（d）所示。從圖中可以看出，變形抗力由 152MPa 增加到 235MPa，板凸度增加了約 1.35μm，且變形抗力小于 195MPa 時(shí)，變形抗力對(duì)板凸度的影響較小，隨著變形抗力繼續(xù)增大，其對(duì)板凸度的影響也變大。

4.3前后張力

張力對(duì)板凸度的影響，如圖 4（e）所示。從圖中可以看出，張力對(duì)板凸度的影響較??；后張力為 25MPa，前張力由 20MPa 增加到 40MPa，板凸度僅僅減小了 0.2μm；前張力為 25MPa，后張力從20MPa 增加到 40MPa 時(shí)，板凸度減小了 0.74μm，后張力對(duì)板凸度的影響較前張力要大；這表明后張力對(duì)輥系彈性變形的影響較大，故其對(duì)軸承載荷分布和板凸度的影響也較大。

4.4軸承載荷不均勻系數(shù)與板凸度間的變化關(guān)系

軸承載荷不均勻系數(shù)與板凸度變化之間的關(guān)系，如圖 5 所 示。從圖中可以看出，軸承載荷不均勻系數(shù)越大，軋件板凸度也越大，即軸承偏載程度與板凸度呈顯著正相關(guān)；較大的載荷不均勻分布主要是由軋輥輥徑減小所導(dǎo)致的。在軸承載荷不均勻系數(shù)較小時(shí)，板凸度隨軸承載荷不均勻系數(shù)的增加變化較?。辉谳S承載荷不均勻系數(shù)較大時(shí)，板凸度隨軸承載荷不均勻系數(shù)的增加變化較大；這是因?yàn)檩S承列間載荷分布越均勻，表明軋機(jī)輥系的撓曲變形程度越小，輥系撓曲變形也是決定板凸度的主要因素。

5、結(jié)論

（1）板帶軋機(jī)四列圓柱滾子軸承各列軸承載荷隨距軋制中心線距離的增加而減小，各列軸承間存在較嚴(yán)重的偏載。

（2）軸承偏載程度和板凸度隨軋輥半徑和張力的增大而減小，工作輥半徑比支撐輥半徑的影響大，后張力比前張力的影響大；軸承偏載程度和板凸度隨變形抗力的增大而增大；軸承偏載程度隨摩擦系數(shù)的增大而增大，板凸度隨摩擦系數(shù)的增大而減小。

（3）軸承列間載荷不均勻程度與板凸度呈顯著正相關(guān)，輥系彈性變形是導(dǎo)致軸承列間載荷和板帶厚度分布不均勻的主要因素，軋輥輥徑對(duì)輥系彈性變形的影響較為顯著。