四辊轧机滚动轴承偏载与板形影响因素分析

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摘要：为了分析板带轧机滚动轴承列间偏载和板形的变化规律，利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件建立了耦合轧件、工作辊、支撑辊及其轴承座的轧制过程整体变形分析模型，分析了辊径、摩擦系数、变形抗力及张力对轴承载荷分布和板凸度的影响。研究结果表明，轴承偏载程度和板凸度随轧辊半径和张力的增大而减小，随变形抗力的增大而增大；轴承偏载程度随摩擦系数的增大而增大，板凸度随摩擦系数的增大略有减小；轴承偏载程度与板凸度的变化呈显著正相关。研究结果可为板带轧机滚动轴承的使用和板形控制提供有益参考。

1、引言

随着板带材市场竞争的日益激烈，如何在增加产量、提高产品质量的同时，降低生产成本就成为提高企业竞争力的关键，这就在提高轧制速度、增大轧制力、提高可靠性和实现高精度板形控制等方面对轧机提出了更高的要求。板带材的宽幅化和控制轧制等工艺要求使得轧机轧制力进一步提高，故轧辊辊颈多选用多列滚动轴承。轧制过程中，弹性轧辊受载后弯曲，导致各列轴承间发生严重的偏载，是影响轴承使用寿命和轧机可靠性的主要原因之一；另外轧辊的弹性弯曲和压扁也会改变有载辊缝的形状，使板带材的横向厚度分布发生变化而产生板形缺陷，成为影响板带材质量进一步提高的关键因素。目前进行轧制过程分析的计算模型，多将辊颈处载荷看作集中作用载荷或均匀分布作用载荷，或将轧制力看作简单的分布载荷，均与实际轧制工况有所不同，这也影响了模型对轴承载荷分布和轧件板形情况的解析精度。利用有限元法建立了耦合轧件、工作辊、支撑辊及其轴承座的辊系整体变形分析模型，对轧辊辊径、摩擦系数、轧件变形抗力和张力对支撑辊轴承载荷分布和板凸度的影响进行了分析，研究结果可为板带轧机滚动轴承的使用和板形控制提供理论支持。

2、模拟模型的建立

2.1模型的建立

为了能够同时对滚动轴承载荷和板凸度进行分析，以实验室四辊可逆冷轧机的实际参数为依据，运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA 建立了耦合轧件、工作辊、支撑辊及其轴承座的四辊板带轧机整体变形模型，由于板带轧制过程关于轧制线对称，为了节省计算资源，提高计算速度，选用只包含上辊系的 1/2模型进行分析。该整体变形模型网格划分和轴承滚子排列情况，如图 1 所示。模型由 41 个 part，277 个体，共 2051637 个单元构成。

轧件与工作辊间的接触服从库仑摩擦定律，摩擦系数为0.06；工作辊与支撑辊的接触服从库仑摩擦定律，动摩擦系数为0.11，静摩擦系数为 0.12；支撑辊为驱动辊，通过摩擦带动工作辊旋转，工作辊通过摩擦实现轧件的咬入和轧制。模型将轴承内圈与支撑辊辊颈视为一体；轧件取厚度一半，选用双线性随动强化材料，在轧件厚度对称面，即底部施加 Z 方向 0 位移约束；支撑辊、工作辊、轴承外圈、轴承座均采用弹性材料，轧辊只能以 X 轴为旋转中心转动，对轴承箱的上下表面施加 Z 方向 0 位移约束，前后两个侧面施加 Y 方向 0 位移约束，轧辊 Z 方向的位移不进行约束；支撑辊轴承为四列圆柱滚子轴承，轴承滚子视为刚体。支撑辊材料为 9Cr2Mo，辊身尺寸为 Φ（220×350）mm，辊颈尺寸为 Φ （110×180）mm；工作辊材料为 9Cr2Mo，辊身尺寸为 Φ（100×350）mm，辊颈尺寸为 Φ（55×82）mm；轴承座材料为 45#；轧件宽度为200mm，厚度为 3mm。为了在相同轧制力的情况下对比各因素对轴承载荷和板凸度的影响，模拟过程中取总轧制力为 260kN。

2.2模拟结果

针对上述基本工况对轧制过程进行了模拟，各列轴承载荷的分布情况，如图 2 所示。从图 2 中可以看出，各列轴承载荷随距轧制中心线距离的增加而减小；前两列轴承载荷占总载荷的比例约为 75%，表明轧制过程中轴承列间存在较为严重的偏载现象。为了便于对轴承列间载荷分布进行评价，定义轴承载荷不均匀系数来衡量各列圆柱滚子轴承列间载荷的偏载程度，轴承载荷不均匀系数定义为各列轴承中载荷最大值与各列轴承载荷平均值的比值，可用下式表示：

3、轴承载荷分布影响因素分析

为了研究轧制工况变化对轴承载荷分布的影响规律，对轧辊直径、摩擦系数、变形抗力和张力不同时的工况分别进行了模拟分析。

3.1轧辊辊径

工作辊半径对轴承载荷不均匀系数的影响，如图 3（a）所示。从图中可以看出，随着工作辊半径的增加，各列轴承列间载荷分布不均匀程度有所降低，工作辊半径由 45mm 增加到 50mm，轴承载荷不均匀系数减小了约 0.12。这主要是由于工作辊辊径增加，工作辊的刚度变大，在同样的轧制力作用下，工作辊的弹性变形减小，进而改变了工作辊与支撑辊间的压扁状态和辊间接触压力分布，减小了支撑辊的弹性挠曲，缓解了支撑辊轴承列间载荷分布的不均匀现象。

支撑辊半径对轴承载荷不均匀系数的影响，如图 3（b）所示。从图中可以看出，随着支撑辊半径的增加，各列轴承列间载荷分布不均匀程度减小，支撑辊半径由 105mm 增加到 110mm，轴承载荷不均匀系数减小了约 0.05；主要是由于支撑辊半径增加，支撑辊刚度变大，支撑辊弹性变形减小所导致的，但由于支撑辊半径较大，刚度也较大，其变化对辊系弹性变形的影响较小，故较工作辊半径变化对轴承载荷不均匀系数的影响要小。

3.2摩擦系数和变形抗力

摩擦系数对轴承载荷不均匀系数的影响，如图3（c）所示。从图中可以看出，随着摩擦系数的增加，各列轴承列间载荷分布不均匀程度略微增大，摩擦系数由 0.04 增加到 0.12，轴承载荷不均匀系数增加了约 0.02，摩擦系数对轴承载荷不均匀系数的影响较小，尤其是摩擦系数在（0.04~0.08）时，轴承载荷分布基本未发生变化。变形抗力对轴承载荷不均匀系数的影响，如图 3（d）所示。从图中可以看出，随着轧件变形抗力的增加，各列轴承列间载荷分布不均匀程度增大，变形抗力由 152MPa 增加到 235MPa 时，列间载荷不均匀系数增加了约0.1，即轧件变形抗力对轴承列间载荷分布不均匀程度影响较大。

3.3前后张力

张力对轴承载荷不均匀系数的影响，如图 3（e）所示。从图中可以看出，随着张力的增加，轴承列间载荷不均匀程度有所减小，其中后张力的影响较前张力要大；前张力小于 30MPa，后张力小于 25MPa 时，轴承载荷分布变化不大；前张力大于 30MPa，后张力大于 25MPa 时，轴承载荷分布略有减小；前张力由 30MPa 增加到 40MPa，轴承载荷不均匀系数减小了约 0.006；后张力由25MPa 增加到 40MPa，轴承载荷不均匀系数减小了约 0.015。

4、板凸度影响因素分析

提取上述模拟工况下的轧件凸度，即可得到轧辊直径、摩擦系数、变形抗力和张力对板凸度的影响规律。

4.1轧辊辊径

工作辊半径对板凸度的影响，如图 4（a）所示。从图中可以看出，工作辊半径由 45mm 增加到 50mm，板凸度减小了约 5μm，且当工作辊半径较小时其影响较明显，这是因为工作辊半径增大，工作辊横向刚度增大，辊系在相同轧制力作用下抵抗挠曲变形的能力增强，从而使轧件凸度减小。

支撑辊半径对板凸度的影响，如图 4（b）所示。从图中可以看出，支撑辊半径由 105mm 增加到 110mm，板凸度减小了约 1.2μm，同样是由于辊径增加导致辊系横向刚度增大的原因；支撑辊半径变化对辊系横向刚度的影响较小，故对板凸度的影响也较小。

4.2摩擦系数和变形抗力

摩擦系数对板凸度的影响，如图 4（c）所示。从图中可以看出，摩擦系数由 0.04 增加到 0.12，板凸度减小了约 0.49μm ，即摩擦系数对板凸度的影响较小，这是由于摩擦系数增大，使得边部金属流动速度减慢，轧件边部厚度减小变难所导致的，但是由于金属流动的影响有限，使得摩擦系数对板凸度的影响也较小。

变形抗力对板凸度的影响，如图 4（d）所示。从图中可以看出，变形抗力由 152MPa 增加到 235MPa，板凸度增加了约 1.35μm，且变形抗力小于 195MPa 时，变形抗力对板凸度的影响较小，随着变形抗力继续增大，其对板凸度的影响也变大。

4.3前后张力

张力对板凸度的影响，如图 4（e）所示。从图中可以看出，张力对板凸度的影响较小；后张力为 25MPa，前张力由 20MPa 增加到 40MPa，板凸度仅仅减小了 0.2μm；前张力为 25MPa，后张力从20MPa 增加到 40MPa 时，板凸度减小了 0.74μm，后张力对板凸度的影响较前张力要大；这表明后张力对辊系弹性变形的影响较大，故其对轴承载荷分布和板凸度的影响也较大。

4.4轴承载荷不均匀系数与板凸度间的变化关系

轴承载荷不均匀系数与板凸度变化之间的关系，如图 5 所 示。从图中可以看出，轴承载荷不均匀系数越大，轧件板凸度也越大，即轴承偏载程度与板凸度呈显著正相关；较大的载荷不均匀分布主要是由轧辊辊径减小所导致的。在轴承载荷不均匀系数较小时，板凸度随轴承载荷不均匀系数的增加变化较小；在轴承载荷不均匀系数较大时，板凸度随轴承载荷不均匀系数的增加变化较大；这是因为轴承列间载荷分布越均匀，表明轧机辊系的挠曲变形程度越小，辊系挠曲变形也是决定板凸度的主要因素。

5、结论

（1）板带轧机四列圆柱滚子轴承各列轴承载荷随距轧制中心线距离的增加而减小，各列轴承间存在较严重的偏载。

（2）轴承偏载程度和板凸度随轧辊半径和张力的增大而减小，工作辊半径比支撑辊半径的影响大，后张力比前张力的影响大；轴承偏载程度和板凸度随变形抗力的增大而增大；轴承偏载程度随摩擦系数的增大而增大，板凸度随摩擦系数的增大而减小。

（3）轴承列间载荷不均匀程度与板凸度呈显著正相关，辊系弹性变形是导致轴承列间载荷和板带厚度分布不均匀的主要因素，轧辊辊径对辊系弹性变形的影响较为显著。