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1、材料工程设备 讲授人：张正富,轧辊与轧辊轴承,材料工程设备 讲授人：张正富,轧辊与轧辊轴承构成的辊系是轧机核心部件. 轧辊与轧件接触,迫使轧件产生塑性变形,同时,轧辊承受巨大轧制压力,并将此负荷传递给轧辊轴承. 辊系结构、尺寸、材质、强度、刚度对能否实现优质、高产、低耗的影响极大.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.1 轧辊的工作特点及其工艺要求5.1.1 轧辊所受载荷（1）机械载荷: 弯曲应力、辊面间接触应力、传动辊上的扭转应力. 咬入瞬间及轧制速度变化时,引起动载荷,导致辊上应力变化.（2）摩擦: 变形区中的前、后滑,咬入打滑、卡钢等造成辊身表面与轧件间相对运动,导致辊身表面受到剧烈摩擦.
2、（3）热负荷: 热轧时,轧件高温和冷却水交替作用,产生热循环应力; 冷轧时,轧件变形热效应,轧辊表层也产生热循环应力.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.1.2 轧辊的主要失效形式（1）磨损: 辊身磨损达到允许的总车削量后,因表层硬度丧失、强度削弱而报废;（2）辊面剥落: 轧辊受循环接触应力作用,表面产生掉块形成凹坑而报废;（3）折断: 过大轧制压力产生的机械应力是断辊的主要原因.5.1.3 轧制生产对轧辊的要求 工艺要求: 合理结构、尺寸、材质,以保证轧件尺寸、表面质量、产量. 寿命要求: 不致过早、或不正常破坏、失效. 强韧性、耐磨性、耐热性、耐剥落性等; 材料机械性能和硬度为主.,总结：
3、 结构、尺寸的确定; 材质、制造方法的选择; 强度、刚度的校核.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.2 轧辊的结构形式及材质选择5.2.1 轧辊的结构 辊身: 工作部分. 型材轧辊: 辊身有各种形状轧槽,即孔型; 板材轧辊: 辊身呈圆柱形;为补偿弯曲、不均匀热膨胀、不均匀磨损对辊缝的影响,可将辊身加工成较复杂的曲线形状,即辊型. 辊头: 与连接轴相接部分. 连接传动、或吊装. 梅花型、键槽型、万向节型. 辊颈: 支承部分. 支承在轴承上.形式由轴承形式及装卸要求确定. 圆柱形: 滑动轴承、滚动轴承; 圆锥形: 液体摩擦轴承,锥度一般为1:5 辊颈与辊身交界处为应力集中部位. 组合辊由韧性好的心
4、轴和硬度高的辊套组成,辊套采用热压装方式套在辊心轴上.,材料工程设备 讲授人：张正富,轧辊的结构a-梅花形辊头；b-扁头形辊头；c-带双键形的辊头1-辊身；2-辊颈；3-辊头,材料工程设备 讲授人：张正富,5.2.2 轧辊的参数 辊身直径 辊身长度 辊颈直径及长度 辊头尺寸.5.2.2.1 辊身直径 是轧机的重要参数. 型材轧机: 它是表征轧机的特性参数. 板带轧机: 它是关系到板带材最小可轧厚度的参数.,材料工程设备 讲授人：张正富,确定最佳直径应考虑:（1）咬入条件直径应满足:,Dg为轧辊工作直径(mm);h为压下量(mm);max最大允许咬入角(0),各类轧机轧制钢材的max,材料工程设
5、备 讲授人：张正富,（2）轧辊的强度和刚度条件强度应满足：,为轧辊危险截面处应力(MPa); Mz危险截面处弯矩(Nmm); WD危险截面处抗弯截面系数(mm3);为轧辊许用正应力(MPa).多辊轧机: 轧制负荷主要由支持辊承担. 支持辊直径应根据强度和刚度条件确定.,材料工程设备 讲授人：张正富,（3）最小可轧厚度据轧机最小可轧厚度临界条件,推导出冷轧机最大工作辊径应满足:,E为轧辊的弹性模量(MPa);hmin带材最小可轧厚度(mm);为轧辊与带材间的摩擦系数;s为带材的屈服极限(MPa);p为平均张应力(MPa).,（4）热平衡条件 高速冷轧时,轧件变形热效应很大,导致工作辊温度升高.
6、辊表面存在工艺冷却与润滑, 温升至一定程度出现热平衡辊表面吸收热量等于冷润剂带走热量. 要使辊温不致过高(100),则工作辊径应与轧速、变形量、轧件力学性能相适应.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.2.2.2 辊身长度 型材轧机: 取决于孔型配置数目及辊身强度. 辊身长度越大,可布置的孔型数越多. 但降低了弯曲强度;并使轧机前后辊道辊子加长, 导致设备重量增大.,型材轧机辊身长度与其名义直径之比K,材料工程设备 讲授人：张正富,板带材轧机: 辊身长应与板带最大宽度相适应.,L为辊身长度(mm); bmax所轧板带最大宽度(mm); 随板带宽度而异的余量(mm).,板带材轧机辊身长度的余量,板
7、带材轧机辊身长度确定,一般应和辊径一起考虑.,出发点： 使轧辊获得最小弯曲挠度和足够强度,以获得所需板形、减小横向厚差.,材料工程设备 讲授人：张正富,各类四辊轧机L/D1、L/D2、D2/D1,四辊轧机辊身长度与辊径间、支持辊径与工作辊径的比值关系.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.2.2.3 辊颈直径d、长度l、与辊身过渡圆弧半径r与轴承形式、工作载荷有关; 应综合考虑辊颈强度、轴承寿命. 若条件允许,辊颈直径应选大些.5.2.2.3 辊头尺寸根据连接轴形式确定.5.2.3 轧辊的材质选择 铸铁轧辊(C2.0%)、半钢轧辊(C1.5%)、钢轧辊(C0.8%)三种类型. 铸铁辊: 普通、合
8、金、球墨. 按硬度: 半冷硬、冷硬、无限冷硬. 铸铁辊优点: 硬度高、耐磨性好、表面光滑、制造方法简便、成本低. 缺点: 质脆、强度低、耐冲击性差.,材料工程设备 讲授人：张正富,钢轧辊: 铸钢、锻钢. 优点: 强度高、韧性好、咬入能力强. 缺点: 硬度一般较铸铁辊低.,各类轧辊硬度曲线,半钢轧辊: 碳量介于铸钢与铸铁间,杂质量低,具有过共析组织.碳量远高于铸钢.铸态脆且易生成碳化物偏析和内部缺陷; 锻造和热处理后,可得均匀分散析出的极细高硬度碳化物.兼有铸钢强度、韧性、耐热疲劳性及铸铁耐磨性等. 适于带钢热连轧四辊轧机工作辊.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3 轧辊的强度计算 保证轧辊强
9、度条件是轧制能否顺利进行的先决条件;,5.3.1 型材轧机轧辊强度的校核 沿辊身方向有许多轧槽,因轧件宽度远小于辊身长度, 可将轧制压力简化为集中载荷.,型材轧辊的受力及内力图,是完整的轧制工艺设计不可缺少的重要环节之一.,材料工程设备 讲授人：张正富,由受力图,结合力平衡、力矩平衡方程(静力平衡), ,可得,R1,R2为轧辊轴承座上的支反力(N); a两根压下螺丝的中心距(mm); x轧制力到支反力作用线的距离(mm). 据此可得轧辊弯矩图, 按轧制扭矩作用(转动轧辊所需)可得轧辊扭矩图. 从弯矩、扭矩大小可知辊的危险截面.,型材轧辊的受力及内力图,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.1.
10、1 辊身强度校核 辊身受弯矩和扭矩共同作用,但其扭转应力较弯曲应力小,故只计算辊身弯曲应力.辊身所受最大弯矩即为轧制力作用截面的弯矩:,辊身危险截面的弯曲应力D,MD为轧制力作用截面的弯矩(Nmm); D为轧制力作用截面辊身最小工作直径(mm).,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.1.2 辊颈强度校核 辊颈受弯扭组合变形,危险点在传动侧辊颈、辊身交界处. 辊颈与辊身相接处弯矩最大,为,Wd为辊颈与辊身相接处截面的抗弯截面系数(mm3);d为辊颈直径(mm); R为支反力(N); c为支反力(压下螺丝中心)至辊身边缘的距离(mm),近似取为辊颈长度l的一半.,材料工程设备 讲授人：张正富,辊
11、颈上的扭转应力:,Mn为作用在弯曲应力计算侧的辊颈与辊身交界处的辊颈所受扭矩(Nmm); Wnd辊颈抗扭截面系数(mm3).,辊颈强度按弯扭合成应力考虑:,（1）钢轧辊,按第四强度理论,（2）铸铁轧辊,按莫尔强度理论,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.1.3 辊头强度校核 辊头危险截面在传动侧;辊头上的扭转应力:,d1为辊头扭转应力(MPa); Mn为传动该轧辊最大扭矩(Nmm); Wn为辊头抗扭截面系数(mm3); 为轧辊许用剪应力(MPa).,轧机轧辊辊头形式,材料工程设备 讲授人：张正富,带键槽的辊头:,带双键槽的辊头:,平台式辊头:,矩形截面辊头:,h为扁头厚度(mm);d1扁头直
12、径(mm);矩形截面长短边的影响系数.,值,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.2 二辊板带轧机轧辊强度的校核,受力如图.,二辊板带轧机受力分析及内力图,为简化计算: 设轧件立于辊身中央,轧制力沿辊身长度均匀分布;支反力左右相等,作用在压下螺丝中心线位置上.,材料工程设备 讲授人：张正富,据轧辊受力可列出各段弯矩方程:,P为轧制压力(N); b为轧件宽度(mm); q为单位轧件长度轧制压力(N/mm).,当 时,当 时,由弯矩方程弯矩图,按扭矩作用扭矩图. 从弯矩及扭矩图可知,辊身中部截面弯矩最大,故辊身只须计算中部的弯曲强度; 对辊颈则需计算弯曲和扭转强度;对传动端辊头应计算其扭转强度.,
13、材料工程设备 讲授人：张正富,（1）辊身强度校核 辊身中部最大弯矩:,辊身最大弯曲应力:,二辊板带轧机受力分析及内力图,材料工程设备 讲授人：张正富,（2）辊颈强度校核 辊颈上最大弯矩:,辊颈最大弯曲应力:,按型材轧辊辊颈扭转应力、及其弯扭合成应力计算公式校核辊颈强度.,（3）辊头强度校核同型材轧辊辊头强度校核.,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.3 四辊板带轧机轧辊强度的校核,四辊板带轧机轧辊强度校核项目,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.3.1 工作辊驱动四辊板带轧机轧辊强度的校核轧辊受力图、及内力图如图.,工作辊驱动四辊板带轧机轧辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊,材料工程设
14、备 讲授人：张正富,（1）工作辊强度校核,工作辊辊身垂直面最大弯矩MzD1max,辊身最大弯曲应力1max,工作辊辊头强度校核与型材轧辊辊头强度校核方法相同.,工作辊驱动四辊板带轧机轧辊受力图及内力图a-工作辊,材料工程设备 讲授人：张正富,（2）支持辊强度校核 支持辊辊身最大弯矩:,支持辊辊身最大弯曲应力:,W1、W2工作辊、支持辊辊身中央截面抗弯截面系数(mm3).,因支持辊不承受扭矩作用,只需计算其弯曲强度,同二辊板带轧机计算方法.,工作辊驱动四辊板带轧机轧辊受力图及内力图b-支持辊,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.3.2 支持辊驱动四辊板带轧机轧辊强度的校核轧辊受力图、及内力图如
15、图.,工作辊、支持辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊,材料工程设备 讲授人：张正富,（1）工作辊强度校核 辊身最大垂直弯矩计算如上述. 工作辊承受支持辊沿辊身全长加于其上的水平摩擦力:,工作辊辊身最大水平弯矩:,工作辊辊身最大合成弯矩(水平、垂直):,工作辊辊身中央的合成弯曲应力:,工作辊受力图及内力图,材料工程设备 讲授人：张正富,（2）支持辊强度校核 辊身强度校核按上述. 因支持辊承受扭矩作用,还需计算其辊颈弯扭合成应力、及传动辊头的扭转应力,其计算方法同二辊板带轧机.,支持辊受力图及内力图,材料工程设备 讲授人：张正富,5.3.3.3 四辊轧机轧辊接触应力计算 工作辊与支持辊接触面、工作辊与轧件接触面,在轧制力作用下均将产生很大的接触应力. 但辊间接触面积远小于工作辊与轧件间接触面积,故,两辊间将产生巨大的交变接触应力, 易于导致辊面产生剥落.,
