3轧辊与轧辊轴承

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1、轧辊的工作特点及其工艺要求轧辊的工作特点及其工艺要求 3.1 轧辊的结构形式及材质的选择轧辊的结构形式及材质的选择 3.2第三章第三章 轧辊与轧辊轴承轧辊与轧辊轴承轧辊的强度计算轧辊的强度计算 3.3轧辊的扰度计算轧辊的扰度计算 3.4 3.5轧辊专用轴承轧辊专用轴承1基本要求：基本要求： 了解轧辊的结构形式及材质，了解轧辊轴承类型及其了解轧辊的结构形式及材质，了解轧辊轴承类型及其工作原理；掌握轧辊强度验算方法，能正确选择轧辊材工作原理；掌握轧辊强度验算方法，能正确选择轧辊材质，对轧辊及其轴承进行结构选型并提出合理参数。质，对轧辊及其轴承进行结构选型并提出合理参数。重点与难点：重点与难点：轧辊

2、强度校核轧辊强度校核23.1 3.1 轧辊的工作特点及其工艺要求轧辊的工作特点及其工艺要求 3.1.1 轧辊所受载荷轧辊所受载荷 机械载荷机械载荷 轧制压力P越大，转矩越大，则轧辊上弯曲应力、传动辊上的扭转应力、辊面间的接触应力也越大；同时，在轧件咬入瞬间及轧制过程中速度的变化会引起动负荷，导致轧辊上的应力变化。3 摩擦摩擦 辊身表面与轧件之间由于变形区中的前后滑、轧件咬入打滑或卡钢造成相对运动，而造成轧辊表面剧烈摩擦。4 热负荷热负荷 热轧时轧辊辊身受轧件高温及冷却水交替作用，产生的热循环应力；冷轧时由于轧件变形热效应，轧辊表层也产生热循环应力。 5 磨损磨损 磨损达到一定辊次（反复车削，辊

3、身表层硬度丧失，强度削弱而报废。 辊耗：每轧一吨钢所消耗的轧辊重量，包括固定消耗与意外事故造成的消耗。 重车率：全部重车量与轧辊名义直径的百分比。3.1.2 轧辊的主要失效形式轧辊的主要失效形式6 辊面剥落辊面剥落 轧辊受到循环接触应力交替作用表面产生掉块形成凹坑。 折断折断 过大轧制压力产生的机械应力是断辊的主要原因；铸造时的残余应力一般不至于断辊。轧制时如冷却水足够，单纯的热应力不至于断辊，但由此产生的细小的裂纹扩展，形成应力集中源加上一定的机械负荷作用或断水可能致断辊。 73.1.3 轧制生产对轧辊的要求轧制生产对轧辊的要求轧制生产对轧辊的基本要求包括工艺、寿命要求。 工艺要求工艺要求

4、合理的结构、尺寸、材质以保证成品的尺寸精度、表面质量及产量。 寿命要求寿命要求 工作时间适当轧辊需要一定的强韧性、耐磨性、耐热性及耐剥落性； 材质特性值机械性能和硬度。8 总的来看，轧制生产对轧辊的基本要求可归纳为对轧辊的结构、尺寸的确定，对轧辊材质、制造方法的选择，对轧辊强度、刚度的校核。93.2.1 轧辊的结构轧辊的结构3.2 3.2 轧辊的结构形式及材质的选择轧辊的结构形式及材质的选择 图3-1 轧辊的结构a-梅花形的辊头；b-扁头形的辊头；c-带双键形的辊头1-辊身；2-辊颈；3-辊头10 辊身辊身 工作部分 型材轧辊-辊身上刻有各种形状的轧槽 (孔型 ) 板材轧辊-平辊或微凸、微凹型

5、或其它较复杂的曲线形状（辊型）。 辊头辊头 传动连接或吊装部分，其形状由连接轴型式确定，梅花型、 单键型、双键型、万向节型。 11 支持固定轧辊部分，即安装轴承及轴承座部分。形状由轴承型式确定，滑动轴承及滚动轴承为圆柱体，液体摩擦轴承为圆锥形。辊颈、身交界处为应力集中处应用过度圆弧连接，属于强度薄弱环节。 辊颈辊颈组合轧辊 -组合轧辊由韧性好的心轴和硬度高的辊套组成，辊套采用热压方式套在辊心轴上。 12 3.2.2 轧辊的参数轧辊的参数 3.2.2.1 辊身直径辊身直径 在轧机设计中，确定轧辊最佳直径应考虑以下几个方面的因素： 咬入条件咬入条件 13 轧辊的强度和刚度条件轧辊的强度和刚度条件

6、14 最小可轧厚度最小可轧厚度 热平衡条件热平衡条件 153.2.2.2 辊身长度辊身长度 对于型材轧机，辊身长度主要取决于孔型配置的数目及辊身强对于型材轧机，辊身长度主要取决于孔型配置的数目及辊身强度度 板带材轧机轧辊的辊身长度应与所轧板带材最大宽度相适应。板带材轧机轧辊的辊身长度应与所轧板带材最大宽度相适应。工作辊辊身长度可用下式确定：工作辊辊身长度可用下式确定：16板带材轧机的辊身长度的确定，一般应和轧辊直径一起考虑板带材轧机的辊身长度的确定，一般应和轧辊直径一起考虑。 173.2.2.3 辊颈辊颈 辊颈直径d、辊颈长度、辊颈与辊身过度圆弧半径r与轧辊轴承形式及工作载荷有关，并应综合考虑

7、轧辊辊颈的强度和轧辊轴承的寿命。由于受轧辊轴承径向尺寸的限制，辊颈直径比辊身直径小得多。辊颈与辊身交界处，往往是轧辊强度薄弱处，所以只要条件允许，辊颈直径应选大些。 3.2.2.4 辊头辊头辊头尺寸根据连接轴的型式确定。如万向接轴的辊头呈扁头形状。183.2.3 轧辊的材质选择轧辊的材质选择 类型和特点类型和特点 材质要求材质要求 轧辊辊面硬度高、韧性好、耐热龟裂性好，以保证抗弯强度、 接触强度所需的机械性能及轧材表面加工质量和轧辊的耐磨性能。 轧辊按其材质不同可分为铸铁轧辊(2.5%3.5% ），半钢轧辊(含碳量1.5%以上），钢轧辊(含碳量0.8%以上）三种类型。19 铸铁轧辊铸铁轧辊 铸

8、铁轧辊突出的优点是硬度高、耐磨性好、表面光滑、制造方法简便、成本低。其缺点是质脆、强度低、耐冲击性能差。 工作层因金属型的激冷作用呈白口组织（基体+碳化物）的轧辊 称冷硬铸铁轧辊；铸铁轧辊用上述方法，但适当提高铁水碳当量而得到麻口层组织（基体+碳化物+石墨）的轧辊称无限冷硬铸铁轧辊。 （“无限”一词源于英文“indefinite”,原意为“不明确”，指激冷层在断开上无明显界限，被 误译为“无限”，现已沿用成习。）采用衬砂金属型并继续提高碳当量可得粗麻口组织的轧辊，称半 冷硬铸铁轧辊。 所有上述品种的组织凡石墨称球状的，称球墨铸铁轧辊。20 钢轧辊钢轧辊 钢轧辊有铸钢和锻钢之分。钢轧辊的优点是强

9、度高、韧性好、咬入能力强。其缺点是硬度一般较铸铁轧辊低，可加入Cr、V、Mo等合金元素。 合金锻钢 热轧轧辊：55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo 冷轧轧辊：9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV 合金铸钢 随着电熔渣技术的发展，合金铸钢轧辊的质量在逐渐提高 高速钢、半高速钢轧辊广泛应用高速钢、半高速钢轧辊广泛应用 抗热裂性，耐磨性及红硬可大大延长轧辊寿命，提高轧材质量21 半钢轧辊半钢轧辊 其含碳量介于介于铸钢与铸铁之间-过共析钢组织，兼有铸钢强度、耐热龟裂性及铸铁耐磨性, 半钢轧辊是近年来出现的新型轧辊材质。 复合式锻钢轧辊复合式锻钢轧辊 近年来,

10、出现采用镶辊套的复合式锻钢轧辊, 如热轧支持辊辊套采用8CrMoV或8Mn2MoV制作，心轴用37SiMn2MoV等材料制作；冷轧支持辊辊套采用9Cr、9Cr2、9CrV、9Cr2W等制作，心轴用55CrMn、55Cr、35CrNiW等材料制作。 22233.3 3.3 轧辊的强度计算轧辊的强度计算 轧辊强度效核的必要性轧辊强度效核的必要性设计不合理，强度不合理，额定载荷下断裂；材质选用不合理，热处理工艺不合理，加工工艺不合理；生产中使用不当，如轧低温钢、断冷却水、压下规程不合理造成轧制压力过大；辊面剥落：接触应力过大、疲劳一需进行接触应力效核。3.3 3.3 轧辊的强度计算轧辊的强度计算24

11、 轧辊强度效核的一般形式轧辊强度效核的一般形式式中， -计算的危险截面应力； n-安全系数，大或等于5，是轧钢机中最小的安全系数， 体现了轧辊铸造缺陷、温度应力、应力集中、冲击负 荷等因素的影响。 253.3.1 型材轧机轧辊强度效核型材轧机轧辊强度效核 型钢轧辊承受的载荷特点型钢轧辊承受的载荷特点 轧制压力可简化为集中载荷，因轧件宽度远远小于辊面 宽度； 轧辊上可能承受多个集中载荷（三辊轧机交叉轧制时 或多线轧制）； 轧辊上工作辊径可能不等； 多机架轧制时，须正确判断危险机座及该机座中危险轧 辊的危险点，有时辊身、辊颈、辊头的危险点可能不 在同一个轧辊上。 26 型钢轧辊的受力分析及内力图型

12、钢轧辊的受力分析及内力图 图3-3 型材轧辊的受力及内力图27283.3.1.1 辊身强度效核辊身强度效核293.3.1.2 辊颈强度效核辊颈强度效核30313.3.1.3 辊头强度效核辊头强度效核3233 梅花形辊头型钢轧辊的辊头通常是梅花形结构，它只受扭矩的作用。对一般结构的梅花头，当d2=0.66d1时，最大扭转应力产生在梅花头的槽底部位，其值为： 343.3.2 二辊板带轧机的轧辊强度效核二辊板带轧机的轧辊强度效核 图3-5 二辊板带轧机受力分析及内力图353.3.2.1 辊身强度校核辊身强度校核 363.3.2.2 辊颈强度效核辊颈强度效核 3.3.2.3 辊头强度校辊头强度校核核同

13、型材轧辊辊头强度校核方法373.3.3 四辊板带轧机的轧辊强度校核四辊板带轧机的轧辊强度校核 383.3.3.1 工作辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核工作辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核 图3-6-1 四辊轧机辊系受力分析图39图3-6 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40工作辊强度效核41 支持辊强度效核423.3.3.2 支持辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核支持辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核 图3-7-2 四辊轧机辊系受力分析图43图3-7 工作辊、支持辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊44 工作辊强度效核 支持辊强度效核 453.3.3.3 四辊轧机轧辊接触应

14、力计算四辊轧机轧辊接触应力计算 半径方向的法向正应力46 在接触区切应力47图3-8 轧辊接触应力与深度关系483.3.4 轧辊的断裂形式与安全系数轧辊的断裂形式与安全系数3.3.4.1 轧辊断裂形式轧辊断裂形式493.3.4.2 轧辊安全系数轧辊安全系数 * 影响轧辊实际强度的其它因常素: 轧辊材质的不均匀性；轧制时冲击负荷、温度应力的作用以及轧辊的疲劳等. 轧辊许用应力： 式中-轧辊抗拉强度。 50例题1 验算5003三辊型钢开坯机第一机座的下轧辊强度。已知： 1）按轧制工艺，该辊K13、K9、K5三个道次同对走钢； 2) 各道的轧制压力:P13=1220kN，P9=1050kN， P5=

15、767kN; 3）各道的轧制力矩：M13=107kN.m， M9=90kN.m， M5=59kN.m，忽略摩擦力矩。 4) 轧辊有关尺寸见图3-8-1所示。其中各道次的辊身工 作直径为：D13=340mm、D9=384mm、D5=425mm。 轧辊辊颈直径d=300mm，轧辊梅花头外径d1=280m, 辊颈长度为l300mm； 5）轧辊右侧为传动端； 6）轧辊村质为铸钢，其强度极限为b=500600 MPa。51图3-8-1 轧辊受力图及内力图52535455例题2 由支承辊驱动的四辊冷带轧机如图3-8-2所示。工作辊辊身直径D1=100mm, 工作辊辊颈直径d1=65mm，支承辊辊身直径D2

16、400mm，支承辊辊颈直径d2220mm, 辊身长度L500mm,轧件宽度b400mm。轧制压力P1950kN, 驱动支承辊的力矩Mn23kN.m轧辊材料为合金锻钢，许用应力=160MPa。验算轧辊强度（不考虑辊头强度校核）。563-8-2 轧辊尺寸结构图57(2) 四辊轧机辊系受力分析图58(3) 工作辊、支持辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊59解：1）支承辊强度计算：支承辊受力如图(3)b所示 辊身中央处承受最大弯矩：辊身中央的弯曲应力：辊颈危险断面的应力：辊颈处强度基本满足要求，辊身强度足够。602）工作辊强度计算：工作辊受力如图(3)a所示 辊身中央处承受弯矩值：辊身中央的弯曲应

17、力（垂直）：工作辊承受支承辊沿全长加于其上的水平摩擦力：辊身中央的水平弯矩：61辊身中央的水平弯曲应力：辊身中央的合成弯曲应力：工作辊辊身中央弯曲应力明显超出许用值，此处为辊系中强度薄弱部位。62 作作 业业 某400双机架冷连轧机组，轧机完全相同，工作辊驱动。已知生产某种产品时各机架轧制压力分别为P1=170 t，P2=140 t；传动轧辊的总扭矩分别为Mn1=19 KN.m，Mn2=16 KN.m；工作辊辊身直径为150 mm, 辊颈直径为110 mm, 辊头直径为100 mm，带双键槽；支持辊辊身直径为450 mm，辊颈直径为250 mm；压下螺丝中心距为700 mm，工作辊辊颈中心距为

18、650mm。轧件宽度b=280 mm，轧辊材质为合金锻钢。忽略水平张力的影响。试校核轧辊强度（要求画出辊系受力图、轧辊受力图及内力图）。633.4 3.4 轧辊的扰度计算轧辊的扰度计算3.4.1 二辊板带轧机轧辊扰度的计算二辊板带轧机轧辊扰度的计算64653.4.1.1 辊身中央断面总弯曲扰度的计算辊身中央断面总弯曲扰度的计算66673.4.1.2 辊身中央与板边缘扰度差值的计算辊身中央与板边缘扰度差值的计算68693.4.1.3 辊身中央与辊身边缘扰度差值的计算辊身中央与辊身边缘扰度差值的计算703.4.2 四辊板带轧机轧辊扰度的计算四辊板带轧机轧辊扰度的计算3.4.2.1 支持辊的挠曲变形

19、支持辊的挠曲变形图 3-11确定时所用的计算图7172733.4.2.2 工作辊的挠曲变形工作辊的挠曲变形图 3-12 确定时所用的计算图747576773.4.2.3 轧辊间轧辊间中部与中部与边边部部压压力差力差的确定的确定78793.5 3.5 轧辊专用轴承轧辊专用轴承3.5.1 轧辊轴承工作特点及其类型轧辊轴承工作特点及其类型 3.5.1.1 轧辊轴承的工作特轧辊轴承的工作特点点负荷大，径向尺寸受限制负荷大，径向尺寸受限制轧辊轴承承受的热许用值高轧辊轴承承受的热许用值高 工作温度高，工作温度高， Tmax300-400 工作环境恶劣（水、油、乳化液工作环境恶劣（水、油、乳化液 、铁皮、灰

20、尘）、铁皮、灰尘） 3.5.1.2 轧辊轴承的主要类轧辊轴承的主要类型型轧辊所用轴承一般有滑动轴承、滚动轴承和液体摩擦轴承轧辊所用轴承一般有滑动轴承、滚动轴承和液体摩擦轴承。8081图3-12-1 开式轴承中各种形状的主轴承衬 82 图3-12-2 二辊及三辊轧机的轴瓦配置 833.5.2 滚动轴承滚动轴承 滚动轴承特点滚动轴承特点 优点：摩擦系数低，能耗小； 磨损小，寿命长； 刚度大，产品精度高； 采用油、油脂或油雾润滑；缺点： 外廓尺寸大，造价高，轧辊辊颈直径小，强度下降。 84 滚动轴承类型滚动轴承类型 圆锥滚柱轴承 圆柱滚动轴承 球面滚柱滚动轴承 辊针轴承853.5.2.1 圆锥滚柱轴

21、承圆锥滚柱轴承 图3-13 圆锥滚柱轴承1-固定环；2-锁紧螺母；3、8-螺钉；4-螺丝环；5-定位环；6-支持辊辊头；7-键；9-自位球面垫；10-轴承座；11-内圈；12-锥形滚柱；13-支持辊辊颈；14-内圈环；15-固定环特点:(1)四辊冷轧支持辊、工作辊，热轧工作辊(2)无自动调心，需自位球面垫(3)无须止推轴承(4) 不适合高速条件下工作(5) 轴承内圈与轧辊辊颈采用动配合863.5.2.2 圆柱滚柱轴承圆柱滚柱轴承 图3-14 1700 四辊冷轧机的多列圆柱滚柱轴承 1-圆柱滚柱轴承；2-止推轴承；3-辊颈：4-轧辊 特点:(1)高速重载(2)无自动调心，需自位球面垫(3) 须止

22、推轴承承受轴向载荷(4)轴承内圈与轧辊辊颈采用静配合,(5) 在轴承座内为过渡配合(6)(5) 内圈具有互换性873.5.2.3 球面滚柱轴承球面滚柱轴承 图3-15 球面滚柱轴承1-球面滚柱； 2-球面套圈；3-隔离环； 4-锥形辊颈特点:(1) 常用四辊冷轧机支持辊(2)能自动调心，不需自位球面垫(3)无须止推轴承883.5.2.4 滚针轴承滚针轴承特点:(1) 常用多辊轧机和小型四辊冷轧机工作辊(2)可以取消轴承的内圈或外圈,或二者都不用(3) 零件的加工精度与光洁度以及滚动面的硬度要互相配合(4)需止推轴承89轴承座的自位性轴承座的自位性由于多列轴承无自位性，必须在轴承座受力支 承处加

23、球面垫，以保持其自位性。903.5.3 轧辊用液体摩擦轴承轧辊用液体摩擦轴承 根据油膜形成的方去不同，液体摩擦轴承又分为动压油膜轴承、静压油膜轴承和动-静压油膜轴承三种类型。913.5.3.1 动压油膜轴承动压油膜轴承 特点 摩擦系数小，能耗小； 承载高，冲击敏感性小，运行平稳； 适于高速运动； 寿命长； 体积小，结构紧凑。 92 油膜形成阶段 当辊径静止时，轧辊凭自重自然与轴承底部接触； 轧辊开始转动时，转速较低，利用摩擦副表面的 相对运动，把油带入摩擦表面之间，建立压力， 油膜分开摩擦面处于半干摩擦状态，轴颈偏移； 随转速提高，形成油膜，油抬起轴颈（在，辊颈向几何中心移动，并到达几何中心实

24、现处形成高压）；液体摩擦正常工作。93 图3-16 油膜轴承截面中压力分布与偏移位移a-静止状态；b-轴颈旋转时油楔径向压力分布94 液体摩擦轴承具有高的承载能力、低的摩擦损失和良好的冷却润滑条件。对于轴承工作长度和直径之比为0.71.0的液休摩擦轴承来说，其承载能力近似为：式中 -动压油膜轴承的承载能力，N；-润滑油的绝对黏度，N.s/m2；-辊颈表面滑动速度，m/s；-轴承工作宽度，m；-辊颈直径，m；-轴承半径间隙，m，；-轴承衬内径，m；-最小油膜厚度，m。95 动压油膜轴承的承载起能力随、 当轴承半径间隙一定时，轴承的承载能力随的的最小值取决于摩擦表面的加工精度，由此可知：的增加而提

25、高，故对一定尺寸的轴承而言，油的粘度愈大和转速愈高时，其承载能力愈大。 减小而提高。其值应大于两个相对滑动表面微观不平度之和。96动压油膜轴承的摩擦系数可按下式选取：式中 -平均单位压力，Pa。由上式可知，摩擦系数随、 的增大及乘积的减小而增大。为了减小摩擦系数，对于轻载、高速的轴承，宜选用低粘度的润滑油；而对于重载、低速的轴承则宜选用高粘度的润滑油。97 图3-17 1700轧机带有止推滚动轴承的动压轴承1-套筒；2-锥形辊颈；3-方健； 4-轴承衬； 5-锁销；6-止推滚动轴承；7-螺丝环；8-锁进螺母；9-外盖；10-迷宫密封983.5.3.2 静压油膜轴承静压油膜轴承 由于动压轴承需要

26、一定角速速度才能形成液体摩擦状态，且启动之前不允许大负荷，而且轧件厚度h随其线速度变化，影响产品精度（弹跳）。实际生产中电机频繁启动、制动、正反转不利于油膜形成。 静压轴承克服了以上缺点：输入足以平衡轧制力、轧辊自重的高压油，无论何时均能实现液体摩擦，且油膜形成与辊颈运动速度无关。99 优点：承载能力大，寿命长、刚性高，适 于各种转速和载荷条件；并可降低对轴承衬材料的加工要求。 缺点：需要可靠的高压液压系统及相应的保护装置，造价较高。 100图3-18 600冷轧机支承辊所用的静压轴承工作原理图101图3-19 600冷轧机支承辊所用的静压轴承结构图 1-螺母；2-止推块；3-固定块；4-止推块；5-衬套；6-袖承座；7-密封圈；8-辊颈；9-调整垫；10-补偿垫；11-自位垫板1023.5.3.3 动动-静压油膜轴承静压油膜轴承图3-20 动静压轴承供油系统1-高压油泵；2-电动机；3-控制装置；4-压力控制开关；5-压力表；6-温度计；7-减压阀；8-安全阀；9-高压表；10-高压分配阀；11-工作管道；12-高压软管；13-轴承部分扩大图；14-动压系统供油管；15-回油管103