摘  要:為深入分析四輥板帶軋機(jī)支撐輥滾動軸承列間載荷分布和板凸度變化規(guī)律及兩者的關(guān)系， 利用自主設(shè)計(jì)的滾動軸承力、溫綜合測試裝置，對實(shí)驗(yàn)室四輥板帶軋機(jī)支撐輥各列圓柱滾子軸承的徑向載荷分布、軋后軋件的橫向厚度分布和板凸度進(jìn)行了檢測分析。分析結(jié)果表明:軸承各列徑向載荷隨壓下率和軋件寬度的增大而增大，軸承列間載荷呈“M”型分布;軋件軋后板凸度隨壓下率增加先增大后減小;壓下率相同時(shí)，隨軋件原始厚度的增加而增大，隨軋件寬度的增加先減小后增大又減小。研究結(jié)果可為板帶軋機(jī)滾動軸承的使用和板形分析模型的建立提供有益參考。

關(guān)鍵詞:滾動軸承;載荷測試;板形;板帶軋機(jī)

隨著板帶材軋制技術(shù)的進(jìn)步，軋制過程向著大型化、連續(xù)化和高速化的方向發(fā)展，軋機(jī)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。四輥軋機(jī)作為板帶箔材生產(chǎn)的主要機(jī)型，其工作輥軸承為滾動軸承，支撐輥軸承為滾動軸承或油膜軸承，由于工藝、設(shè)備等因素的影響，使得軋制過程中軋輥軸承的受力情況比較復(fù)雜。文獻(xiàn)研究表明多列滾動軸承列間載荷分 布不均、偏載嚴(yán)重是影響軸承壽命的重要因素［1-3］，大多數(shù)有限元模擬和簡化計(jì)算方法將軸承載荷視為集中載荷或簡單均布載荷，使得對軋件板形的預(yù)報(bào)精度與實(shí)際有偏差［4-5］。本研究利用自主設(shè)計(jì)的四輥實(shí)驗(yàn)軋機(jī)支撐輥四列圓柱滾子軸承力、溫綜合 測試裝置，對軋制過程中各列圓柱滾子軸承的載荷分布進(jìn)行了測試，分析了壓下率、厚度和寬度等因素對軸承列間載荷分布和軋件軋后板凸度的影響，研究結(jié)果可為滾動軸承使用和板形分析模型的建立提供有益參考。 

1 實(shí)驗(yàn)研究

軋輥軸承徑向載荷分布理論及實(shí)驗(yàn)研究表明，軋制過程中軸承徑向載荷以余弦規(guī)律分布在對應(yīng)軸承圓心角約120°的圓弧范圍內(nèi)［6-7］。為測量軸承載荷的列間實(shí)際分布情況，設(shè)計(jì)了四輥板帶軋機(jī)下支撐輥軸承力、溫綜合測試裝置，在軸承座對應(yīng)的承載區(qū)域沿軋輥軸向加工一個(gè)寬度為148mm的槽，在槽內(nèi)與各列圓柱滾子軸承對應(yīng)的位置安裝4個(gè)可上下移動的壓力塊，各壓力塊上部圓弧部分與對應(yīng)列軸承的外圈相接觸(如圖1(a)所示)，與上軸承箱的鏜孔共同組成直徑為170mm的軸承座內(nèi)孔，壓力塊底部加工兩個(gè)對稱布置的沉孔，用于安裝兩個(gè)徑向壓力傳感器。軋制過程中，軸承受力后將壓力傳遞給軸承外圈，軸承外圈將壓力傳遞給壓力塊，壓力塊受壓后使徑向壓力傳感器產(chǎn)生變形，兩個(gè)壓力傳感器承受的徑向力和即為該列軸承所受的實(shí)際徑向力。

為便于記錄和分析軸承載荷分布情況，將各列圓柱滾子軸承或壓力塊進(jìn)行編號，以驅(qū)動側(cè)距輥身***遠(yuǎn)的軸承為第一列，隨著與輥身距離的減小依次為第二、三、四列，操作側(cè)距輥身***近的軸承為第五列，隨著與輥身距離的增大依次為第六、七、八列，各列軸承或壓力塊的具體編號如圖1(b)所示。

軋制實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室四輥可逆冷軋機(jī)上進(jìn)行(如圖2所示)，主要設(shè)備參數(shù)如下:工作輥尺寸為φ100 ×320mm，支撐輥尺寸為φ220×320mm;主電機(jī)功率90kW，轉(zhuǎn)速1500～2800r/min;液壓缸壓下速度5mm/s;卷取/開卷張力0.5～20kN;***大軋制力1200kN;軋制速度為0～60 m/min;原料厚度≤6mm;成品厚度≥0.2mm。

實(shí)驗(yàn)材料為:厚度的2mm，且厚度分布均勻的H24純鋁板。實(shí)驗(yàn)方案如下:長度為250mm，寬度分別為80mm、120mm、160mm、200mm、240mm和300mm的試樣進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，設(shè)定壓下率均為40%;長度為250mm，寬度為240mm的試樣進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，設(shè)定壓下率分別為10%、20%、30%、40%和50%。其中軋制速度均為0.2m/s。對軋制過程中數(shù)據(jù)采集儀采集的徑向壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各列軸承的徑向載荷分布，并測量軋制后鋁板沿板寬方向的厚度分布，進(jìn)而得到鋁板的板凸度。

2 軸承列間徑向載荷分布分析

為分析各列軸承間徑向載荷分布的不均勻程度，定義軸承承載百分比α(i)為第i列軸承徑向載荷占總徑向載荷的比例，即:α(i)=F(i)/F×100% 。

式中，α(i)為第i列軸承承載百分比，F(xiàn)(i)為 第i列軸承的徑向載荷，F(xiàn)為總的徑向載荷。 

2.1 壓下率對徑向載荷分布的影響

寬度相同時(shí)，各列軸承徑向載荷隨壓下率的變化及其分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出，隨著壓下率的增加，各列軸承徑向載荷基本呈線性增加，這是壓下率增加導(dǎo)致總軋制力增加的結(jié)果。由圖3(b)可以看出，軸承列間徑向載荷的承載百分比總體呈“M”形分布，軸承座支點(diǎn)所在的第二列和第七列軸承承載百分比***大，超過25%，靠近支點(diǎn)的第一列、第三列和第六列、第八列軸承承載百分比較大，遠(yuǎn)離支點(diǎn)的第四列、第五列軸承承載百分比***小，小于5%;當(dāng)壓下率小于43%時(shí)，隨著壓下率的增加，第二列和第七列軸承承載百分比逐漸減小，當(dāng)壓下率大于43%時(shí)，隨著壓下率的增加，第二 列和第七列軸承承載百分比增大;隨著壓下率的增加，第一列、第二列和第七列、第八列軸承承載百分比變化幅度較大，即軸承徑向載荷分配主要發(fā)生在支點(diǎn)位置和遠(yuǎn)離軋制中心線的兩列軸承間，其余各列軸承承載百分比變化較小。這是因?yàn)橹屋亾锨蛪罕庾冃问菍?dǎo)致各列軸承載荷分配不均的主要原因，當(dāng)壓下率小于43%時(shí)，隨著壓下率的增加 支撐輥的撓曲變大，由于第二和第七列處柱面墊的自位調(diào)整作用，第二列和第七列軸承承載百分比逐漸減小，而第一列和第八列軸承承載百分比逐漸增大，當(dāng)壓下率大于43%時(shí)，總軋制力基本接近軋機(jī)的***大軋制力，柱面墊的自位調(diào)整作用減小，使得第二列和第七列軸承的承載百分比又增大。

2.2 板寬對徑向載荷分布的影響

來料厚度和壓下率相同時(shí)，各列軸承徑向載荷隨板寬的變化及其分布如圖4所示。由圖4(a)可以看出，各列軸承徑向載荷均隨軋件寬度的增加而增大，其中第二列和第七列軸承徑向載荷隨板寬的增加其增長速率減慢，第一和第八列軸承徑向載荷基本呈線性增大，第三、四、五和六列軸承徑向載荷變化不大。由圖4(b)可以看出，軸承列間徑向載荷的承載百分比總體呈“M”型分布，隨著軋件寬度的增加，第一和第八列軸承承載百分比逐漸增加，其余各列軸承承載百分比逐漸減小，但第四和第五列軸承變化量較小，即列間載荷不均勻程度在減小。這是因?yàn)橹屋亾锨蛪罕庾冃蔚某潭仁怯绊戄S承載荷分配不均勻程度的主要原因，當(dāng)來料厚度和壓下率相同時(shí)，軋制力隨軋件寬度基本成正比增加，使支撐輥的撓曲變形變大，但此時(shí)軋制力的作用范圍也變寬，又會使支撐輥撓曲變小，上述現(xiàn)象即是二者共同作用的結(jié)果。 

3 板凸度影響因素分析

3.1 壓下率對板凸度的影響

寬度相同時(shí)，軋后軋件橫向厚度分布和板凸度隨壓下率的變化情況如圖5所示。由圖5(a)可以 看出軋后軋件沿寬度方向產(chǎn)生了較為明顯的不均勻變形，軋件由軋前的矩形截面變?yōu)橥剐谓孛?。由圖5(b)可以看出，隨著壓下率的增加板凸度先增大后減小，壓下率為30%時(shí)，板凸度達(dá)到***大值。工作輥撓曲變形是影響輥縫形狀和軋件凸度的主要因素，而影響工作輥撓曲變形的因素主要為軋制力和輥間壓力，對于同一原始厚度的鋁板，軋件寬度相同時(shí)，軋制力與壓下率成正比，輥間壓力主要取決于工作輥和支撐輥間的協(xié)調(diào)變形情況［8］。本文所研究的實(shí)驗(yàn)軋機(jī)，支撐輥與工作輥的輥徑比為2.2，達(dá)到了板帶軋機(jī)輥徑比的上限［9］，即支撐輥的剛度較大，當(dāng)壓下率小于30%時(shí)，軋制力較小，支撐輥的撓曲變形較小，輥間壓力作用范圍主要集中在軋輥的中間區(qū)域;此時(shí)，隨著壓下率的增大，軋制力增大引起的工作輥撓曲增大起主要作用，因此板凸度增大;由圖3(a)可以看出，軸承座內(nèi)靠近支點(diǎn)的第一列與第三列軸承載荷的差值變化不大，也表明 支撐輥撓曲變形較小。當(dāng)壓下率大于30%時(shí)，軋制力較大，支撐輥發(fā)生了明顯的撓曲變形，隨著壓下率的繼續(xù)增加，支撐輥的撓曲變大，軋制力增加的同時(shí)，輥間壓力的作用范圍變寬，在兩者的綜合作用下，工作輥撓曲變形變小，導(dǎo)致板凸度又減小［10］ ， 由圖3(a)可以看出，軸承座內(nèi)靠近支點(diǎn)的第一列與第三列軸承承載載荷的差值變大，表明支撐輥發(fā)生了較大的撓曲變形。

3.2 板寬對板凸度的影響

壓下率相同時(shí)，軋后軋件橫向厚度分布和板凸度隨板寬的變化情況如圖6所示。由圖6(a)可以看出軋后軋件沿寬度方向產(chǎn)生了較為明顯的不均勻變形，軋件由軋前的矩形截面變?yōu)橥剐谓孛?。由圖6(b)可以看出，隨著板寬的增加板凸度先減小后增大又減小，其中極小值出現(xiàn)在板寬為120mm 處，極大值出現(xiàn)在板寬為240mm處。軋件凸度主要是由軋制力和輥間壓力引起的工作輥撓曲變形決定的，對于同一原始厚度的鋁板，壓下率相同時(shí)，軋制力與軋件寬度成正比。當(dāng)軋件寬度較小而壓下率較大時(shí)，軋制力較小，隨著軋件寬度的增加，軋制力增大，使工作輥的撓曲變形增大，但同時(shí)軋制力的作用范圍也變寬，又使工作輥的彈性變形減小，且此時(shí)支撐輥的撓曲變形也較小，輥間壓力也 主要集中在軋輥中間區(qū)域，導(dǎo)致軋件寬度為120mm時(shí)，板凸度達(dá)到***小值;隨著軋件寬度的繼續(xù)增大，軋制力繼續(xù)增大，使得支撐輥發(fā)生了一定程度的撓曲變形，但此時(shí)軋制力對工作輥撓曲變形的影響增大仍起主要作用，故板凸度又增大，在軋件寬度為240 mm時(shí)，板凸度達(dá)到***大值;當(dāng)軋件寬度進(jìn)一步增大時(shí)，軋制力繼續(xù)增加，但此時(shí)軋制力的作用范圍變寬，且支撐輥也發(fā)生了較明顯的撓曲變形，板凸度又開始減?。?1-12］ ，由圖4(a)可以看出，軸承座內(nèi)靠近支點(diǎn)的第一列與第三列軸承承載載荷的差值變大，表明支撐輥發(fā)生了較大的撓曲變形。 

3.3 板厚對板凸度的影響

為了分析板厚對板凸度的影響規(guī)律，對寬度均為240mm，厚度為2mm、3mm和5 mm，且厚度分布均勻的H24純鋁板，在設(shè)定壓下率為30%的情況下進(jìn)行了軋制實(shí)驗(yàn)(實(shí)際壓下率分別為30%、32%、30%)。軋后軋件橫向厚度分布和板凸度隨板厚的變化情況如圖7所示。由圖7(a)可以看出軋后軋件沿寬度方向產(chǎn)生了較為明顯的不均勻變形，軋件 由軋前的矩形截面變?yōu)橥剐谓孛?。由圖7(b)可以看出，隨著軋件原始厚度的增加板凸度增大。

這是因?yàn)檐埣挾群蛪合侣驶鞠嗤?，隨著軋件原始厚度的增加壓下量增加，雖然單位寬軋制力增大，導(dǎo)致其對板凸度的影響減小，但軋制力的增大使工作輥的撓曲變大對板凸度的影響起主導(dǎo)作用，故板凸度不斷增大，但增大的趨勢逐漸變緩。

4 結(jié)論

(1)軋件原始厚度相同，當(dāng)壓下率或軋件寬度增加時(shí)，軸承列間載荷總體呈增加的趨勢，軸承列間承載百分比呈“M”型分布，軸承座支點(diǎn)所在的第二和第七列軸承承載百分比***大，靠近支點(diǎn)的第 一、三、六、八列軸承承載百分比較大，遠(yuǎn)離支點(diǎn)的第四、五列軸承承載百分比***小。

(2)隨著壓下率的增加，軸承載荷分配主要發(fā)生在支點(diǎn)位置的第二、七列軸承和遠(yuǎn)離軋制中心線的第一、八列軸承間，其余各列軸承承載百分比變化較小;隨著軋件寬度的增加，第一、八列軸承承載百分比逐漸增大，其余各列軸承承載百分比逐漸減小，但第四列和第五列軸承承載百分比變化較小。

(3)由于支撐輥剛度較大，壓下率較小時(shí)，支撐輥撓曲變形較小，隨著壓下率的增大，支撐輥撓曲變形逐漸變大，輥間壓力分布產(chǎn)生了明顯變化， 在軋制力和輥間壓力的綜合作用下，軋件板凸度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。

(4)軋件寬度較小時(shí)，軋制力分布對工作輥撓曲的影響較大，軋件寬度較大時(shí)，軋制力對工作輥撓曲的影響變大，隨著軋件寬度的進(jìn)一步增大，支撐輥發(fā)生明顯撓曲后，輥間壓力分布也發(fā)生了明顯變化，在上述因素的綜合作用下，板凸度呈先減小后增大又減小的趨勢;當(dāng)壓下率和軋件寬度基本相同時(shí)，隨著軋件厚度的增加板凸度呈增大趨勢。

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