轧辊与轧辊轴承选编课件.ppt

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1、1,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,3.2,第三章 轧辊与轧辊轴承,轧辊的强度计算,3.3,轧辊的扰度计算,3.4,3.5,轧辊专用轴承,2,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。,重点与难点：,轧辊强度校核,3,3.1 轧辊的工作特点及其工艺要求,3.1.1 轧辊所受载荷 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。,

2、4,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。,5,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。,6,磨损 磨损达到一定辊次（反复车削，辊身表层硬度丧失，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,7,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 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

3、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。,8,3.1.3 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 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 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。,9,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。,10,3.2.1 轧辊的结构,3.2 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

4、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,11,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、微凹型或其它较复杂的曲线形状（辊型）。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。,12,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,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。,13,3.2.2 轧辊的参数 3.2.2.1

5、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,14,轧辊的强度和刚度条件,15,最小可轧厚度,热平衡条件,16,3.2.2.2 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。,工作辊辊身长度可用下式确定：,17,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。,18,3.2.2.3 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，

6、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。,19,3.2.3 轧辊的材质选择,类型和特点,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(含碳量2%以上,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。,20,铸铁轧辊,铸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。,按主要材质可分为普通铸铁

7、轧辊、合金铸铁轧辊（Ni，Cr）、球墨铸铁轧辊。根据硬度不同，可分为半冷硬轧辊、冷硬轧辊、无限冷硬轧辊。半冷硬轧辊表层无明显白口层，HS50；冷硬轧辊表层有明 显的白口层，中间麻口层，心部灰口层，HS60；无限冷硬 轧辊表层有明显的白口层，中间麻口层少 HS 65。,21,钢轧辊,钢轧辊有铸钢和锻钢之分。钢轧辊的优点是强度高、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

8、轧辊的质量在逐渐提高 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,22,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,近年来,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。,23,24,3.3 轧辊的强度计算,轧辊强度效核的必要性,设计不合理，强度不合理，额

9、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 轧辊的强度计算,25,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。,26,3.3.1 型材轧机轧辊强度效核,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

10、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。,27,型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,28,29,3.3.1.1 辊身强度效核,30,3.3.1.2 辊颈强度效核,31,32,3.3.1.3 辊头强度效核,33,34,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：,35,3.3.2 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,36,3.3.2.1 辊身强度校核,37,3.3.2.

11、2 辊颈强度效核,3.3.2.3 辊头强度校核,同型材轧辊辊头强度校核方法,38,3.3.3 四辊板带轧机的轧辊强度校核,39,3.3.3.1 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,40,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,41,工作辊强度效核,42,支持辊强度效核,43,3.3.3.2 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,44,图3-7 工作辊、支持辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊,45,工作辊强度效核,支持辊强度效核,46,3.3.3.3 四辊轧机轧辊接触应力计算,半径方向

12、的法向正应力,47,在接触区切应力,48,图3-8 轧辊接触应力与深度关系,49,3.3.4 轧辊的断裂形式与安全系数,3.3.4.1 轧辊断裂形式,50,3.3.4.2 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。,51,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=767kN;3）各道的轧制力矩：M13=107kN.m，M9=90kN.m，M5

13、=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。,52,图3-8-1 轧辊受力图及内力图,53,54,55,56,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D2400mm，支承辊辊颈直径d2220mm,辊身长度L500mm,轧件宽度b400mm。

14、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）。,57,58,(2)四辊轧机辊系受力分析图,59,(3)工作辊、支持辊受力图及内力图a-工作辊；b-支持辊,60,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。,61,2）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：,62,辊身中

15、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。,63,作 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

16、强度（要求画出辊系受力图、轧辊受力图及内力图）。,64,3.4 轧辊的扰度计算,3.4.1 二辊板带轧机轧辊扰度的计算,65,66,3.4.1.1 辊身中央断面总弯曲扰度的计算,67,68,3.4.1.2 辊身中央与板边缘扰度差值的计算,69,70,3.4.1.3 辊身中央与辊身边缘扰度差值的计算,71,3.4.2 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,图 3-11确定,时所用的计算图,72,73,74,3.4.2.2 工作辊的挠曲变形,图 3-12 确定,时所用的计算图,75,76,77,78,3.4.2.3 轧辊间中部与边部压力差,的确定,79,80,3.5 轧辊专

17、用轴承,3.5.1 轧辊轴承工作特点及其类型,3.5.1.1 轧辊轴承的工作特点,负荷大，径向尺寸受限制轧辊轴承承受的热许用值高 工作温度高，Tmax300-400 工作环境恶劣（水、油、乳化液、铁皮、灰尘）,3.5.1.2 轧辊轴承的主要类型,轧辊所用轴承一般有滑动轴承、滚动轴承和液体摩擦轴承。,81,82,图3-12-1 开式轴承中各种形状的主轴承衬,83,图3-12-2 二辊及三辊轧机的轴瓦配置,84,3.5.2 滚动轴承,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。,85,滚动轴

18、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,86,3.5.2.1 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:四辊冷轧支持辊、工作辊，热轧工作辊无自动调心，需自位球面垫无须止推轴承 不适合高速条件下工作 轴承内圈与轧辊辊颈采用动配合,87,3.5.2.2 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:高速重载

19、无自动调心，需自位球面垫 须止推轴承承受轴向载荷轴承内圈与轧辊辊颈采用静配合,在轴承座内为过渡配合(5)内圈具有互换性,88,3.5.2.3 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:常用四辊冷轧机支持辊能自动调心，不需自位球面垫无须止推轴承,89,3.5.2.4 滚针轴承,特点:常用多辊轧机和小型四辊冷轧机工作辊可以取消轴承的内圈或外圈,或二者都不用 零件的加工精度与光洁度以及滚动面的硬度要互相配合需止推轴承,90,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 承处加球面垫，以保持其自位性。,91,3.5.3 轧辊用液体摩擦

20、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。,92,3.5.3.1 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。,93,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，并到达几何中心实现,处形成高压）；,液体摩擦正常工作。,94,图3-16 油膜轴承截面中压力分布与偏移位移a

21、-静止状态；b-轴颈旋转时油楔径向压力分布,95,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起能力，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。,96,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：,的增加而提高，,故对一定尺寸的轴承而言，油的粘度愈大

22、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。,97,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。,98,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,99,3.5.3.2 静压油膜轴承,由于动压轴承需要一定角速速度才能形成液体摩擦状态

23、，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。,100,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。,101,图3-18 600冷轧机支承辊所用的静压轴承工作原理图,102,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；

24、7-密封圈；8-辊颈；9-调整垫；10-补偿垫；11-自位垫板,103,3.5.3.3 动-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,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,