GY-1型短应力线轧机的特点及力学性能的初步分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.02.023 北京钢铁学院学报 1983年第2期 GY-1型短应力线轧机的特点及 力学性能的初步分析 冶金机械教研室 钟廷珍 力学教研室 唐俊武 摘 要 本文对GY-1型短应力线轧机的基本特点及力学原理进行了初步分析。 不用予应力，也不加大机架截面而以最短的应力线、分散载荷、对称调整和少 配合面的原理，来提高机座刚度、调整性能和轴承寿命，是本轧机区别五其他轧机 的最主要特征。 本轧机的投产为老轧机的技术改造提供了有效途径。 我院在上级领导和有关单位的支持、 协作下，研制成了一台新型的高刚度小型 轧机（图1）。冶金部科技司、钢铁司于 1981年12月召开了鉴定会予以通过。会议 认为：该轧机设计合理、结构新颖、刚度 较高、性能先进、调整方便、易于制造。 这种具有自己特点的轧机研制成功，为我 国今后新型轧机的进一步研制和旧有轧机 的技术改造开辟了新途径。有关该轧机的 具体结构、制造、安装试生产的实测分 析，将另有专文介绍。本文仅对该轧 机的特点及有关力学性能作初步的分析。 图1 一、有关轧机刚废及其影响因： 众所周知，刚度是衡量轧机技术性能的重要指标，提高轧机的刚度，可以获得高精度的 产品，减少轧制废品，减少工艺事故。当前更为重要的是：提高轧机刚度可以稳定轧件尺 寸，稳定轧制工艺，以实现轧钢生产的机械化及由计算机控制的自动化。 *本文中的刚度测试是在沈久珩付教授和治金机横实验室有关同志指导帮助下，由研究 生李平主要完成的。 30

北 京 钢 铁 学 院 学 报 一 年第 期 一 型短应力线轧机的特点及 力学性能的初步分析 冶金 机械教研 室 力 学 教 研 室 钟 廷珍 唐俊武 摘 要 本文对 一 型短 应 力线 轧机 的基 本特点及 力学原理进行 了初 步分析 。 不 用 予应 力 ， 也不 加 大机 架截面 而 以最短 的应力线 、 分 散载荷 、 对称调 整和少 配 合面 的原理 ， 来提 高机座 刚度 、 调 整 性能和 轴承寿命 ， 是本轧机 区别币 其他 轧机 的最 主要特征 。 本轧机 的投产为 老 轧机 的技 术 改造提供 了有效途径 。 我院在 上级领导 和 有关单位 的支持 、 协作下 ， 研制 成 了一台新型 的高刚度 小型 轧机 图 。 冶金 部科技 司 、 钢 铁司 于 年 月 召开 了鉴 定 会予以通 过 。 会议 认为 该 轧机设计 合理 、 结 构新颖 、 刚度 较 高 、 性能 先进 、 调 整方便 、 易于制造 。 这种具有 自己 特点的轧 机研 制 成功 ， 为我 国 今后 新型轧 机 的进 一步 研制 和 旧 有轧 机 的技 术改造开 辟 了新途径 。 有关该轧 机 的 具体结 构 、 制 造 、 安装 和 试生产 的实测分 析 ， 将 另有专文 介 绍 川 。 本文 仅 对该轧 机 的特点及 有关力学性 能 作初步 的分析 。 一 、 有 关 暇 机 刚度 及其 影 响因 豪 众所周 知 ， 刚度是衡量轧机技术性 能 的 重要 指标 ， 提 高轧 机 的 刚度 ， 可 以 获得 高精度 的 产 品 ， 减少轧制 废 品 ， 减 少 工 艺事故 。 当前 更为重要 的是 提高轧 机 刚度可 以 稳定轧件尺 寸 ， 稳 定轧 制 工 艺 ， 以实 现轧 钢生产 的 机械 化及 由计 算机控制 的 自动化 。 本文 中的刚度 测 试是在 沈 久 晰 付教授 和 冶金 机械实 验 室有关 同 志指导帮助 下 ， 由研 究 生李平 主 要 完成 的 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．02．023

近年来闲内外对提高小型线材轧机的刚度【分亚视并作了大量的工作，不仅在理论上进 行了很多的笨索，而且作实线上研制出」：停类型的高刚度轧机结构。如1予应力轧机、闭口 六面体轧机、侏篇式轧机、无牌坊轧机等。【21 轧机刚度是指轧机工作机座抵抗弹性变形的能力，用刚度系数K表示，则 K=? (1) 式中，P为轧制力，为机座总变形（也称弹跳）。远是说，轧机刚度系数K是工作机座产生 单位弹性变形所需要的轧制力。在轧制力一定时，K越大，工作机座的弹性变形越小。 产品精度与轧机刚度系数K付着十分密切关系。轧制产品的厚度应等于原终辊缝s与工 作机座弹性变形s之和。即 h=s+f=s+k (2) 但是，由于轧制过程中工艺参数如钢坯温度，钢坯尺寸等不是绝对稳定的，则会影响轧 制力p值的波动，从而引起轧件原度山的变化，例轧制力在红坏头部时为p1,尾部时为P2, 相应轧件头尾的尺寸应为： hi=s+Pi k: himst 两式相减，得轧件头尾的厚度差为： Ah=Pi-P:=A k k (3) 就是说，由于某些不可避免的原因导致轧制力p的变化，△P是客观存在的。而要使轧件厚度 差△（即产品精度）域小、或使A的允许值不超过产品的标准公差，则只有提高工作机 座的刚度系数k1咸少△P。 由()式可知，提高刚度归根结底东：于就少工作机座总的弹性变形「。而是由两部分变 形组成的： f=fn+fk (4) 为轧辊弯追变形，「x为.汇.机座在承受轧制力时各承载件（除轧辊外）拉压变形之和。减 少总变形实质上就是婴减少轧粑变形f:和机座变形fx, 轧辊变形f在总变形中所的比例随轧机结构而异。随着轧机结构的改进，机座刚度 增加，使机座变形fx明显减少，则f所占的比例大大增加。在旧式轧机中，fn约占f的30~ 40%,而据西德施洛曼公司的研究【1装明，在高刚度闭口机架上的实验得出，「在f中占的 比例高达70%以上.。研究还指出，随着辊身长度增加，即辊长L和辊径D的比增大时，fa明 显增加。因此，现代的小型与线材轧机均设计成短辊身结构，以减小轧辊变形f,有关í问 题的研究，不是本文的范围，这里不再详述。 和木文分析问题有关的是构成机座总变形的另一部分「x。 除轧辊外，承受轧制力(P轧)的机座部件有机架，压下螺丝、压下螺母、安全臼、垫 片、上下轴承座。设其刚度系数分别为K1、K、K、K、K。、K。、K,。则机座变形 fx为 31

近 年来 国 内外 对提 高小型 线 材轧 机 的 刚度 一 分重 视 并 作了大量 的 工 作 ， 不 仅 在 理 论 上进 行 了很 多 的 探 索 ， 而且 为实践 土研 制 出 ‘ 舟 冲类塑 自勺佰刚度轧 机结 构 。 如予应 力轧 机 、 闭 口 六 面体轧 机 、 侏 儒式轧 机 、 无 牌 坊轧 机 等 。 “ 轧 机 刚度是 指轧 机工 作机座 抵 抗 弹性 变形 的 能 力 ， 用 刚度 系数 表示 ， 则 式 中 ， 为轧制 力 ， 为机座 总变形 也 称弹跳 。 旋是 说 ， 轧 机 刚度系数 是 工 作机座产生 单位 弹性 变形所 需要 的轧 制 力 。 在轧 制 力一 定 寸 ， 越 大 ， 工 作 机座 的弹性 变形越小 。 产 品精度 与轧 机 刚度系数 仃着十 分密 切关 系 。 轧制 产 品 的厚 度 应 等于原终辊缝 与工 作机座 弹性 变形 之 和 。 即 一 、 十 仁 但 是 ， 由于轧 制 过程 巾工 艺 参数 如钢 坯温 度 ， 钢 坯 尺 寸 等不 是 绝 对稳 定 的 ， 则 会影响轧 制 力 值 的 波 动 ， 从 而 引起轧 件厚 度 自 ‘ 变 化 。 例 如轧制 力在 红 坯头 部 时为 ， ， 尾部 时为 ， 相应 轧件头尾 的 尺 寸应 为 一 十 仇 两式相 减 ， 得 轧 件头 尾的厚度差 为 八 一 △ 一 就是 说 ， 由于某 些 不 可避免 的原 因导 致轧 制 力 的 变 化 ， △ 是 客观 存 在 的 。 而要 使轧件厚 度 差△ 即 产 品精 度 减小 、 或草 使八 的 允许 位 不超 过 产 刀 ，的标 准公 差 ， 则 只 有提 高工 作机 座 的 刚度 系数 和 减 少△ 。 由 式可 知 ， 提 高 刚度归 根结 底 在 于减 少 爪作机座 总 的 弹性 变形 。 而 是 由两 部分变 形组成 的 。 、 为轧辊 弯曲变形 ， 、 为 「几作机座 龙承受 轧制 力 寸各承 载件 除轧辊 外 拉压 变形 之 和 。 减 少 总变形 实 质 上就是 要 减 少轧辊 变形 和 机座 变形 ， 轧辊变形 。 在 总变形 中所 ， 的 比例 随轧 机结 构而 异 。 随 着轧 机结 构 的 改进 ， 机座 刚度 增加 ， 使 机座 变形 明显减 少 ， 则 。 开占的 比例 大大 增 。 在 旧 式轧 机 中 ， 。 约 占 的 ， 而据西 德施 洛 曼公 司 的研 究 〔 表 明 ， 在 高 刚度 闭 口 机架 上的实 验 得 出 ， 。 在 中 占的 比例 高达 以 上 。 研 究 还 指 出 ， 随 着辊身长度 增加 ， 即辊 长 和 辊径 的 比 增 大 时 ， 明 显 增 加 。 因此 ， 现代 的小型 与线 材轧 机均 没计 成短 辊 身结 构 ， 以 减 小轧辊 变形 ， 有 关 。 问 题 的研 究 ， 不 是 木文 的范 围 ， 这 里不 再详述 。 和 本文 分 忻问题 有关 的是 构成 机座 总变形 的 另一部 分 ‘ 。 除轧辊外 ， 承受 轧制 力 轧 的 机座 部件有机架 ， 压 下 螺 丝 、 压 下 螺母 、 安 全 臼 、 垫 片 、 上下 轴承座 。 设 其 刚度 系数 分别 为 、 、 、 、 、 。 、 。 则 机座 变形 ‘ 为

-) 1 (5) 由上式可见，提高各承载部件的刚度系数K,或者如能减少机座中承载部件的数量，即 尽量减少配合面，都能使x减小。 但是，(5)式的缺点是没有明确给出影响各承载部件刚度的直接因素。瑞典Hans Gedin等人(3)的研究指出，轧机机座刚度是承载部件的截面几何尺寸和长度的函数，可把 (5)式改写为 登品，+：+，+e宁) (6) 式中，R为载荷，E为部件材料弹性模量，1为受载长度，A为部件横截而积，I为部件截 面惯性矩（见图2a)。 (a) (b) 图2普通轧机和短应力轧机应力线对比图 不难看出，(6)式是从虎克定律推导出来的，它把机座所受复杂的应力状态简化为简单 的应力状态，认为承载部件只有受纯拉压或弯曲，而忽略剪应力引起的变形。由此式可明显 看出影响轧机机座变形的两个主要因素，承载部件截面几何尺寸和传递应力通过的长度。我 们称后者为“应力线长度”。 为了增加机座的刚度，设计人员以前往往只注意加大部件的横截面尺寸，使得机组粗大 笨重。合理的设计思想应是同时尽量缩短应力线，在这种理论指导下各国设计轧机时在结 上作了变更。即增加机座关键部件的断面，同时尽量缩短机架的窗口高度和宽度，即缩短应 力线长度，使轧机的刚度得到较大的提高。 二、GY一1型短应力线轧机的基本原理及特点 应该看到，在传统结构的普通机座上，由于结构所限，不可能大幅度地缩短应力线和减 少配合面，还必须寻求新的途径。 大约在四十年代，瑞典研制出第一代的无牌方轧机，它是摆脱了轧机传统结构的束缚， 32

一 坛 “ 找 ‘ 一 牙 一 一 一 万 。 面 ， 由 上式可见 ， 提高各承载部件 的刚度系数 ， 或者 如能减少机座 中承 载部件的数量 ， 即 尽量减少 配 合面 ， 都 能使 减小 。 但是 ， 式 的 缺点是 没有 明确给 出影 响 各承 载部件刚度 的直 接 因素 。 瑞典 等人 〕的研 究指 出 ， 轧机机座 刚度是 承 载部件的 截面 几何尺寸和 长度 的 函数 ， 可把 式改写 为 ， 轧 ， ‘ 盆 下百 一 “万入万 人 牛 。 八 毕 式 中 ， 为载荷 ， 为部件材料弹性 模量 ， 为受 载长度 ， 为 部件横 截而 积 ， 为部件 截 面惯性 矩 见 图 。 图 普通 轧机和短 应 力轧机应 力线对 比 图 不 难 着 出 ， 式是 从虎克定律推 导出来 的 ， 它把机座 所受 复杂 的应 力状态 简化为简单 的应 力状态 ， 认为承 载部件只 有受纯 拉压 或弯曲 ， 而 忽略剪应 力引起的变形 。 由此式可明显 看 出影 响轧机机座 变形 的两个主 要 因 素 ， 承载部件截面 几何尺 寸和 传递应 力通 过 的长度 。 我 们 称后 者 为 “ 应 力线 长度” 。 为了增加机座 的 刚度 ， 设计 人 员 以前往往 只注 意加大部件的横截面尺寸 ， 使得机组粗 大 笨重 。 合理 的设计 思 想 应 是 同时尽量 缩 短 应 力线 ， 在这种理 论指导下 各国设计 轧机 时在 结 上作了变 更 。 即 增加机座关键部件 的断面 ， 同时尽量缩短 机架的窗 口 高度和 宽度 ， 即缩短应 力线 长 度 ， 使 轧机的 刚度得 到较大 的提 高 。 二 、 一 型 短 应 力线轧机的基本 原 理 及 特点 应该 看 到 ， 在传统结构的普通 机座 上 ， 由于结 构所限 ， 不 可 能大幅度地缩短应 力线和减 少 配 合面 ， 还必 须寻求 新 的途径 。 大 约 在 四 十年代 ， 瑞典研制 出第一代 的无牌方轧机 ， 它是摆脱 了轧机传统结 构 的 束缚

大胆地取消了轧机的牌坊，用拉紧丝杆将两个刚性很大的轴承座联在一起。但辊系仍然是传 统式的，这就使应力线大为缩短，60年代后又出现了第二代无牌坊轧机，其原理如图2b所 示。这种方案使轧机设计进入了新的阶段。以后又在此基础上出现了许多新型的（无牌坊的 和有牌坊的)高刚度轧机。 我们是按这个方向参考瑞典第二代无牌坊轧机(p-600型)的原理（图片），结合我国 具体情况在结构上又作了改进后制成的GY-1短应力线轧，概括起来有如下几个特点： 1.最短的应力线保证轧机具有较高的刚度。 此轧机不用予应力，也不靠增大戴面尺寸来提高刚度，而是取消了压下螺丝、牌坊，采用 分散载，对称调整。从图2a、b对比看出，普通轧机中的11、Iz、1、1,在新轧机中只有 1:、1:,而且要短得多。例如我们把拉杆设计得与辊径轴承外圈极其靠近，使这台中300轧机 的应力线长度仅为普通中300轧机的一半，其应力线呈紧绕辊径轴承的椭圆形。同时减少 了配合面，并在设计时注意使轧机轴承座具有较大的刚度，所有这些都使机座变形íx减小，· 从而保证了轧机的高刚度。 2.改变轧制力的传递途径、使轴承的受力状态得到改善。 轧机由于取消压下螺丝，改变了力的传递途径，使轴承受力趋于均匀，轴承寿命可得到 较大的提高。我们采用的是四列短圆柱轴承，不但使其使用寿命较长，也保证了轧制的精 度。这个问题本文在第四部分将进一步分析。 3.预调性能良好。 轧机装有精密压头和轧制负载指示器，能随时测量轧制负荷。因此可模拟生产条件在换 辊前予调辊缝，由于轧机本身刚度高，换辊后生产第一、二根钢即可保证产品精度，从而提 高了成材率。这对于品种更换频繁、生产高级优质轧材的车间更有意义。 4.实现了对称调整。 普通轧机是一辊固定，另一辊调整，因此不能对称调整。新轧机是通过拉紧丝杆上的正 反丝轧转动带动螺母升降而使上、下轴承座对称张开或压下。这样就能实现对称调整。对称 调整的最大优点是能使轧制线保持不变，这对于稳定操作，提高生产率（尤其对连轧生 产)，以及避免轧件弯头、冲出轧辊等工艺事故，提高导卫寿命等都能起很大的作用。各种 轧机中只有这种结构能实现对称调整。 5.整体换辊，减少换辊时间。 本轧机备有两套以上辊组，一套使用，一至二套预装。换辊时，将旧辊组取下，换上新 的，这就显著减少在线换辊时间，提高作业岸。 三、 GY-1型短应力线轧机刚度的测定 目前机坐的弹性变形量和刚度主要是通过电测来确定的。 GY-1短应力线轧机规格 辊径D=290~320mm 有效辊身长L.÷300mn(实际400mm) 1·实验方法： 我们采用直接冷轧铝板和在：轧辊间放置高压油缸直接加载两个方法来实测轧机的纵向、 横向刚度。 33

大胆地取 消 了轧机的牌坊 ， 用拉紧丝杆将两个刚性很大 的轴承座 联在一起 。 但辊 系 仍然是传 统式的 ， 这就使应 力线大为缩短 ， 年代后 又出 现 了第二 代 无牌坊 轧机 ， 其原理 如图 所 示 。 这种 方案使轧机设计进入 了新 的 阶段 。 以后 又在 此 基础 上出现 了许多新型 的 无牌坊 的 和有牌坊 的 高刚度轧机 。 我们是技这个方 向参考瑞典第二 代无牌坊轧机 一 型 的原理 图片 ， 结合我国 具体情况在结构 上又 作 了改进后制成的 一 短应 力线轧 ， 概 括起来 有如下几个特点 最短 的应 力线保 证轧机具有较高的 刚度 。 此 轧机不 用予应 力 ， 也不 靠增大截面尺寸来提高 刚度 ， 而是取 消 了压下螺丝 、 牌坊 ， 采用 分散载 ， 对称调 整 。 从图 、 对比看 出 ， 普通 轧机中 的 、 、 、 ‘ 在 新轧机中 只有 、 ‘ ， 而且要短 得多 。 例如我们 把拉杆 设计得 与辊径 轴承外 圈极其靠近 ， 使这台 今 轧机 的应 力线 长度 仅 为普通 中 轧机 的一半 ， 其应 力线呈 紧绕辊径 轴承的椭圆形 。 同时减少 了 配 合面 ， 并在 设计 时注意使轧机轴 承座具有较大 的 刚度 ， 所有这些都使机座 变形 减小 ， 从而保 证 了轧机 的高刚度 。 改变轧制 力的传递途径 、 使 轴承 的受力状态 得 到 改 善 。 轧机 由于取 消压卞螺丝 ， 改变 了力的传递途径 ， 使 轴承受 力趋于均匀 ， 轴承寿命 可得到 较大的提高 。 我们 采用 的是 四 列 短圆柱轴承 ， 不 但使其使用 寿 命较长 ， 也保 证 了 轧 制 的精 度 。 这个问题本文在 第四部分将进一步 分析 。 预调性 能 良好 。 轧机装有精密压头和轧制负载指 示 器 ， 能随 时测量 轧 制负荷 。 因此可 模拟生 产条件在换 辊前予调 辊缝 ， 由于轧机本身刚度高 ， 换辊后 生 产第一 、 二根钢 即可 保 证 产品精度 ， 从而提 高 了成材率 。 这 对于品种更换频繁 、 生 产高 级 优质轧材 的车 间更有意义 。 实现 了对称调 整 。 普通 轧机是 一辊 固定 ， 另一辊调 整 ， 因此不 能 对称调 整 。 新轧机是通 过拉 紧丝杆 上的正 反 丝轧转 动带动螺母升降而使 上 、 下轴 承座 对称 张开 或压下 。 这样就 能实现对称调 整 。 对称 调 整 的 最 大优点是 能使轧制线 保持不 变 ， 这 对于 稳定 操作 ， 提高生 产率 尤 其 对 连轧生 产 ， 以及避免 轧件弯头 、 冲出轧辊 等工 艺事故 ， 提高导 卫 寿命 等都 能 起很大 的作用 。 各种 轧机中只 有这种结构能实现对称调 整 。 整 体换辊 ， 减少换辊 时间 。 本轧机备有 两套以 上辊组 ， 一套 使 用 ， 一至二 套预装 。 换辊 时 ， 将 旧辊 组取 下 ， 换 上新 的 ， 这就显 著减 少在线换辊时间 ， 提高 作业率 。 三 、 一 型短应 力线 轧机 刚度 的测 定 目前机座 的 弹性 变形量 和 刚度主要是通 过 电测来 确定 的 。 一 短应 力线 轧机规格 辊径 有 效辊 身 长 实际 凌 卜 实验方法 我 们采 用直 接 冷轧 铝板 和 在 轧辊间放置 高压 油缸 直 接加 载两 个方 法来 实 测轧机 的纵 向 、 横向刚度

(1)轧板法 将厚度为10mm,长度为120mm,宽度分别为40mm、80mm的铝板各10块（编 号)，在不同辊缝下轧制。 试件厚度相同，变动辊缝，给出不同的压下量以得到不同的轧制力。其中当每次辊缝调 好后，均用铅条反复轧三次，使轧制力近于零测得自然辊缝。然后再轧铝板，顶起间隙测得 实际辊缝，同时轧一组（不同宽度各一块）试件，轧出后测量其厚度，减去实际辊缝即为弹 跳值[。为测得两轴承座之间的位移，将二悬臂梁式传感器分别放在轧辊两侧轴承座的中 间。为了测量轧制力、在拉杆上贴应变片。实验时用示波器照相记录上述位移和轧制x的数 值。 ， (2)油缸静压法， 用一个外径中100mm,柱塞直径中70mm,高54mm的油缸，放在两轧辊中间加压，代 替轧制力，反复加、卸载、用百分表记录位移其装置见图3，悬臂梁放置和示波照象同上(1)。 10 (a) (b) 1·横杆2。百分表 3·象胶管 4··螺母5·上横梁 6·立柱7·上轧辊 8·油缸 9·下轧辊 10·下横梁 图3静刚度测量装置图 2·实脸结果 测量得出的纵向实际工作刚度回归方程数据如下表1。 由表内数据，可求得拟合方程系数： k=n(②xg)(②x)y）=66.06 n(Ex2)-(x)2 b=②x)③)-（③x)x2=-14.79 n(Σx)-(2x)2 34

轧板法 将厚度为 ， 长度为 ， 宽度 分别 为 、 的铝板 各 块 编 号 ， 在不 同辊缝下轧制 。 、 ” 试件厚度相 同 ， 变 动辊缝 ， 给 出不 同的压 下量 以得到不 同的轧制 力‘ · 其 中当每次辊缝调 好后 ， 均用铅条反复轧三 次 ， 使轧制力近于零 测得 自然辊缝， 然后 再轧铝板 ， 顶 起间隙测得 实际辊缝 ， 同时轧一组 不 同宽度 各一块 试件 ， 轧 出后 测量其厚度 ， 减去实际辊缝即 为弹 跳 值 。 为测得 两轴承 座 之 间的位移 ， 将二 悬臂梁式 传 感器 分别 放在 轧辊 两侧 轴承座 的中 间 。 为了测 轧制力 、 在拉杆 上贴应 变片 。 实验时用示 波器照 相 记录 上述位移和轧制 的数 值 。 油 缸静压法 用 一 个外径小 ， 柱塞直径 中 ， 高 的油缸 ， 放在 两轧辊中间加压 ， 代 替 轧制力 ， 反复加 、 卸载 、 用 百分 表记录位移其装置 见 图 ， 悬臂梁放置 和示波照象 同上 。 二过初 ” 一。 二 月几 一 碑 尸尸产 味笋 尸 广卜卜 仪 夕 仁 。 。 横杆 立 柱 。 百 分表 。 上 轧辊 图 。 。 象胶 管 油缸 ‘ 螺母 上横梁 下 轧辊 下横梁 静刚度 测量装置 图 实脸结 果 测 得 出的纵 向实际工作 刚度回归方程数据如下 表 。 由表 内数据 ， 可求得拟合方程系数 艺 一 一 艺 艺 艺 “ 一 艺 “ 艺 艺 一 艺 艺 一 艺 一 艺 一

表1 40.80.两种宽度试料，数据回归表 序 号 x y n 1 0·42 14.15 0.18 5.94 0.63 23.71 0.40 14.94 2 0.54 17.99 0.29 9.71 2 0.77 32.98 0.59 25.39 3 058 25.05 0.34 14.53 3 0.87 37.98 0.76 33.64 4 0.59 25.77 0.35 15.2 4 0.83 42.66 0.69 35.41 5 0.57 23.39 0.32 13.33 5 0.82 45.68 0.67 37.46 (Σx)=7.29 (x)2=15.37 E 2.7 106.35 1.48 58.71 3.92 183.01 3.11 146.24 纵向实际刚度曲线： K4=14.79 66.06.p Pt 50 纵向实际工作弹跳方程： p=6606f-1479 40 P=66.06」-14.79 将各试验点绘于P~「坐标上得出轧机实 际工作纵向刚度曲线。此线的直线为斜率即为 轧机实际工作刚度系数K(吨/毫米)如4所 示。 3·实验结果分析： 由上述实验结果得GY-1型短应力线轧机 的拟合刚度K为6606吨/毫米。而类似规格 的预应力轧机的刚度系数为40~60吨/毫米。 0.2040.603m士 而普通结构的轧机（开式、闭式）的刚度 图4短应线轧机实测刚度曲复图 系数则要低许多倍。 就是说，短应力线轧机的刚度比一般结构轧机要高许多倍，它不用予应力（避免了预应 力轧机需要一套液压装置和机加工复杂、调整不便等问题)，其瞬时刚度却至少相当于予应 力轧机，我们认为上述测定是初步的、如果轧机加工和安装精度进一步提高，其刚度还可更 高一些。 三、 GY一1短应力线轧机轴承与轴承座受力状况的光弹分析 1·实验方法简述： 普通轧机的轴承座受力是通过压下螺丝传递的。见图5。短应力线轧机取消了压下螺 丝，由轴承座两侧丝杆传递轧制力，见图6。 35

表 两种 宽度试料 ， 数据 回归 表 … 介 八曰﹃八几人甘︸ 一八︸八人才 一口叮曰﹄口口比‘ 一匕性厅一尸甲才月 一曰八任八匕 一移山，“自二，， 一 ︼八甘﹁︸ … 序号 ，曰上，压﹄︸ 艺 “ 艺 纵 向实际 刚度 曲线 纵 向实际工 作弹跳 方程 一 一 一 一 将 各试验点 绘 于 一 坐 标 上得 出 轧机实 际工 作纵 向 刚度 曲线 。 此 线 的直 线 为斜率即 为 轧机实际工 作刚度 系数 吨 毫 米 如 图 所 示 。 实 验结 果分析 由上述实验结果 得 卜 型 短应 力线 轧机 的拟 合 刚度 为 吨 毫米 。 而 类似 规 格 的预应 力轧机 的 刚度系数为 吨 毫 米 。 而普通结 构的轧机 开式 、 闭式 的 刚度 系数则要低许多倍 。 图 短应线 乳机实洲刚度 曲线 圈 就是说 ， 短应 力线轧机的 刚度 比一般结 构轧机要高许 多倍 ， 它不 用予应 力 避免了预应 力轧机需要 一 套液压装置 和机加工 复杂 、 调 整不 便 等问题 ， 其 瞬 时 刚度却至少相 当于予应 力轧机 ， 我们认 为上述测 定是初步 的 、 如果轧机加工 和安装精度进一步提高 ， 其 刚度还可 更 高‘ 些 。 三 、 一 短 应 为线 轧机 轴承 与轴承座 受力状况 的 光弹分 析 卜 买脸方法简述 普通轧机 的轴承座受 力是通 过压 下 螺 丝 传递 的 。 见 图 。 短应力线 轧机 取 消 了 压 下螺 丝 ， 由轴承座 两侧丝杆传递轧制力 ， 见 图

轧制力P作用在轴承作的中部，压下螺丝与轴承对轴承坐的作用力相对称，使轴承受压 缩变形，受力区域小，轴承滚动体受的压力就很大。如果把轧制力分开作用在轴承座两侧， 这种受力状态相当于简支梁中间受集中力，也就是变受压为受弯曲，载荷分散使变形区域变 图5普通轧机轴承座受力简图 图6短应力线轧机轴承座受力简图 大。我们可定性的知道，这种受力状态将导致轴承包角增加，亦即同时承受p力的轴承滚动 体个数增加，则每个轴承滚动体所承受的载荷会降低，从而可以看出，这种新轧机形式，不 但使应力线缩短而提高刚度，面且可以提高轴承的使用寿命。 我]用光弹实验可定量的证明上述分析是 正确的。 根据轴承座的受力特点，我们近似地把它 看成平面问题，因此可制作成平而轴承座模型 来进行模拟实验。 -120 模型由环氧树脂61015)透明的塑料板上 (厚8mm)所制成按实际轧机轴承座的形 状、尺寸以规定比例缩小轴承为中13mm的滚 300- 柱，共24个，其他尺寸如图7所示。 图7轴承座模型图 图8普通轧机轴承座受力模型图 图9短应力礼机轴承座受力模型图 36

轧 制力 作用在 轴承作的 中部 ， 压下 螺丝 与轴承 对轴承坐 的作用 力相 对称 ， 使轴承受压 缩变形 ， 受 力区域 小 ， 轴承 滚 动体受 的压 力就很大 。 如果 把 轧制力分开 作用在 轴承座 两侧 ， 这 种受 力状态 相 当于 简支梁中间受 集中力 ， 也 就是 变受压 为受 弯曲 ， 载荷分 散使变形 区域 变 且 里 图 普 通 轧机 轴承 座 受力简 图 图 短应 力线 轧机轴承座 受力 简图 大 。 我们 可 定性 的知道 ， 这 种受 力状 态 将导 致轴承 包 角增加 ， 亦 即 同时承受 力的 轴承 滚 动 休 个数增加 ， 则每 个轴 承 滚 动 体所 承受 的 载荷 会降低 ， 从 而可 以 看 出 ， 这种 新轧机形 式 ， 不 但 使应 力线缩短 而提 高 刚度 ， 而且可 以 捉 高 轴承 的 使用 寿命 。 我们 用 光弹 实验 可定 量 的 证 明 上述 分 是 正 确的 。 根 据 轴承座 的受 力 待点 ， 我 们近 似 地 把 它 看成平 面 问题 ， 因此可 制 作成平 面 轴承座 模型 来 进 行模 拟实验 。 模型 由环氧树 脂 透 明 的 塑料板 上 厚 所 制成按 实际 轧 机 轴承座 的形 状 、 尺寸 以 规定 比例缩小轴承 为 小 的 滚 柱 ， 共 个 ， 其 他 尺寸 如 图 所 示 。 、 弓 飞 图 轴承座模型 图 图 普 通 乳机 轴承座 受 力模 型 图 图 短 应 力轧机 轴承座受力模型 图

实验时，模仿普通轧机由压下螺丝传递轧制力的模型受力方式如图8，模仿短应力线轧 机由两侧丝杆传递轧制力的模型受力方式如图9。 将受力模型放在490-【光弹仪的偏振场中，由屏幕反映出模型上的条纹即可分析模型的 受力情况。 2·实验结果 当外载荷p=160kg作用在轴承作模型中点（如图8）时，用钠光为光源拍得轴承受力情况 照片如图10所示，当外载荷作用在两侧，每侧为p/2=80kg,跨距L=280mm(如图9)时， 用钠光为光源拍得的轴承受力情况照片如图11所示。 门n多484x 图10普通轧机轴承光弹模型条纹图 图11短应力轧机轴承光弹模型条纹图 如果把轴承中单个轴承滚动体近似看成只受对经压 力作用的圆盘，则对径压力P和圆盘中心的等色线级数 m应有如下关系〔5)： p=8 xDf·mc (7) 式中：D一圆盘直径，)=1.3cm, 「一一模型的材料条纹值（此伯可通过标谁试 件标定得：「-12kg/c1·条) 图12受对径压力的回盘模型 利用(7)式我们就可以从轴承光弹模型中心处数等色线条纹汲数所定对径压力值p, 具体整数级数所对应的压力P值见表2： 表2 轴承滚动体中心尔纹与对径压力关系 条纹纹站 1 2 3 对径压力(kg) 6.1 12.3· 18.424.5 30.6,36.8 37

轧 制力 作用在 轴承作的 中部 ， 压下 螺丝 与轴承 对轴承坐 的作用 力相 对称 ， 使轴承受压 缩变形 ， 受 力区域 小 ， 轴承 滚 动体受 的压 力就很大 。 如果 把 轧制力分开 作用在 轴承座 两侧 ， 这 种受 力状态 相 当于 简支梁中间受 集中力 ， 也 就是 变受压 为受 弯曲 ， 载荷分 散使变形 区域 变 且 里 图 普 通 轧机 轴承 座 受力简 图 图 短应 力线 轧机轴承座 受力 简图 大 。 我们 可 定性 的知道 ， 这 种受 力状 态 将导 致轴承 包 角增加 ， 亦 即 同时承受 力的 轴承 滚 动 休 个数增加 ， 则每 个轴 承 滚 动 体所 承受 的 载荷 会降低 ， 从 而可 以 看 出 ， 这种 新轧机形 式 ， 不 但 使应 力线缩短 而提 高 刚度 ， 而且可 以 捉 高 轴承 的 使用 寿命 。 我们 用 光弹 实验 可定 量 的 证 明 上述 分 是 正 确的 。 根 据 轴承座 的受 力 待点 ， 我 们近 似 地 把 它 看成平 面 问题 ， 因此可 制 作成平 面 轴承座 模型 来 进 行模 拟实验 。 模型 由环氧树 脂 透 明 的 塑料板 上 厚 所 制成按 实际 轧 机 轴承座 的形 状 、 尺寸 以 规定 比例缩小轴承 为 小 的 滚 柱 ， 共 个 ， 其 他 尺寸 如 图 所 示 。 、 弓 飞 图 轴承座模型 图 图 普 通 乳机 轴承座 受 力模 型 图 图 短 应 力轧机 轴承座受力模型 图

将图10.11中两轴承座模型中轴承滚动体中心的条纹级数（一般是非整数级数），代入 (7)式所得的滚动体承载分布情况如图13,14所示。 8.实验轴果分析 一理论负荷 理论负荷 p=100 p 160◆ 实际负荷 20 一实际负荷 23 23 30 30 26 26 28(kg) 37(g) 图13普通轧机轴承模型承载分布图 图14短应力线轧机轴承模型承载分布图 由上述实验，把图13,14两种不同承载形式的实验结果加以对比，具体列表如下： 两种轧机轴承实验结果对比 表3 轧机形式 普通轧机」 短应力轧机 两者比较 实验对比项目 承载的轴承滚动体个数 7个 9个 后者比前者多2个 承载轴承包角 100° 150° 后者比前者增加33.3% 单个滚动体承受的最大载荷 37kg 28kg 后者比前者减少24.3% 参照有关资料1。通过以下计算，可以得出上述两种情况的轴承寿命比较。 对图13的情况，设单个轴承实际承载为P,1,理论计算承载为Pr,轴承寿命为L1,则 10 (pi Lr= (8) 对图14的情况，设单个轴承实验承载为p「2，理论计算承载为pr,轴承寿命为L2,则 10 (9) 两式中的c为轴承的额定动负荷， 两种情况下的轴承寿命比为： 10 上：(ip/pr)月() (10) 38

将图 中两轴承座模型 中轴承 滚 动体中心 的条纹 级数 一般是非整数 级数 ， 代入 式所得 的滚 动体承 载分布情况 如图 ， 所示 。 实脸幼果分析 理论负荷 理 仑负有 · 实际负荷 幼 了诊‘ 图 普通 轧机轴承模型 承载分布 图 图 短 应 力线 轧机轴承模型承载分布 图 由 上述实验 ， 把图 ， 两种不 同承 载形式 的实脸结果加以对 比 ， 具体列 表如下 两种轧机轴承 实验结果对比 表 轧机形 式 普通 轧机 短应 力轧机 两者 比较 实验对 比项 目 承载的 轴承滚 动体个数 承 载轴承包 角 单个滚 动体承受 的最 大载荷 个 “ 个 。 …后者 比前者 多 个 后者 比前者 增加 …后者 比前者减少 参照有关资料 】 。 通 过 以下计 算 ， 可 以得 出上述两种情况 的轴承寿命比较 。 对 图 的情况 ， 设 单个轴承实际承载为 ， ， 理 论计 算承 载为 ， 轴承寿命为 ， 则 。 、 、 、 一 一书尸 】 产 对 图 的情况 ， 设 单个轴承 实验承 载为 ， 理 论计 算承载为 ， 轴承寿 命为 ， 则 汀一 一、 ” 、 ， 两 式 中的 为轴承 的额定 动负荷 ， 两 种情况下 的轴承寿命比为 扮 了 二 ‘ 昼鱼一 、百

以本实验具体数值pr1=37kg,pr2=28kg代入(10)式，则 =2.592 就是说，图9形式的轴承寿命要比图8形式的轴承寿命提高1.5倍。 根据有关资料，对图13的情况，比值pr1/pr通常可达1.6左右，对图14的情况，如果结 构设计很理想，则比值pr2/pr接近1，这样，两种情况下的轴承寿命比为： 10 10 :-(8)3-(生)3=48 实际上，对图14的情况，结构设计不可能很理想，比值pra/pr一般在1.1~1.4之间， 则两种轴承寿命之比为： 0 :-(:)3(:) 3=3.4861.561 本实验结果的比值是在上式两数之间，所以可以认为实验结果是正确的。也就是说，把 普通轧机形式改为短应力线轧机的形式，改变了轧制力的传递方式，可以使轧辊轴承的使用 寿命得到显若的提高。 四、结 论 1·轧机的刚度是轧机技术性能的重要指标，是提高产品质量（精度）的主要途径，是 老轧机技术改造的中心环节，提高轧机的刚度不应只着重加大断面，这样会使轧机笨重而且 对提高刚度也有局限性。应当按短应力线高刚度的办法，即走短应力线，少配合面，分散载 荷的设计路线。 2·GY-1个短应力轧机在结构设计上摆脱了传统设计思想的束缚，它是按短应力线设 计理论研制出的结构轻巧、性能先进的新型轧机，使产品精度有成倍的提高，并提高成材事 4%以上，给我们今后新轧机研制和老轧机改造提供了一个经济而有效的措施。 3·对GY-1型短应力线轧机进行刚度实测和有关的光弹实验证明了理论分析所得的优 点。 但对此类轧机的理论研究和实验分析还是初步的，许多问题还有待继续进行更深入的研 究。 39

以本实验具体数值 ， 代入 式 ， 则 二 就 是 说 ， 图 形式 的轴承寿命要 比图 形式 的轴承寿命提高 倍 。 根据有关 资料 ， 对 图 的情况 ， 比值 通常可达 左右 ， 对图 的情况 ， 如果结 构设计很理 想 ， 则 比值 接近 ， 这样 ， 两 种情况下的轴承寿命比为 告 器窍于 毕 ‘ · 实际 上 ， 对 图 的情况 ， 结 构设计不 可能很理想 ， 比值 一般在 之 间 ， 则 两种轴承寿命之 比为 会 二 片 一 一 · “ 乓一‘ · ‘ ，一，︷工 心一内任 本实验 结果 的 比值是在 上式两数之 间 ， 所 以可 以认为实验结果是 正确的 。 也 就是说 ， 把 普通 轧机形 式 改为短应 力线轧机的形 式 ， 改变 了轧制 力的传递方式 ， 可 以使轧辊轴承 的使用 寿 命得到显 著的提高 。 四 、 结 论 ’ 轧机 的 刚度是 轧机技术性 能 的重 要 指标 ， 是 提高产 品 质量 精度 的主 要途径 ， 是 老轧机技术改造 的 中心环节 ， 提高轧机 的 刚度不 应 只 着重加大断面 ， 这样 会使轧机笨重而且 对提高 刚度 也有局 限性 。 应 当按短应 力线高 刚度 的办法 ， 即 走短应 力线 ， 少配 合面 ， 分散载 荷的设计 路线 。 一 个 短应 力轧机在结 构设计 上摆脱 了传 统设计 思 想 的 束缚 ， 它是 按 短 应 力线设 计理 论研 制 出的结构轻 巧 、 性能先 进 的 新型 轧机 ， 使 产 品精度有成倍 的提高 ， 并提 高成材率 以 上 ， 给我们 今后 新 轧机研 制 和老轧机改造提供 了一个经 济而有效 的措施 。 对 一 型 短应 力线轧机 进行 刚度实测和 有关的光弹实验 证 明 了理论分析所得 的优 点 。 但 对此类轧机的理论研 究和实验分析还是初步 的 ， 许 多问题还有待 继续进行 更深入 的研 究