D0I:10.13374/j.issnl00I53.2006.04.016 第28卷第4期 北京科技大学学报 Vol.28 No.4 2006年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2006 H1400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 束学道赵静胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要阐述了笔者开发的H1400大型楔横轧机工作机座结构特点和设计要求.采用边界元和 有限元耦合新算法，数值模拟了楔横轧机主要零部件在轧制过程中的变形，精确计算出轧机强度 和整体刚度.H400大型楔横轧机工作机座结构的结构及设计为满足大型轴类件生产和市场需求 提供了设备保障 关键词楔横轧机：机座：强度：刚度；数值模拟 分类号TG335.19 随着我国交通运输业的快速发展，重型汽车 机架和辊系是H1400楔横轧机的主体部分.机架 (载重大于14t)已逐步成为长途货物运输的主力 的主要作用有：(1)承受轧制力并在它上面平衡： 车型，其传动力矩增大，要求变速箱中的传动轴 (2)承受轧制力矩，并将倾翻力矩传给基础：(3) 尺寸也相应加大，其最大直径由原来的110mm 许多机构，如压下装置、导板机构、辊系等都安装 增加到160mm,这些典型零件的特点是直径大 在其上面并进行工作.辊系置于机架内，通过压 和台阶多.由于目前国内研制的H系列楔横轧 下装置、轴向调节和轴向固定机构与机架相联， 机1-3)，其轧制最大轴类零件尺寸仅达120mm, 轧制力通过轧辊、轧机轴承、轴承座、压下螺丝和 所以重型汽车车型超过120mm轴类毛坯一部 螺母传递到机架上，轧机的强度和刚度是保证设 分靠大型锻压机生产，相当部分依靠落后的自由 备能否正常工作和提高产品精度的关键因素，其 锻生产，存在生产效率低、耗材多、成本高、污染重 中刚度主要取决于机架、压下螺丝和螺母以及辊 等缺点，已不能很好地适应当前重型汽车等大型 系刚度的大小可.为提高轧机整体刚度，H1400 轴类零件发展的要求，因此，开发研制大型楔横 大型楔横轧机设计时采用预应力机座， 轧机轧制大型轴类件是社会和市场发展的迫切需 求. 本文详细阐述笔者开发研制的H1400大型 楔横轧机工作机座结构特点和设计要求，并采用 边界元和有限元耦合新算法「，数值模拟了楔横 轧机主要零部件在轧制过程中的变形，进而精确 计算出轧机的强度和刚度.H1400大型楔横轧机 工作机座的结构及设计，不仅为满足大型轴类件 生产和市场需求提供了有效的设备保障，而且也 是对国内H型楔横轧机系列化的进一步补充· 1 H1400大型楔横轧机工作机座的 结构组成及特点 1一机架；2一辊系：3一预应力装置：4一轴承座：5一压下螺丝 和螺母：6一压下装置：7一导板机构 H1400大型楔横轧机工作机座主要由辊系、 图1H1400大型楔横轧机工作机座 机架、压下装置、导板机构等组成，如图1所示， Fig.1 Work stand of H1400 heavy cross wedge rolling mill 收稿日期：2005-04-27修回日期：2005-08-31 压下装置主要控制产品的径向尺寸，解决轧 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No,50475175:No 制过程发生卡钢等事故，实现轧辊的压下和抬升· 50435010) 压下机构设计要求有：(1)保证轧辊平行移动，两 作者简介：束学道(1968一)，男，副教授，博士
H1400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 束学道 赵 静 胡正寰 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 阐述了笔者开发的 H1400大型楔横轧机工作机座结构特点和设计要求．采用边界元和 有限元耦合新算法数值模拟了楔横轧机主要零部件在轧制过程中的变形精确计算出轧机强度 和整体刚度．H1400大型楔横轧机工作机座结构的结构及设计为满足大型轴类件生产和市场需求 提供了设备保障． 关键词 楔横轧机；机座；强度；刚度；数值模拟 分类号 TG335∙19 收稿日期：20050427 修回日期：20050831 基金项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （No．50475175；No． 50435010） 作者简介：束学道（1968—）男副教授博士 随着我国交通运输业的快速发展重型汽车 （载重大于14t）已逐步成为长途货物运输的主力 车型．其传动力矩增大要求变速箱中的传动轴 尺寸也相应加大其最大直径由原来的●110mm 增加到●160mm．这些典型零件的特点是直径大 和台阶多．由于目前国内研制的 H 系列楔横轧 机［13］其轧制最大轴类零件尺寸仅达●120mm 所以重型汽车车型超过●120mm 轴类毛坯一部 分靠大型锻压机生产相当部分依靠落后的自由 锻生产存在生产效率低、耗材多、成本高、污染重 等缺点已不能很好地适应当前重型汽车等大型 轴类零件发展的要求．因此开发研制大型楔横 轧机轧制大型轴类件是社会和市场发展的迫切需 求． 本文详细阐述笔者开发研制的 H1400大型 楔横轧机工作机座结构特点和设计要求并采用 边界元和有限元耦合新算法［4］数值模拟了楔横 轧机主要零部件在轧制过程中的变形进而精确 计算出轧机的强度和刚度．H1400大型楔横轧机 工作机座的结构及设计不仅为满足大型轴类件 生产和市场需求提供了有效的设备保障而且也 是对国内 H 型楔横轧机系列化的进一步补充． 1 H1400大型楔横轧机工作机座的 结构组成及特点 H1400大型楔横轧机工作机座主要由辊系、 机架、压下装置、导板机构等组成如图1所示． 机架和辊系是 H1400楔横轧机的主体部分．机架 的主要作用有：（1） 承受轧制力并在它上面平衡； （2） 承受轧制力矩并将倾翻力矩传给基础；（3） 许多机构如压下装置、导板机构、辊系等都安装 在其上面并进行工作．辊系置于机架内通过压 下装置、轴向调节和轴向固定机构与机架相联． 轧制力通过轧辊、轧机轴承、轴承座、压下螺丝和 螺母传递到机架上．轧机的强度和刚度是保证设 备能否正常工作和提高产品精度的关键因素其 中刚度主要取决于机架、压下螺丝和螺母以及辊 系刚度的大小［5］．为提高轧机整体刚度H1400 大型楔横轧机设计时采用预应力机座． 1—机架；2—辊系；3—预应力装置；4—轴承座；5—压下螺丝 和螺母；6—压下装置；7—导板机构 图1 H1400大型楔横轧机工作机座 Fig．1 Work stand of H1400heavy cross wedge rolling mill 压下装置主要控制产品的径向尺寸解决轧 制过程发生卡钢等事故实现轧辊的压下和抬升． 压下机构设计要求有：（1） 保证轧辊平行移动两 第28卷 第4期 2006年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．4 Apr．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．04．016
Vol.28 No.4 束学道等：H400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 .377. 边压下机构要求同步等距离移动；(2)当轧件一 △62=0.089827+0.037682≈0.128mm, 边的径向尺寸到位，而另一边的径向尺寸未到位 时，则需要一边的压下机构单独调整，即进行喇叭 口的调整， 导板机构上下、左右位置对轧制工艺的稳定 性，产品质量影响很大，因此在设计导板时既要 保证导板上下、左右可调，导板有一定的强度和刚 度，便于调整，又要保证导板固定位置牢固，拆卸 方便， H1400楔横轧机的结构特点是：(1)轧机机 架采用闭式机架，并设有预应力装置，轧机刚度 高，轧制产品精度高，工艺稳定，而且容易控制轧 件心部的疏松；(2)轧辊可以方便、准确地实现径 图2机架有限元网格面 向、轴向、相位以及喇叭口的调整；(3)工作机座、 Fig.2 FEM grid chart of the housing 万向接轴与齿轮箱分开独立布置，轧辊上下调整 量大，设备安全可靠、维修方便；(4)设置了可以 JUN252002 09:28.19 上下、左右调整的导板装置等，保证了轧制过程的 稳定性；(5)采用变频电机驱动，轧辊转速能随轧 件尺寸变化而调整，准确实现楔横轧轧件轴向自 动进料，有利于轴类零件楔横轧全自动化、批量化 和节能化生产. 上述结构优点已为生产实践所证实，在我国 已得到最广泛的应用，特别适合向用户提供各种 高精度轴类零件的专业化楔横轧工厂· 2工作机座的强度和刚度 图3等效应力分布 2.1机架强度和变形量有限元法计算 Fig-3 Equivalent stress distribution of the housing 由于轧机机架的强度直接决定轧机的使用寿 命，设计时精确计算轧机强度是十分必要的，通 4 常计算轧机强度采用材料力学和弹性力学方 法[6).由于机架形状复杂，采用材料力学和弹性 力学方法所作假设较多，而且计算过程十分繁琐、 计算精度低，本文采用有限元方法，按照实际给 定条件可直接计算轧机机架强度和变形量，在最 大轧制力P=1800kN和预紧力F=770kN,弹 性模量E=21GPa参数下，机架的有限元网格如 图2所示，机架共划分77528个节点，50299个单 元 有限元计算结果如图3和图4所示，由图3 可知，机架最大等效应力为o。=31.11MPa,且最 图4机架变形图云图 大应力出现在过渡圆角处.机架材料为ZG270- Fig-4 Deformation of the housing 300,其强度极限为5，=500MPa,因此机架安全 2.2轧机整体刚度边界元有限元耦合法计算 系数大于10，故机架强度满足设计要求，由图4 计算轧机刚度关键是计算各受力零部件的变 可知，机架上部比下部变形量大，机架的总变形量 形量，在最大轧制力P=1800kN作用下，轧机变 为： 形主要由工作机座变形（轴承座、压下螺丝、螺母
边压下机构要求同步等距离移动；（2） 当轧件一 边的径向尺寸到位而另一边的径向尺寸未到位 时则需要一边的压下机构单独调整即进行喇叭 口的调整． 导板机构上下、左右位置对轧制工艺的稳定 性产品质量影响很大．因此在设计导板时既要 保证导板上下、左右可调导板有一定的强度和刚 度便于调整又要保证导板固定位置牢固拆卸 方便． H1400楔横轧机的结构特点是：（1） 轧机机 架采用闭式机架并设有预应力装置轧机刚度 高轧制产品精度高工艺稳定而且容易控制轧 件心部的疏松；（2） 轧辊可以方便、准确地实现径 向、轴向、相位以及喇叭口的调整；（3） 工作机座、 万向接轴与齿轮箱分开独立布置轧辊上下调整 量大设备安全可靠、维修方便；（4） 设置了可以 上下、左右调整的导板装置等保证了轧制过程的 稳定性；（5） 采用变频电机驱动轧辊转速能随轧 件尺寸变化而调整准确实现楔横轧轧件轴向自 动进料有利于轴类零件楔横轧全自动化、批量化 和节能化生产． 上述结构优点已为生产实践所证实．在我国 已得到最广泛的应用特别适合向用户提供各种 高精度轴类零件的专业化楔横轧工厂． 2 工作机座的强度和刚度 2∙1 机架强度和变形量有限元法计算 由于轧机机架的强度直接决定轧机的使用寿 命设计时精确计算轧机强度是十分必要的．通 常计算轧机强度采用材料力学和弹性力学方 法［67］．由于机架形状复杂采用材料力学和弹性 力学方法所作假设较多而且计算过程十分繁琐、 计算精度低．本文采用有限元方法按照实际给 定条件可直接计算轧机机架强度和变形量．在最 大轧制力 P＝1800kN 和预紧力 F＝770kN弹 性模量 E＝21GPa 参数下机架的有限元网格如 图2所示机架共划分77528个节点50299个单 元． 有限元计算结果如图3和图4所示．由图3 可知机架最大等效应力为 σe＝31∙11MPa且最 大应力出现在过渡圆角处．机架材料为 ZG270— 300其强度极限为 σb＝500MPa．因此机架安全 系数大于10故机架强度满足设计要求．由图4 可知机架上部比下部变形量大机架的总变形量 为： Δδ2＝0∙089827＋0∙037682≈0∙128mm． 图2 机架有限元网格面 Fig．2 FEM grid chart of the housing 图3 等效应力分布 Fig．3 Equivalent stress distribution of the housing 图4 机架变形图云图 Fig．4Deformation of the housing 2∙2 轧机整体刚度边界元有限元耦合法计算 计算轧机刚度关键是计算各受力零部件的变 形量在最大轧制力 P＝1800kN 作用下轧机变 形主要由工作机座变形（轴承座、压下螺丝、螺母 Vol．28No．4 束学道等： H1400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 ·377·
.378 北京科技大学学报 2006年第4期 变形和机架变形)和辊系变形组成.由于轴承座、 三维弹性磨擦接触问题边界元法求解，压下螺丝 轴承和轧辊可以看作为多物体接触问题、压下螺 和螺母边界单元划分如图7和图8所示，其中压 丝和螺母可以看作为两个物体相互接触问题，采 下螺丝划分554个节点、552个单元，螺母划分 用接触边界元法可以计算轴承座、辊系和压下螺 520个节点、520个单元，压下螺丝和螺母系统有 丝和螺母的变形；机架通过建立有限元模型，采用 120个接触单元、240个接触点对，用3-DECF- 有限元法可计算其变形量为△82=0.128mm·综 BEM边界元程序，计算压下螺丝和螺母的总变形 合上述变形量计算，可得轧机整体刚度. 量为： (1)轴承座和辊系变形量计算.H1400大型 △63=0.022mm. 楔横轧机轴承座和辊系变形量采用边界元法进行 计算，由于结构的对称性，轧辊取1/2作为计算模 型，轴承座取整体作为计算模型。轧辊及轴承座 的边界单元划分如图5和图6所示，其中轴承座 有774个节点，776个单元，轧辊有622个节点， 620个单元，轧辊与轴承座系统有80个接触点 对 图7压下螺丝边界单元划分 Fig.7 Boundary element meshing of a tension rod 图5轴承座边界单元划分 Fig-5 Boundary element mesh of a chock 图8螺母边界单元划分 Fig.8 Boundary element meshing of a pressure nut (3)楔横轧机整体刚度.通过上面变形量计 算，得到无预应力作用，在P/2轧制力为作用下， H1400楔横轧机工作机座总变形量为： f1=2△61十△d2十△63=0.198mm. 故无预应力工作机座刚度为： k1=(P/2)/f2=900/0.198=4545kNmm-1. 图6轧辊边界单元划分 Fig.6 Boundary element mesh of a roll 预应力拉杆刚度为： k2=EA/L=210000×π/4×1132/528= 用笔者开发的3一DECBBEM边界元轴承专 3988kN'mm-1 用程序8]计算在P/2轧制力作用下，辊系变形量 所以，施加预应力后H1400轧机工作机座刚度 为： 为： △6e=0.134mm k=k1十k2=8533kNmm-1. 轴承座变形量为： 辊系刚度为： △81=0.024mm, kc=(F/2)/(2△6e)=900/(0.134×2)= (2)压下螺丝和螺母变形量计算.因为压下 螺丝和螺母系统属于两物体接触问题，所以采用 3358kNmm-1
变形和机架变形）和辊系变形组成．由于轴承座、 轴承和轧辊可以看作为多物体接触问题、压下螺 丝和螺母可以看作为两个物体相互接触问题采 用接触边界元法可以计算轴承座、辊系和压下螺 丝和螺母的变形；机架通过建立有限元模型采用 有限元法可计算其变形量为Δδ2＝0∙128mm．综 合上述变形量计算可得轧机整体刚度． （1）轴承座和辊系变形量计算．H1400大型 楔横轧机轴承座和辊系变形量采用边界元法进行 计算由于结构的对称性轧辊取1／2作为计算模 型轴承座取整体作为计算模型．轧辊及轴承座 的边界单元划分如图5和图6所示其中轴承座 有774个节点776个单元轧辊有622个节点 620个单元轧辊与轴承座系统有80个接触点 对． 图5 轴承座边界单元划分 Fig．5 Boundary element mesh of a chock 图6 轧辊边界单元划分 Fig．6 Boundary element mesh of a roll 用笔者开发的3—DECBBEM 边界元轴承专 用程序［8］计算在 P／2轧制力作用下辊系变形量 为： ΔδG＝0∙134mm． 轴承座变形量为： Δδ1＝0∙024mm． （2）压下螺丝和螺母变形量计算．因为压下 螺丝和螺母系统属于两物体接触问题所以采用 三维弹性磨擦接触问题边界元法求解．压下螺丝 和螺母边界单元划分如图7和图8所示其中压 下螺丝划分554个节点、552个单元螺母划分 520个节点、520个单元压下螺丝和螺母系统有 120个接触单元、240个接触点对．用3—DECFBEM 边界元程序计算压下螺丝和螺母的总变形 量为： Δδ3＝0∙022mm． 图7 压下螺丝边界单元划分 Fig．7 Boundary element meshing of a tension rod 图8 螺母边界单元划分 Fig．8 Boundary element meshing of a pressure nut （3）楔横轧机整体刚度．通过上面变形量计 算得到无预应力作用在 P／2轧制力为作用下 H1400楔横轧机工作机座总变形量为： f1＝2Δδ1＋Δδ2＋Δδ3＝0∙198mm． 故无预应力工作机座刚度为： k1＝（P／2）／f2＝900／0∙198＝4545kN·mm —1． 预应力拉杆刚度为： k2＝ EA／l＝210000×π／4×1132／528＝ 3988kN·mm —1． 所以施加预应力后 H1400轧机工作机座刚度 为： kJ＝k1＋k2＝8533kN·mm —1． 辊系刚度为： kG＝（F／2）／（2ΔδG）＝900／（0∙134×2）＝ 3358kN·mm —1． ·378· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第4期
Vol.28 No.4 束学道等：H400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 .379. 由此得到轧机总体刚度[为： 算法首次精确地计算出H1400大型楔横轧机整 k=:-8533X3358=2410kNmm1, 体刚度，更新传统计算楔横轧机刚度不包括辊系 k,+kc8533+3358 的作法，具有计算模型假设少，综合性强，计算速 即H1400大型楔横轧机刚度为2410kNmm-1. 度快和计算精度高等优点，为新型楔横轧机设计 通过上面对工作机座变形量的计算，得到 提供有效的数值方法， H1400楔横轧机机座各部分变形比例分别为：机 架占27.5%，辊系占57.5%，轴承座占10%，压 参考文献 下螺丝和螺母占5%，显然，H1400楔横轧机机座 [1]胡正衰，张康生，王宝雨，等.楔横轧理论与应用，北京：治 金工业出版社，1996：204 主要变形为辊系和机架，压下螺丝和螺母变形所 [2]邢希东，束学道，胡正寰·多楔楔横轧端面移动量实时测试 占比例很小，另外，有预应力工作机座刚度比无 系统研制.北京科技大学学报，2004,26(5).548 预应力刚度提高近1倍。因此，提高轧机刚度的 [3]束学道，邢希东，胡正寰，工艺参数对楔横轧多楔轧制成形 主要措施是提高辊系和机架刚度，H1400楔横轧 机理影响分析.北京科技大学学报，2005,27(2)：222 机机架采用闭式机架，并设有预应力装置，该结构 [4]束学道，胡正寰，邢希东，横轧机刚度边界元有限元耦合算 设计是合理的， 法.机械工程学报，2004,40(9)：58 [5]连家创，段振勇，刘志勇，四辊轧机横向振动固有频率的研 3结论 究.机械工程学报，1983,19(3)：1 [6]王海文、轧钢机械设计·北京：机械工业出版社.1989：134 (1)H1400大型楔横轧机工作机座的结构及 [7]李健.$Y型高刚度小型轧机的力学特性分析，冶金设备， 设计，不仅为满足大型轴类件生产和市场需求提 1998,19(1):16 供了有效的设备保障，而且也是对国内H型楔横 [8]Shu X D.Xing X D.Application of sub-element and micro-ele- ment in BEM with roller bearing load.Chin J Mech Eng 轧机系列化的进一步补充， 2004,17(3):423 (2)本文采用笔者开发的边界元有限元耦合 Structure and design of the housing of an H 1400 heavy cross wedge rolling mill SHU Xuedao,ZHAO Jiang,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT The paper expatiated the structure and designed demand of the housing of a H1400 heavy cross wedge rolling mill developed by the authors.A coupling method of boundary element method and fi- nite element method was adopted to numerically simulate the deformation of main parts during the process of cross wedge rolling and accurately calculate the strength and rigid of the mill.The results show that the designed structure of the housing of a H1400 heavy cross wedge rolling mill provides effective equipment for meeting the market demand and rolling large sized shaft parts. KEY WORDS cross wedge rolling mill;housing;strength;rigid;numerical simulation
由此得到轧机总体刚度［4］为： k＝ kJ kG kJ＋kG ＝ 8533×3358 8533＋3358 ＝2410kN·mm —1 即 H1400大型楔横轧机刚度为2410kN·mm —1． 通过上面对工作机座变形量的计算得到 H1400楔横轧机机座各部分变形比例分别为：机 架占27∙5％辊系占57∙5％轴承座占10％压 下螺丝和螺母占5％．显然H1400楔横轧机机座 主要变形为辊系和机架压下螺丝和螺母变形所 占比例很小．另外有预应力工作机座刚度比无 预应力刚度提高近1倍．因此提高轧机刚度的 主要措施是提高辊系和机架刚度．H1400楔横轧 机机架采用闭式机架并设有预应力装置该结构 设计是合理的． 3 结论 （1） H1400大型楔横轧机工作机座的结构及 设计不仅为满足大型轴类件生产和市场需求提 供了有效的设备保障而且也是对国内 H 型楔横 轧机系列化的进一步补充． （2） 本文采用笔者开发的边界元有限元耦合 算法首次精确地计算出 H1400大型楔横轧机整 体刚度更新传统计算楔横轧机刚度不包括辊系 的作法具有计算模型假设少综合性强计算速 度快和计算精度高等优点为新型楔横轧机设计 提供有效的数值方法． 参 考 文 献 ［1］ 胡正寰张康生王宝雨等．楔横轧理论与应用．北京：冶 金工业出版社1996：204 ［2］ 邢希东束学道胡正寰．多楔楔横轧端面移动量实时测试 系统研制．北京科技大学学报200426（5）：548 ［3］ 束学道邢希东胡正寰．工艺参数对楔横轧多楔轧制成形 机理影响分析．北京科技大学学报200527（2）：222 ［4］ 束学道胡正寰邢希东．横轧机刚度边界元有限元耦合算 法．机械工程学报200440（9）：58 ［5］ 连家创段振勇刘志勇．四辊轧机横向振动固有频率的研 究．机械工程学报198319（3）：1 ［6］ 王海文．轧钢机械设计．北京：机械工业出版社1989：134 ［7］ 李健．SY 型高刚度小型轧机的力学特性分析．冶金设备 199819（1）：16 ［8］ Shu X DXing X D．Application of sub-element and micro-element in BEM with roller bearing load．Chin J Mech Eng 200417（3）：423 Structure and design of the housing of an H1400heavy cross wedge rolling mill SHU XuedaoZHAO JiangHU Zhenghuan Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT The paper expatiated the structure and designed demand of the housing of a H1400heavy cross wedge rolling mill developed by the authors．A coupling method of boundary element method and finite element method was adopted to numerically simulate the deformation of main parts during the process of cross wedge rolling and accurately calculate the strength and rigid of the mill．The results show that the designed structure of the housing of a H1400heavy cross wedge rolling mill provides effective equipment for meeting the market demand and rolling large-sized shaft-parts． KEY WORDS cross wedge rolling mill；housing；strength；rigid；numerical simulation Vol．28No．4 束学道等： H1400大型楔横轧机工作机座的结构及设计 ·379·