摘  要:為深入分析四輥板帶軋機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， 利用自主設計的滾動軸承力、溫綜合測試裝置，對實驗室四輥板帶軋機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，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

隨著板帶材軋制技術(shù)的進步，軋制過程向著大型化、連續(xù)化和高速化的方向發(fā)展，軋機生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。四輥軋機作為板帶箔材生產(chǎn)的主要機型，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雜。文獻研究表明多列滾動軸承列間載荷分 布不均、偏載嚴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報精度與實際有偏差［4-5］。本研究利用自主設計的四輥實驗軋機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 實驗研究

軋輥軸承徑向載荷分布理論及實驗研究表明，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際分布情況，設計了四輥板帶軋機下支撐輥軸承力、溫綜合測試裝置，在軸承座對應的承載區(qū)域沿軋輥軸向加工一個寬度為148mm的槽，在槽內(nèi)與各列圓柱滾子軸承對應的位置安裝4個可上下移動的壓力塊，各壓力塊上部圓弧部分與對應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對稱布置的沉孔，用于安裝兩個徑向壓力傳感器。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，兩個壓力傳感器承受的徑向力和即為該列軸承所受的實際徑向力。

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行編號，以驅(qū)動側(cè)距輥身***遠的軸承為第一列，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。

軋制實驗在實驗室四輥可逆冷軋機上進行(如圖2所示)，主要設備參數(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。

實驗材料為:厚度的2mm，且厚度分布均勻的H24純鋁板。實驗方案如下:長度為250mm，寬度分別為80mm、120mm、160mm、200mm、240mm和300mm的試樣進行軋制實驗，設定壓下率均為40%;長度為250mm，寬度為240mm的試樣進行軋制實驗，設定壓下率分別為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，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%，靠近支點的第一列、第三列和第六列、第八列軸承承載百分比較大，遠離支點的第四列、第五列軸承承載百分比***小，小于5%;當壓下率小于43%時，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，當壓下率大于43%時，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)生在支點位置和遠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。這是因為支撐輥撓曲和壓扁變形是導致各列軸承載荷分配不均的主要原因，當壓下率小于43%時，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，當壓下率大于43%時，總軋制力基本接近軋機的***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，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。這是因為支撐輥撓曲和壓扁變形的程度是影響軸承載荷分配不均勻程度的主要原因，當來料厚度和壓下率相同時，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，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，板凸度達到***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，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］。本文所研究的實驗軋機，支撐輥與工作輥的輥徑比為2.2，達到了板帶軋機輥徑比的上限［9］，即支撐輥的剛度較大，當壓下率小于30%時，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，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。當壓下率大于30%時，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，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，導致板凸度又減?。?0］ ， 由圖3(a)可以看出，軸承座內(nèi)靠近支點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，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)橥剐谓孛妗Ｓ蓤D6(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，軋制力與軋件寬度成正比。當軋件寬度較小而壓下率較大時，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，導致軋件寬度為120mm時，板凸度達到***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，板凸度達到***大值;當軋件寬度進一步增大時，軋制力繼續(xù)增加，但此時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，板凸度又開始減小［11-12］ ，由圖4(a)可以看出，軸承座內(nèi)靠近支點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，在設定壓下率為30%的情況下進行了軋制實驗(實際壓下率分別為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。

這是因為軋件寬度和壓下率基本相同，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，當壓下率或軋件寬度增加時，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，軸承座支點所在的第二和第七列軸承承載百分比***大，靠近支點的第 一、三、六、八列軸承承載百分比較大，遠離支點的第四、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)生在支點位置的第二、七列軸承和遠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，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，軋制力分布對工作輥撓曲的影響較大，軋件寬度較大時，軋制力對工作輥撓曲的影響變大，隨著軋件寬度的進一步增大，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;當壓下率和軋件寬度基本相同時，隨著軋件厚度的增加板凸度呈增大趨勢。

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