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1.1冷连轧机工艺概述

1.1.1冷轧机系统工艺参数

某冷轧厂酸洗—轧机联合机组为全六辊VCMS轧机，每个机架有六个轧辊，其依次为支撑辊、中间辊和工作辊，辊径最大的为支撑辊主要起支撑受力作用，最小的为工作辊。其轧制工艺模型如图2-1所示。

图2-1 六辊冷连轧机工艺模型

知道机架5出口速度为800m/min，那么根据各机架间的关系可得出各个机架的速度值，其关系如图2-2所示，这个说明轧辊的轧制速度与各机架出口轧钢厚度的乘积是一个常数。

图2-2 各机架轧制速度关系图

根据轧制工艺参数表2-1以及轧制速度关系（机架5速度已知），计算各机架上的轧制速度（以机架1为例），并添入表2-1中。

V1?V5?h5800?0.503??241m/min h11.67为了得到平整的板形，必须控制轧辊的工作参数，其主要工作参数如表2-1所示，而这些参数是研究轴承与轴承座温度场模型的主要依据。

表2-1冷轧工艺参数

机架 轧制力MN 单位张力N/mm2 弯辊力t 厚度mm 出口速度m/min 1 2 3 4 155 5 4.79 65 45 9.7 70 2.75 8.48 7.87 8.5 60 130 60 1.67 140 60 150 0.67 60 1.02 0.506 0.503 800 241 395 601 795 冷轧机四列圆柱滚子轴承采用460#油膜轴承油润滑，其特性参数如3-5表所示。

表3-5 第460号油膜轴承油材料参数 密度（15℃） 905kg/m3 运动粘度（40℃） 运动粘度（100℃） 460mm2/s 31mm2/s 粘度指数 95 导热系数 0.9

1.1.2六辊轧机轧辊间力传递模型

六辊轧机由于两工作辊中心线与两中间辊中心线、两支撑辊中心线之间相对偏移量很小，因此可以忽略这一因素对传动力矩的影响，即认为这3条中心线在同一垂直面内。同时，由于上面3个辊与下面3个对应辊的材质、尺寸及受力相同或对称，因此只需研究上面3个辊的受力情况。当工作辊为主动辊时，上面3个辊的受力情况如图2-1所示。

根据工作辊在水平、垂直方向受力平衡条件：

F1?P1sin?`1?Psin?(T1?T0)

F1?P1sin?`1?Psin?(T1?T0)

Pcos??P1cos?1

根据中间辊受力平衡条件有：

P1cos?1?P2cos?2 F2?P1sin?`1?P2sin?2

整理得，

P2?Pcos?/cos?2

其中，??arcsinT1?T0(T1?T0) 2PT0?T1(T1?T0) 2P 图3-1 上面三个辊的受力示意图 P为总轧制力；ψ为总轧制力方向与垂直面之间的夹角；F1 、F2为工作辊、中间辊轴承对工作辊、中问辊的作用力；ρ1为工作辊轴承摩擦圆半径，ρ1=r1·μ1，r1为工作辊辊颈半径，μ1为工作辊轴承摩擦系数；R1、R2、R3为工作辊、中间辊、支撑辊辊身半径；P1、 P2为工作辊与中间辊、中间辊与支撑辊之间的作用力； λ1、λ2为P1、P2与垂直面之间的夹角；m1、m2为工作辊与中间辊、中间辊与支撑辊之间的滚动摩擦力臂，一般情况下、可取0．1～0．3mm； T0、T1为轧件所受的前张力、后张力f图中假设T1>T0)。 ??arcsin?2?arcsin?3?m2R3

T?qbh，其中T为某区域的

张力；q为某区域的单位张力，N/mm2；b为带钢的宽度，mm；h为带钢的宽度，mm。

1.1.3轧机轴承油气润滑

鞍钢四冷轧机采用SKF公司供应的四列圆柱滚子轴承（800×1000×700mm）其采用油气润滑系统。油气润滑是在管路中利用气流来输送和供给润滑点以微 量油润滑的一种润滑技术。

油气润滑技术就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜 ,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。油气润滑系统中，每隔一定时间 (可调 )

由定量柱塞泵分配器定量输出的微量润滑油，在混合阀中与压缩空气混和后，经尼龙管输出油气。经混合阀输出的油气实际上应该称为“油+气”，油气输送管内观察到的状态如图所示。可以看出，微小油滴沿管壁波状分布，油和气实际上是呈分离状态的，并且由流动的压缩空气带着管壁上波状分布的润滑油一起连续不断地向前输送。

图2-2油气润滑原理

1.2轴承系统热分析

本节主要介绍轴承系统热源分析及边界条件分析。 1.2.1轧辊轴承系统热源分析

在轴承系统中，如果热交换不好，轴承的温度会很高，严重影响轴承的工作性能和寿命[2]，例如，轧辊辊颈与轴承内圈由于大量摩擦热而发生焊合，轴承与轴承座由于热变形无法拆离等。因此，有必要弄清轴承系统的热源。经分析，轴承温升的热源有轴承的摩擦热和来自外部的热，如轧制热、润滑剂的给油温度、密封等。对于大型轧机来说，后几种情况可提供的热量相对很小，可忽略。所以轴承系统的热源主要为轴承摩擦热。摩擦热体现在：

Htot?HRRC?HREF?Hfdrag?HCRL?HCPR

HRRC指的是滚子与滚道接触的摩擦发热率；

HREF指的是滚子与润滑油之间的搅动摩擦发热率； Hfdrag指的是滚子与挡边之间的摩擦发热率；

HCRL指的是保持架与内（外）引导挡边摩擦发热率； HCPR指的是滚子与保持架兜孔接触摩擦发热率。

1.2.2轧机轴承发热源计算 轧机轴承发热整体法： 对于两个轧辊，摩擦力矩值为：

M1?Pd?1…………（1）

式中： P——作用在轴承上的载荷，一般等于轧制力（多辊轧机除外）； d——轧颈直径；

?1——轧辊轴承中的摩擦系数。 轴承摩擦功率的计算公式为：

Q?2?nM1…………（2） 60min式中：n为轧辊的轧制速度，r轧机轴承发热局部法：

。

轴承的发热主要跟摩擦力矩有关，力矩越大，生成的摩擦热也越多。根据Palmgren推导的公式，轴承的摩擦力矩主要有两部分：润滑剂粘性产生的摩擦力矩和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩。计算公式如下:

3M0?10f0(vn)3dm…………（3）

?72M1?f1P1dm……………………（4）

式中：f0为与轴承类型和润滑方式有关的系数；v为工作温度下润滑剂的运动粘度，mm2r；n为主轴转速，rmin；dm为轴承节圆，mm；f1为与轴承类

型和所受负荷有关的系数；P1为确定轴承摩擦力矩的计算负荷,N；M0,M1为摩擦力矩，N?mm。

轴承接触区热生成还跟滚动体与轴承套圈的自旋运动有关，高速下根据轴承套圈沟道理论，滚动体和内套圈存在自旋运动，自旋摩擦力矩为

Msi?3?siQi?i?i…………（5） 8式中：?si为滚动体与沟道的摩擦系数；Qi为滚动体与沟道的法向接触载荷，N；?i为赫兹接触椭圆长半轴，m；?i为第二类椭圆积分。

因此，轴承的摩擦热的计算公式为：

Qi?2?n(M0?M1)?Msi?si…………（6） 60式中，?si为滚动体内圈自旋运动角速度，rad/s。 轴承摩擦处热源分配方式：

摩擦生热在参与接触的两个元件表面的分配系数，可以根据轴承部件材料的导热系数确定。用公式表示如下：

q?k?Q/A

其中，k——接触面热流密度分配系数； Q——为轴承摩擦生热量； A——为接触面积。 1.2.3轴承系统散热边界条件确定 轴承内油气润滑对流换热系数：

主轴轴承使用油气润滑方式时 ,油气混合物经喷嘴射向滚动体与滚道间接触区，润滑油被压缩空气带动着传递到各个润滑点。

假设压缩空气从喷嘴冲出时为自由射流，该射流卷吸周围的空气使流量逐渐增加；其动量沿流动方向保持不变，为出口动量值。根据动量不变原理，可计算出压缩空气作用于轴承的实际空气流量。

压缩空气向轴承喷射，使轴承有一个附加的轴向气流。轴向气流在内外圈间流过轴承时的流动面积为

Aax?2?dm?h

式中： Aax－轴向气流流过轴承时的面积； dm －轴承平均直径；

?h－轴承内外圈与保持架之间的间隙。

轴承中的空气平均速度可由附加的轴承和切向气流得到：

V12?dm12u?[()?()]

Aax2式中： u－轴承中空气的平均速度；

V1－作用于轴承的实际空气流量；

?－主轴旋转角速度。 其对流换热系数为：

hv?0.0332?Pr3[u1]2vx

1式中： ?－润滑油的导热系数； Pr－普朗特数； u－对流速率；

V－润滑油的运动粘度，mm2s； x－特征长度。 轴承座与空气对流换热系数：

假设外部的空气处于静止状态，轴承座外表面上的表面传热系数采用近似公式计算：

hv?23.0(T?T?)0.25

式中，T－为轴承座外表面温度； T?－为环境空气温度。 轴承座与乳化液换热系数：

由于乳化液是溅射到到轴承表面的，其与轴承座之间也为强迫对流换热，符合轴承油气润滑的对流换热系数。

2有限元法轴承系统温度场热分析

2.1.1定义单元类型和材料属性

ANSYS提供了多种热分析单元，本文选用Solid 70，它是一种8节点的六面体单元如下图所示。其自由度为温度(Temp)。

图2-1 solid70的几何结构

材料属性定义：轴承座的材料为zg270-500，轴承的材料为渗碳钢，其材料特性如表4-1所示。

表4-1轴承及轴承座的材料特性

材料 zg270-500 渗碳钢 导热率 35.5w66.6w比热容 489.9J450J密度 78507850m?km?kkg?k kgkgm3m3 kg?k4.1.2建立有限元模型

为了更好的反映轴承座与轴承的温度场分布情况，本文建立轴承座和轴承外圈模型。各个机架上的轴承座大致各异，并且在建立模型时，为了便于方便网格划分，对轴承座众多的油孔、台肩及小圆角、起吊孔、螺栓孔等进行必要的简化。并且在轴承内圈部分划出，轴承与滚动体接触区域，作为加载热载荷的主要地方。

图2-2 有限元模型

4.1.3划分网格

ANSYS提供了多种划分网格的功能，包括智能划分、映射划分以及扫掠划分等形式。本文采用体扫掠的办法划分体网格，具体做法是：先设置源面的单元密度，再划分此面设置被扫掠体的轴线单元密度，最后扫掠体(即将源面的网格形式沿着轴线复制到整个体上)。可见，扫掠不但可以得到较规则的六面体单元，而且可以控制不同元件的节点分布情况，这可以为下一步合并元件的节点做好准备。在对轴承外圈和轴承座网格划分，共划分了289467个网格和255710。

图2-3网格划分

4.2加载约束与载荷

根据冷轧工艺参数即表2-1，以及轧辊间力传递模型，计算从工作辊到支撑辊所传递的力。（以机架1为例）

作辊轧制力与垂直线的夹角：

??arcsinT1?T0130?1.67?1500?70?2.75?1500?arcsin?arcsin3.2?10?2 62P2?9.7?10?2?arcsin?3?m2R3?arcsin0.003?800?0.3?arcsin1.8?10?3

1500P2?Pcos?/cos?2?9.7?106?0.9995?1?9.7?106N

由此可见工作辊上的轧制力完全的传递到支撑辊，即各机架上支撑辊上的支撑力即为工作辊轧制力。

那么各机架支撑辊支撑力和轧制速度关系表如下表所示。从公式，可以看出轴承摩擦生热与支撑力和轧制速度均成正比，可以通过他们来定性分析一下各机架的生热量大小关系。

表3- 支撑力和速度关系表

机架 1 2 3 4 5 支撑力（MN） 9.7 8.48 7.87 8.5 4.79 轧制速度（m/min） 241 394.5 600.6 795.2 800 乘积 2337.7 3345.36 4726.7 6759.2 3832 根据各机架上速度关系，应用整体法来计算热源，可知机架1-4温度场分布情况依次升高，机架5温度较机架4稍低。因轴承各部件导热系数大致相同，轴承计算的热量在接触面间的分配系数为0.5。

加载到轴承外圈与滚子接触处，其他的边界加载对流换热系数即散热条件。 4.3结果分析及模型验证

机架1-5上各机架仿真模型温度场分布情况。

机架4上温度场分布

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