冷轧机支撑辊四列圆柱滚子轴承三维接触应力分析

摘要

冷轧机是冷轧薄板高速轧制生产的主体设备，轧制力大，轧制速度高。其支撑辊直径大，配置的支撑辊轴承直径大，属于高速重载精密轴承。因为薄板轧制过程中，支撑辊受到较大的轧制力和轴向窜动力，且有明显的波动，对支撑辊轴承性能和寿命要求很高。为满足高速重载高运转精度的要求，四列圆柱滚子轴承是目前薄板轧机支承辊轴承最常见的典型形式。本文针对某钢厂冷轧支撑辊轴承出现的频繁烧损失效事故，对支撑辊轴承三维接触应力进行计算分析，以探讨支撑辊轴承出现烧损的原因。
　　本文针对某冷轧厂支撑辊和四列圆柱滚子支撑辊轴承，进行了整体结构的力学建模，根据实际生产工况、考虑了轧制力和轴向窜动力的共同作用，采用三维非线性接触有限元方法，分析得到了支撑辊轴承的接触应力场和接触变形场。采用ANSYS软件对复杂的四列圆柱滚子支撑辊轴承结构进行了全尺寸实体建模，采用手动划分网格方式进行了结构的有限元离散。有限元模型中包括支撑辊、轴承座、轴承内外圈、圆柱滚子、保持架等，为了有效计算局部接触区域的接触应力和变形，对接触区及其附近区域进行了精细的网格离散和接触状态设置。在计算分析过程中，考虑了圆柱滚子与轴承内圈、外圈和销轴的相互接触关系，轧制力、轴向力等。由于支撑辊轴承圆柱滚子众多，有164个之多，为了真实反映接触状况，需要将所有圆柱滚子进行建模和接触状态设置，虽然由此导致接触对众多，计算时间长，但是为了保证计算结果的可靠性，本文按照实际结构，对所有支撑辊轴承的圆柱滚子和接触对进行了建模。
　　本文建立的支撑辊和四列圆柱滚子支撑辊轴承的三维非线性有限元模型，可以充分考虑实际生产工况，以及零部件之间的相互接触关系，为合理准确分析四列圆柱滚子支撑辊轴承的接触应力和接触变形奠定了基础。通过对某冷轧厂支撑辊轴承的接触应力和接触变形的计算分析，找到了产生轴承烧损的原因，根据分析结果制订的严格控制支撑辊轴承座与其支挡装置因磨损产生的侧向间隙的方案，在实际生产中有效地降低了支撑辊轴向窜动力，支撑辊轴承的烧损现象得到了大幅度的降低。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 冷轧技术概述

1．1．2 冷轧支撑辊

1．1．3 四列圆柱滚子轴承

1．2 相关问题研究现状

1．2．1 冷轧机及其轴承问题中的有限元方法应用

1．2．2 冷轧机轴承事故原因的研究现状

1．2．3 已有研究的不足

1．3 本文课题来源及主要研究内容

1．3．1 本文课题来源

1．3．2 本文主要研究内容

1．4 本文研究方法及预期解决的问题

1．4．1 研究方法

1．4．2 预期解决的问题

1．5 本章小结

2 轴承疲劳寿命与轴承损坏情况调研

2．1 轴承疲劳寿命基本理论及相关研究

2．1．1 轴承疲劳寿命计算的发展

2．1．2 轴承疲劳寿命影响因素的研究

2．2 国内厂家轧机轴承寿命短及烧损情况调研

2．3 国内外关于轧机轴承事故原因的探索

2．4 本章小结

3 冷轧支撑辊轴承的力学分析

3．1 冷轧支撑辊轴承失效分析

3．1．1 轴承的失效形式

3．1．2 轴承的失效机理

3．2 四列圆柱滚子轴承的力学要求

3．3 轴向力的计算

3．3．1 国内主要厂家轴承损坏情况

3．3．2 支撑辊基本受力分析

3．3．3 轴向力的发现与测试

3．3．4 辊交叉轴向力的生成

3．4 本章小结

4 冷轧支撑辊及其轴承的三维力学模型

4．1 Ansys模型的建立

4．2 所研究结构的具体模型

4．3 接触对的建立

4．3．1 模型中的接触对

4．3．2 过盈配合接触建立

4．4 本章小结

5 冷轧支撑辊及其轴承的有限元网格划分

5．1 ANSYS网格划分方法与原则

5．2 结构的网格划分

5．3 本章小结

6 冷轧支撑辊及其轴承的有限元计算结果及分析

6．1 ANSYS计算结果

6．1．1 应力计算结果

6．1．2 变形计算结果

6．1．3 轴承异常烧损原因验证

6．2 轴承失效的防止措施

6．3 本章小结

结论

致谢

参考文献