笔者经过研究，做出如下总结： （1）在第四代红圈轧机的结构设计基础上，结合达涅尼、西马克等公司生产的主流短应力线轧机结构特点，对短应力线轧机的轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置等关键部件进行深入研究，确定了短应力线轧机的轧制原理和影响短应力线轧机轧制精度的主要原因。
第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景和对象
钢材作为工业生产的必需品，在机械、建筑、船舶、航天航空以及军工等行业发挥着重要的作用。经济的高速发展，离不开各行各业的共同努力。但伴随着我国经济不断繁荣进步，对于钢材的需求量也与日俱增，这对国内的钢铁行业提出了更高的要求[1-3]。自 2001 年我国加入世贸组织，国内外的贸易量增加，商品的流动性大大增强，这对于国内钢铁行业来说，不仅是一种机遇，更是一种挑战。国内钢铁产业既要提高产量，以满足国内生产需求和进行贸易出口；同时也要提高钢材的工艺技术，提升钢材生产的质量，这样才能够在国际市场上具有更强的竞争力[4]。棒材作为钢材的一种，在带材、板材产量供过于求的现在，市场对于棒材的需求量却在不断增加。我国从 2005 开始，棒材产量一直在不断增加，所以可以看出棒材生产前景广阔[5]。
由数据统计可以看出我国的棒线材的产量经过多年的技术研究与发展，目前的产量已经位于世界前列，成为了世界上的棒线材生产大国[6]。但在这样高产量的成果之下，存在着我国棒材生产结构不合理的问题。我国为了提高棒线材的产量，对提高产量相关的轧制技术进行了不断的研究，使得国内的棒线材生产规模得到了不断的扩大[7-9]。但在这么高的棒材产量中，中低端类型的棒材产量占大部分，高精度的棒材产量只占了很少的一部分。中低端的产能过剩，高端的产能不足，直接导致了我国棒材产品的总产值不高。中低端棒材技术含量不高，能创造的经济价值有限，而国内各个行业的生产对于高技术含量的高端棒材需求较大，这就使得国内必须从国外进口相关棒材，这种产品结构的矛盾是目前国内棒材行业的主要问题。所以国内想要改变这种局面，就必需改变过去追求产能的生产模式，向着高质量、高产值的高端棒材生产方向转变[10-11]。就目前情况来看，我国的棒材产业的技术相较于发达国家还有较大的差距。发达国家已在棒材生产中采用了诸如无头轧制工艺、自动控测技术以及新型轧机的应用等，针对这些先进的生产技术，国内应积极学习与研究，来解决国内产业结构转变遇到的困难。
...........................
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究状况
世界上第一代短应力线轧机出现在二十世纪四十年代，它是由摩根沙玛公司和瑞典中央公司共同开发的 P500 型轧机。这款轧机的设计思路突破了传统轧机中的牌坊结构设计，在短应力线的理论基础上，创造性地上将两个轴承座通过拉杆连接在了一起，实现了应力回线的缩短。除此之外，轧机轧辊采用了三角支架悬挂结构，来保证拉杆受力的稳定。但由于原来的轧机在中间采用了压下螺丝的结构，这就使得轧机在进行辊缝调整时不容易实现对称，进而增加了调整花费的时间[21-22]。同时由于压下螺丝的存在，使得轴承和轴承座容易发生应力集中。并且总的来看，轧机的应力回线还是不够短，轧机的刚度还是不够。后来瑞典人针对第一代短应力线轧机的问题进行了改良，主要是将原来的轴承和轴承座上的集中载荷改为分散载荷，并且对应力回线进行了一些缩短[23]。但由于轧机结构上还是使用压下螺丝，所以辊缝的调整问题还是没有解决。第一代短应力线轧机如图1-2 所示。
图 1-2 第一代短应力线轧机
............................
第 2 章 Φ380 短应力线轧机简介
2.1 Φ380 短应力线轧机的结构和主要参数
人们通常根据轧钢机的轧辊中心距来命名短应力线轧钢机，所以可知所设计的 Φ380 短应力线轧机的轧辊中心距为 380mm，该轧机结构图如图 2-2 所示。
图 2-2 Φ380 短应力线轧机结构图
该 Φ380 短应力线轧机的设计基础为波米尼公司生产的第四代红圈轧机，第四代红圈轧机与以前的轧机相比，增加了拉杆直径，减小了压下螺母间距，增加了轴承厚度，从而缩短应力回线，增加轧机刚度，提高轧件生产精度。此外，还通过安装在拉杆中间的支撑架，大大提高了轧机的稳定性。本文主要设计研究的是轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置。
其中轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、支撑架等部件共同组成轧机的轧辊辊系，其中轧辊轴承安装在轧辊辊颈上，与轧辊一起装配在轴承座的轴承通孔中。再通过四根拉杆与压下螺母配合，加上支撑架安装在轧机底座上，构成了一个更短的应力回线。其中拉杆是区别于传统轧机的主要结构，短应力线轧机通过拉杆结构将作用在轧辊轴承上的轧制力分布的更加均匀，降低了集中载荷，使轴承的受力更加合理，从而提高了轧辊轴承的寿命。
........................
2.2 Φ380 短应力线轧机的轧制流程研究
Φ380 短应力线轧机主要用于生产棒材，而棒材轧制工艺规程由过去的人为经验设计，逐步发展到今天的计算机辅助设计，其生产工艺流程已经相当成熟了。主要包括了：坯料验收、坯料加热、轧机轧制、轧件剪切、轧件冷却、成品检验、打包入库，短应力线轧机的工艺流程如图 2-5 所示。
图 2-5 轧机工艺流程
坯料验收作为轧制工作的第一步，直接决定了最后轧件成品的质量好坏。棒材轧制的坯料一般有连铸坯和模铸坯两种，坯料验收的工作一般包括对坯料的尺寸进行测量，然后检验坯料表面的质量，根据轧制的规定和技术要求，挑出不符合要求的坯料，最后将检验的结果记录下来。
然后是将检验合格的坯料送入加热炉加热。通过将坯料加热到预设温度，可以提高坯料的可塑性、改善坯料质量、降低轧制阻力，便于轧制工作进行和提高轧件成品质量。
接着是最重要的轧制步骤，将加热完毕的坯料通过辊道送至的不同道次进行轧制，最终成为合格产品。这一过程决定了轧件成品的最终品质，企业对于轧件品质好坏的评价标准有：产品的尺寸精度、轧件内部组织性能、表面光洁度以及用于加工时机械性能的好坏。为了生产高品质的棒材成品，针对棒材生产的过程，企业制定了一系列的产品技术标准和生产管理体系，并且不断的提高轧制工艺技术，以得到更高的成品品质和经济效益。
...........................
第 3 章 短应力线轧机关键部件设计.............................35
3.1 轧辊设计.............................35
3.2 轧辊轴承设计.............................35
第 4 章 短应力线轧机的有限元分析.............................42
4.1 有限元分析法简介.............................42
4.1.1 有限元分析法的理论概述.............................42
4.2 ANSYS 有限元软件介绍.............................42
第 5 章 轧机结构的改进和优化.............................55
5.1 静迷宫端盖优化.............................55
5.1.1 端盖的参数化模型建立.............................55
5.1.2 端盖的有限元分析.............................55
5 章 轧机结构的改进和优化
5.1 静迷宫端盖优化
静迷宫端盖被安装在轴承座上，起到了对四列圆柱滚子轴承的密封、轴向固定以及添加润滑液的作用。静迷宫端盖损坏会使得密封失效，脏水容易进入轴承中，进而降低润滑效果，造成轴承损坏，从而造成轧辊辊颈受损。而按照以往的设计方法所设计的静迷宫端盖在实际使用中容易发生损坏，所以对原来静迷宫端盖设计进行结构优化[47-48]。
5.1.1 端盖的参数化模型建立
由于静迷宫端盖是通过螺钉固定在轴承座外侧，且螺杆不与端盖螺孔接触，只起到轴向固定的作用。根据短应力线轧机的应力回线可知，轧制力主要是作用在轴承座上。端盖安装在轴承座内孔上，轧制时轧制力将会传递到端盖上。要获得静迷宫端盖的受力状态，就要将端盖和轴承座组合起来分析，从而获得轧制力对端盖的影响。
静迷宫端盖材料采用 ZG270-500，材料参数如表 5-1 所示。在 Creo Parameter中建立端盖的参数化模型，由于需要进行有限元分析，所以在三维模型绘制时进行了一定的简化，忽略掉一些不重要的结构。根据端盖的主要作用，决定在不影响其密封和储油量的情况下，对可以优化的设计尺寸进行筛选。最终选择了端盖中的五个参数 m、n、L、h、d 作为接下来优化设计的输入变量，其中 m 为端盖总厚度，n 为端盖外台面切除部分的厚度，L 为两侧倒圆角处距底部的距离，h 为静迷宫槽的深度，d 为最外侧圆的半径。
......................
结论
本文主要针对国内棒材生产行业中低端产品产量过剩，而高端棒材产量不足的现状，在第四代红圈轧机的基础上对 Φ380 短应力线轧机进行设计与研究。首先根据先进的短应力线轧机设计技术，完成 Φ380 短应力线轧机初步设计。然后通过 Creo5.0 和 ANSYS Workbench 软件完成对 Φ380 短应力线轧机关键部件的三维建模与分析，确定所设计的 Φ380 短应力线轧机具有足够的刚度和使用寿命。最后在短应力线轧机初步设计的基础上，根据以往短应力线轧机在实际中存在的问题，结合多目标遗传算法等优化方法，对轧机关键部件结构进行进一步的设计优化，最终实现 Φ380 短应力线轧机刚度和使用寿命的提高。现在对论文的主要成果做出如下总结：
（1）在第四代红圈轧机的结构设计基础上，结合达涅尼、西马克等公司生产的主流短应力线轧机结构特点，对短应力线轧机的轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置等关键部件进行深入研究，确定了短应力线轧机的轧制原理和影响短应力线轧机轧制精度的主要原因。
（2）通过研究棒材轧制的生产工艺和平辊轧制技术，再结合之前对短应力线轧机结构的研究，在第四代红圈轧机的结构基础上完成 Φ380 短应力线轧机的轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置等关键部件的初步设计，并对所设计的轧机进行强度和刚度的校核。
（3）根据对 Φ380 短应力线轧机关键部件的初步理论设计，选择 Creo5.0 作为建模软件，完成对所设计的短应力线轧机关键部件的参数化建模。
（4）采用 ANSYS Workbench 软件对 Φ380 短应力线轧机关键部件进行结构力学分析，确定短应力线轧机各个关键部件的应力应变和弹性变形情况，并根据有限元分析结果，验证轧机关键部件的设计符合安全生产要求。
参考文献（略）
第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景和对象
钢材作为工业生产的必需品，在机械、建筑、船舶、航天航空以及军工等行业发挥着重要的作用。经济的高速发展，离不开各行各业的共同努力。但伴随着我国经济不断繁荣进步，对于钢材的需求量也与日俱增，这对国内的钢铁行业提出了更高的要求[1-3]。自 2001 年我国加入世贸组织，国内外的贸易量增加，商品的流动性大大增强，这对于国内钢铁行业来说，不仅是一种机遇，更是一种挑战。国内钢铁产业既要提高产量，以满足国内生产需求和进行贸易出口；同时也要提高钢材的工艺技术，提升钢材生产的质量，这样才能够在国际市场上具有更强的竞争力[4]。棒材作为钢材的一种，在带材、板材产量供过于求的现在，市场对于棒材的需求量却在不断增加。我国从 2005 开始，棒材产量一直在不断增加，所以可以看出棒材生产前景广阔[5]。
由数据统计可以看出我国的棒线材的产量经过多年的技术研究与发展，目前的产量已经位于世界前列，成为了世界上的棒线材生产大国[6]。但在这样高产量的成果之下，存在着我国棒材生产结构不合理的问题。我国为了提高棒线材的产量，对提高产量相关的轧制技术进行了不断的研究，使得国内的棒线材生产规模得到了不断的扩大[7-9]。但在这么高的棒材产量中，中低端类型的棒材产量占大部分，高精度的棒材产量只占了很少的一部分。中低端的产能过剩，高端的产能不足，直接导致了我国棒材产品的总产值不高。中低端棒材技术含量不高，能创造的经济价值有限，而国内各个行业的生产对于高技术含量的高端棒材需求较大，这就使得国内必须从国外进口相关棒材，这种产品结构的矛盾是目前国内棒材行业的主要问题。所以国内想要改变这种局面，就必需改变过去追求产能的生产模式，向着高质量、高产值的高端棒材生产方向转变[10-11]。就目前情况来看，我国的棒材产业的技术相较于发达国家还有较大的差距。发达国家已在棒材生产中采用了诸如无头轧制工艺、自动控测技术以及新型轧机的应用等，针对这些先进的生产技术，国内应积极学习与研究，来解决国内产业结构转变遇到的困难。
...........................
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究状况
世界上第一代短应力线轧机出现在二十世纪四十年代，它是由摩根沙玛公司和瑞典中央公司共同开发的 P500 型轧机。这款轧机的设计思路突破了传统轧机中的牌坊结构设计，在短应力线的理论基础上，创造性地上将两个轴承座通过拉杆连接在了一起，实现了应力回线的缩短。除此之外，轧机轧辊采用了三角支架悬挂结构，来保证拉杆受力的稳定。但由于原来的轧机在中间采用了压下螺丝的结构，这就使得轧机在进行辊缝调整时不容易实现对称，进而增加了调整花费的时间[21-22]。同时由于压下螺丝的存在，使得轴承和轴承座容易发生应力集中。并且总的来看，轧机的应力回线还是不够短，轧机的刚度还是不够。后来瑞典人针对第一代短应力线轧机的问题进行了改良，主要是将原来的轴承和轴承座上的集中载荷改为分散载荷，并且对应力回线进行了一些缩短[23]。但由于轧机结构上还是使用压下螺丝，所以辊缝的调整问题还是没有解决。第一代短应力线轧机如图1-2 所示。
图 1-2 第一代短应力线轧机
............................
第 2 章 Φ380 短应力线轧机简介
2.1 Φ380 短应力线轧机的结构和主要参数
人们通常根据轧钢机的轧辊中心距来命名短应力线轧钢机，所以可知所设计的 Φ380 短应力线轧机的轧辊中心距为 380mm，该轧机结构图如图 2-2 所示。
图 2-2 Φ380 短应力线轧机结构图
该 Φ380 短应力线轧机的设计基础为波米尼公司生产的第四代红圈轧机，第四代红圈轧机与以前的轧机相比，增加了拉杆直径，减小了压下螺母间距，增加了轴承厚度，从而缩短应力回线，增加轧机刚度，提高轧件生产精度。此外，还通过安装在拉杆中间的支撑架，大大提高了轧机的稳定性。本文主要设计研究的是轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置。
其中轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、支撑架等部件共同组成轧机的轧辊辊系，其中轧辊轴承安装在轧辊辊颈上，与轧辊一起装配在轴承座的轴承通孔中。再通过四根拉杆与压下螺母配合，加上支撑架安装在轧机底座上，构成了一个更短的应力回线。其中拉杆是区别于传统轧机的主要结构，短应力线轧机通过拉杆结构将作用在轧辊轴承上的轧制力分布的更加均匀，降低了集中载荷，使轴承的受力更加合理，从而提高了轧辊轴承的寿命。
........................
2.2 Φ380 短应力线轧机的轧制流程研究
Φ380 短应力线轧机主要用于生产棒材，而棒材轧制工艺规程由过去的人为经验设计，逐步发展到今天的计算机辅助设计，其生产工艺流程已经相当成熟了。主要包括了：坯料验收、坯料加热、轧机轧制、轧件剪切、轧件冷却、成品检验、打包入库，短应力线轧机的工艺流程如图 2-5 所示。
图 2-5 轧机工艺流程
坯料验收作为轧制工作的第一步，直接决定了最后轧件成品的质量好坏。棒材轧制的坯料一般有连铸坯和模铸坯两种，坯料验收的工作一般包括对坯料的尺寸进行测量，然后检验坯料表面的质量，根据轧制的规定和技术要求，挑出不符合要求的坯料，最后将检验的结果记录下来。
然后是将检验合格的坯料送入加热炉加热。通过将坯料加热到预设温度，可以提高坯料的可塑性、改善坯料质量、降低轧制阻力，便于轧制工作进行和提高轧件成品质量。
接着是最重要的轧制步骤，将加热完毕的坯料通过辊道送至的不同道次进行轧制，最终成为合格产品。这一过程决定了轧件成品的最终品质，企业对于轧件品质好坏的评价标准有：产品的尺寸精度、轧件内部组织性能、表面光洁度以及用于加工时机械性能的好坏。为了生产高品质的棒材成品，针对棒材生产的过程，企业制定了一系列的产品技术标准和生产管理体系，并且不断的提高轧制工艺技术，以得到更高的成品品质和经济效益。
...........................
第 3 章 短应力线轧机关键部件设计.............................35
3.1 轧辊设计.............................35
3.2 轧辊轴承设计.............................35
第 4 章 短应力线轧机的有限元分析.............................42
4.1 有限元分析法简介.............................42
4.1.1 有限元分析法的理论概述.............................42
4.2 ANSYS 有限元软件介绍.............................42
第 5 章 轧机结构的改进和优化.............................55
5.1 静迷宫端盖优化.............................55
5.1.1 端盖的参数化模型建立.............................55
5.1.2 端盖的有限元分析.............................55
5 章 轧机结构的改进和优化
5.1 静迷宫端盖优化
静迷宫端盖被安装在轴承座上，起到了对四列圆柱滚子轴承的密封、轴向固定以及添加润滑液的作用。静迷宫端盖损坏会使得密封失效，脏水容易进入轴承中，进而降低润滑效果，造成轴承损坏，从而造成轧辊辊颈受损。而按照以往的设计方法所设计的静迷宫端盖在实际使用中容易发生损坏，所以对原来静迷宫端盖设计进行结构优化[47-48]。
5.1.1 端盖的参数化模型建立
由于静迷宫端盖是通过螺钉固定在轴承座外侧，且螺杆不与端盖螺孔接触，只起到轴向固定的作用。根据短应力线轧机的应力回线可知，轧制力主要是作用在轴承座上。端盖安装在轴承座内孔上，轧制时轧制力将会传递到端盖上。要获得静迷宫端盖的受力状态，就要将端盖和轴承座组合起来分析，从而获得轧制力对端盖的影响。
静迷宫端盖材料采用 ZG270-500，材料参数如表 5-1 所示。在 Creo Parameter中建立端盖的参数化模型，由于需要进行有限元分析，所以在三维模型绘制时进行了一定的简化，忽略掉一些不重要的结构。根据端盖的主要作用，决定在不影响其密封和储油量的情况下，对可以优化的设计尺寸进行筛选。最终选择了端盖中的五个参数 m、n、L、h、d 作为接下来优化设计的输入变量，其中 m 为端盖总厚度，n 为端盖外台面切除部分的厚度，L 为两侧倒圆角处距底部的距离，h 为静迷宫槽的深度，d 为最外侧圆的半径。
......................
结论
本文主要针对国内棒材生产行业中低端产品产量过剩，而高端棒材产量不足的现状，在第四代红圈轧机的基础上对 Φ380 短应力线轧机进行设计与研究。首先根据先进的短应力线轧机设计技术，完成 Φ380 短应力线轧机初步设计。然后通过 Creo5.0 和 ANSYS Workbench 软件完成对 Φ380 短应力线轧机关键部件的三维建模与分析，确定所设计的 Φ380 短应力线轧机具有足够的刚度和使用寿命。最后在短应力线轧机初步设计的基础上，根据以往短应力线轧机在实际中存在的问题，结合多目标遗传算法等优化方法，对轧机关键部件结构进行进一步的设计优化，最终实现 Φ380 短应力线轧机刚度和使用寿命的提高。现在对论文的主要成果做出如下总结：
（1）在第四代红圈轧机的结构设计基础上，结合达涅尼、西马克等公司生产的主流短应力线轧机结构特点，对短应力线轧机的轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置等关键部件进行深入研究，确定了短应力线轧机的轧制原理和影响短应力线轧机轧制精度的主要原因。
（2）通过研究棒材轧制的生产工艺和平辊轧制技术，再结合之前对短应力线轧机结构的研究，在第四代红圈轧机的结构基础上完成 Φ380 短应力线轧机的轧辊、轧辊轴承、轴承座、拉杆、轧辊平衡装置以及压下装置等关键部件的初步设计，并对所设计的轧机进行强度和刚度的校核。
（3）根据对 Φ380 短应力线轧机关键部件的初步理论设计，选择 Creo5.0 作为建模软件，完成对所设计的短应力线轧机关键部件的参数化建模。
（4）采用 ANSYS Workbench 软件对 Φ380 短应力线轧机关键部件进行结构力学分析，确定短应力线轧机各个关键部件的应力应变和弹性变形情况，并根据有限元分析结果，验证轧机关键部件的设计符合安全生产要求。
参考文献（略）
收藏