中大型冷輾機LN300 結構設計

劉樂民

（寧波耐特嘉機械制造有限公司，浙江 寧波315201）

冷輾機在結構布局上有立式和臥式兩種，目前中小型冷輾機多采用臥式結構。臥式結構的特征是各個軸系在同一個水平面內，承受輾壓力的主體結構以機架下部受力為主，上部設置輔助拉桿，拉桿的尺寸不能很大，故剛性較差[1]。臥式布局只有前面和上面敞開，對機床的調整和維護造成不便。臥式布局的上下料通道可以垂直布置，工件利用自身重量自動完成下料動作，上下料結構簡單，適用中小型冷輾機，但如果工件重量大會造成磕碰傷嚴重，大型冷輾機如果采用臥式結構會造成占地尺寸非常龐大[2]。

為此，本文從大型冷輾機的設計特征出發，結合機床的主要參數對設備進行相關設計，設計出LN300 型中大型冷輾機的具體結構。最終給出該設備的工藝應用范圍。

1 設備特征分析及參數計算模型

1.1 立式布局特征

中大型冷輾機相對小型冷輾機具有大尺寸、大重量等特征，采用立式布局更易于其在工業上的組裝及應用[3]。立式布局的特征主要體現在以下4 方面：

（1）各軸系零件處在同一個垂直平面內，機床高度尺寸較大，長度尺寸小，占地面積小。

（2）承受輾壓力的主體機架豎直布置，前后、左右均為敞開面，便于機床的調整和維護。

（3）主體機架前后、左右為對稱結構，輾壓力與結構中心重合，結構剛度大，受力后變形均勻。

（4）上下料通道水平布置，需設置下料滑道，結構較為復雜，但可以避免磕碰傷。

本設計的主導思想是：主體結構剛度盡量大，各部件可靠耐用，模具更換省力便捷，機床調整方便且具有返修功能。結合目前軸承的市場批量確定本機床加工的最大外徑?320mm，寬度120mm，芯棍最小直徑?65，毛坯最小內徑?70mm。

1.2 設備主要參數計算

根據立式布局的設計思想，確定輾壓力及輾輪驅動力矩是冷輾機機床的設計關鍵。

冷輾加工屬連續塑性變形加工，輾輪由驅動力矩帶動順時針旋轉，支撐輪推動芯棍再推動工件壓向輾輪，在摩擦力作用下由輾輪帶動作逆時針旋轉，工件被輾輪和芯棍軋制輾壓，壁厚減薄、直徑增大，如圖1 所示。上述動作連續進行，工件壁厚持續減薄、外徑持續增大，直至達到預定尺寸，完成加工循環。在輾擴過程中，工件主要是沿周向延展變形，沿軸向變形較小。

1.2.1 輾壓力計算

輾輪與芯棍同時作用在工件上，輾壓力沿垂直方向大小相等、方向相反，則輾輪與工件、芯棍與工件的接觸弧長在水平面上的投影大小相等，由勾股玄定理得知在圖1 中輾輪、芯棍半徑與投影長度L的關系為：

圖1 冷輾加工原理示意圖

忽略高次項S122則有關系：

同理，S11可以表示為：

由此，輾輪側的壓下量S1表示為：

采用同樣的簡化方法，芯棍側的壓下量S2可以表示為：

結合式（1）～（5），得出工件在冷輾機一轉下的總壓下量S 的表達式為：

將S 設置為L 的自變量參數，則L 表示為：

當材料所受的應力超過屈服極限時，工件開始塑性變形，因此，所受到的最大輾壓力F 應表示為：

式中：F——輾壓力，kN；σb——工件的屈服極限，MPa；B——工件寬度，mm。

在綜合考慮實際工況，留足儲備裕量的情況下，最終確定最大輾壓力為1600kN。

1.2.2 驅動力計算

套圈冷輾加工過程中，只有輾輪在電機驅動下作旋轉運動，芯棍、工件均為被動旋轉，故芯棍所受到的力矩為0。此時，工件施加給芯棍的合力將通過芯棍的中心，而作用在輾輪上的合力P 與之大小相等，方向相反，且作用在一條直線上，驅動輾輪的力矩Mk與該合力P 相平衡。

根據圖1 中的參數關系，該力矩可以表示為：

式中：A——輾輪與芯棍之間的中心距，mm；β——合力作用點角度，°。

在綜合考慮實際工況，留足儲備裕量的情況下最終確定額定驅動力矩為4500N·m，主軸額定轉速120 轉/min，電機功率55kW。

以上述作業參數為基準，設計型號為LN300 的中大型冷輾機的具體結構。

2 主要部件的設計及分析

LN300 型冷輾機主要由機架、主軸、芯軸、支撐輪、圓度輥、主動測量、上下料、流體系統、電氣系統和外防護等部件組成?？傮w結構布置見圖2，其中機架、主軸、芯軸三部分構建最為重要。

圖2 LN300 型冷輾機結構示意圖

2.1 機架部件的設計

機架是冷輾機的主體部件，其他部件均安裝在機架上，工作時的輾壓力、輾壓力矩也由其承受，其結構形狀、尺寸大小是否合理直接影響整個機床的結構剛性、制造成本、裝配工藝等，對機床的加工精度，可靠性起決定作用[4]。本設計機架采用雙幅閉式結構，材質為ZG35，立柱截面形狀為矩形，見圖3。

圖3 機架的設計結構

結合冷輾工藝對機架進行靜力學分析，其架骨的靜力圖形如圖4 所示。

圖4 機架架骨的靜力分布

根據圖4 關系，架骨所受彎矩M1與M2的表示關系為：

式中：M1——橫梁中部截面彎矩，kN/m；M2——立柱上的彎矩，kN/m；R——輾壓力，kN；L1——橫梁中性線長度，m；L2——立柱中性線長度，m；I1——橫梁慣性矩，m4；I2——立柱慣性矩，m4。

由此，可以得出橫梁與立柱內外側的應力，分別表示為σn1，σa1，σn2，及σa2。

式中：Wn1、Wa1——橫梁內側、外側的端面系數；Wn2、Wa2——立柱內側、外側的端面系數；F2——立柱端面積，m2。

經過計算，本設計中橫梁內側為壓應力21MPa，橫梁外側為拉應力23MPa，立柱內側為拉應力11MPa，立柱外側為拉應力6MPa。

根據機架所受應力得出機架橫梁中部的變形量可表示為f：

式中：f1——由彎矩產生的橫梁彎曲變形，m；f2——由切力產生的橫梁彎曲變形，m；f3——由拉力產生的立柱拉伸變形，m；E——材料彈性模量，GPa；G——材料剪切彈性模量，GPa。

經過計算，本設計中輾壓力1600kN 時橫梁中部最大變形0.05mm。

將機架理論模型帶入有限元仿真中，在設定邊界條件后，得出應力及變形量云圖，如圖5（a）、（b）所示。

由圖5 所示，橫梁內角處有應力集中，故該處應盡量采用大圓角過渡。最大變形值為0.08mm，采用有限元得出的應力分布與變形量范圍與計算數值大致相符。

2.2 主軸部件的設計

輾輪安裝在主軸上，其承受輾壓力、驅動力矩的作用，須具有大的承載能力，在結構上還要保證輾輪的更換要便利，設計結構如圖6 所示。

主軸右端由一套四列圓錐滾子軸承382040（Cr=1760kn Cr0=4200kn）做徑向和軸向支撐，左端由一套四列圓柱滾子 FC3450170（Cr=1070kn Cr0=2080kn）軸承做徑向支撐。輾輪由一個錐套過渡，與主軸形成錐面過盈配合以傳遞驅動扭矩，輾輪裝配時可用液壓加力器壓入。主軸中部有油道通往配合錐面，當需要拆卸輾輪時只需往油道中注入高壓油即可。冷輾機工作中主軸軸承的使用壽命是主要指標，須進行壽命計算。

圖5 機架的有限元仿真分析

輾壓力主要以徑向方向施加給軸承，軸向力很小，計算時可忽略不計。工作時最大輾壓力時間約占45%，1/2 輾壓力工作時間約占45%，輔助時間約占10%。平均工作轉速140 轉/min。冷輾機加工不同型號的套圈輾壓力大小差別很大，應取中等偏大進行計算，這里取1000kN，則單側軸承承受500kN。左側的四列圓柱滾子軸承承載能力較弱，這里僅對其進行計算。

圖6 主軸設計結構示意圖

平均當量動負荷、額定壽命分別用Pmr、L10表示。

以普通軸承鋼的參數進行計算，得出Pmr=400kN；L10=26.6×106轉。若主軸的轉速為140r/min，則該軸承的使用壽命可以達到3160h。若使用優質軸承鋼則該軸承使用壽命可以得到延長。

2.3 芯軸部件的設計

芯軸既要完成插拔動作、還要在進給方向保持平穩移動，可以布置的空間尺寸又非常狹小，故須設計得非常緊湊。根據這一特性，將其結構設計如圖7所示。

芯軸裝在右側的芯棍軸套內由拉釘緊固，芯棍軸套由兩套深溝球軸承、一套推力球軸承支撐裝在右側的軸承座2 內，軸承座2 由活塞桿推拉、在一對滾動導軌引導下做插拔移動（在圖中是左右移動），左側芯棍套結構雷同，將左側芯棍套的軸線與右側芯棍套軸線調整至重合，插拔移動即可將芯棍兩端牢固支撐。兩側軸承座均安裝在垂直布置的滾動導軌上即可完成垂直方向的進給運動。

2.4 冷輾機技術參數

根據上述設計的部件結構，現階段已完成了冷輾機的實體測試，根據其規格將該型號的冷輾機型號標定為LN300，其主要技術參數見表1。

3 結論

根據現階段中大型冷輾機的技術特征，設計出型號為LN300 的大型冷輾機。

圖7 芯軸設計結構示意圖

針對LN300 冷輾機的特征，建立其在工藝生產中輾壓力機驅動力的計算模型，根據相關參數計算，其最大輾力可達1600kN，驅動扭矩為4500N·m，電功率為55kW。

分別對冷輾機的主要部件機架、主軸、芯軸進行設計。通過建立理論模型，得出機體橫梁與立柱的內外側應力分別為21MPa、23MPa、11MPa 及6MPa，以此得出橫梁中部擁有最大變形量為0.05mm。通過計算量動負荷及額定壽命，得出普通鋼制主軸的使用壽命可達到3160h。與此同時對芯軸的結構進行了詳盡描述。

總結給出LN300 的技術參數，為大型軸承的制作及加工提供了必要的技術參考。