板坯连铸机扇形段辊子设计的研究
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２００８ Ｎｏ．５
重型机械
・２９・
板坯连铸机扇形段辊子设计的研究
蒋 军
（中国重型机械研究院，陕西西安７１００３２）
摘要：常规板坯连铸机扇形段辊子装配按其结构分为静不定结构辊子、芯轴结构辊子、分段组 合辊子。本文对这三种形式的辊子做了结构分析，提出了在设计中应注意的问题及计算方法。同时， 针对辊子要易于拆卸的特殊要求，提出了辊子拆装阻力的计算方法。 关键词：板坯连铸机；辊子；扇形段 中围分类号：ＴＦ３４１．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—１９６Ｘ（２００８）０５—００２９—０５
扇形段的静不定转轴结构辊子装配，无论是
驱动辊还是自由辊都是一端固定一端游动的形
式。轴受热伸长的热膨胀量可以按线膨胀计算。
８＝ｑｚ・Ｌ・Ａｔ
（２）
式中，艿为受热膨胀的伸长量；ａ，为钢材的线膨 胀系数，在２０—４００℃范围内碳钢为（１２．９— １３．９）ｘ １０“℃～，铬钢为１３×１０“ｏｃ～，￡为 轴受热的长度；Ａｔ为受热的温升，℃。
耻¨器糕（５）
Ｘ２＝８２＋Ｘ１
（６）
式中，。五为轴上零件自由端的最大伸长（移动） 量；Ｘ２为轴自由端的最大伸长（移动）量；Ｌ。、Ｌ２
分别为轴上零件和轴的长度。
例如板坯宽２
响的辊子长度为２
０００ ３００
ｍｍ的驱动辊受热膨胀影 ｍｉｌｌ左右，设温升２５０
ｏＣ，
（１）将置按从固定端开始到各轴承座之间 的距离（辊套累加长度）进行分配，就可以得到
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｒｏｌｌｅｒｓ ｏｆ ｓｌａｂ ｃａｓｔｅｒ ⅡＡＮＧ Ｊｕｎ （Ｃｈｉｎａ
Ｈｅａｖｙ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，）【ｉ铀７１００３２，Ｃｈｉｎａ）
ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ，ｉｆ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｏ
ｔｏ
ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ
ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ
ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｔｏ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｅｒｓ，ａｎｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｎｅｅｄｓ
ｂｅ ｐａｉｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ａＢ
ｗｅｌｌ踞ｔｈｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｑｕｌｒｅｍｅｎＬｓ ｔｈａｔ ｒｏｌｌｅｒ ｉｓ
理的运动间隙。因此在选用滚动轴承的径向游隙
板坯连铸机中驱动辊均采用静不定转轴结
构；直径２００ ｉｎｌｎ以上的自由辊采用静不定结构
万 方数据
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重型机械
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时要综合考虑该辊子所处位置的受热情况及制造
厂所能达到的实际制造精度。 （２）轴承与轴、孔选用间隙较大、精度较高 的配合，所形成的公差范围小，更能保证性能。 例女Ⅱｑｂｌ００Ｈ６／ｋ５（一０．０１８，＋０．０１９）与 ｃｂｌ００Ｈ７／ｍ６（一０．０３５，＋０．０２２）比较，前者的
胀间隙（调心轴承）。 ４．３考虑辊子的装拆 辊子装配的芯轴经过长时间工作，作用力和 受热产生的变形可能一部分通过蠕变而成为永久
尺寸系列，甚至不同类型的轴承。长轴的阶段数
越多，产生尺寸和形位误差的环节越多，对解除
多余约束不利；同时也必须增加定距环节，轴向 误差及其积累随之增加，所以应力求减少阶段数
和轴向定位环节。 ３．５拆装工艺
轴上零件（特别是辊套）的温度高，伸长量
大，轴的温度低伸长量小，由于两端封闭长度相
等，轴上零件受压缩力，轴受拉伸力。收缩量与
拉伸量因刚度不同而不相等，但是受力是互相平 衡的。变形协调方程为 最－ＡＬｌ＝ＺｌＬ２＋岛 （３）
公差带只是后者公差带的一部分。 对轴及轴上零件的尺寸公差、配合公差、形 位公差采用可能达到的较高精度级别也是控制装
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｓｅｇｍｅｎｔ ｍｉｌｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｌａｂ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｃａｓｔｅｒ ｃａｎ
ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ：ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｐｉｎｄｌｅ
ｐａｐｅｒ ｏｆ
ａｎｄ ｓｐｌｉｔ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｔｔｒｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ
机区，最后变成合格的板坯。在此过程中，辊子
况下，任何一个辊子的失效都会使连铸生产中 断，造成巨大的经济损失。所以，要求辊子部件
具有足够的可靠性和使用寿命，易于拆装，维修
周期短。
本文就辊子结构设计、拆装的有关问题进行
探讨，通过对三种结构形式的辊子的分析、比较
和研究，提出可以有效提高辊子使用性能、可靠 性和寿命的方法。
大宽度板坯时留有１００ ｍｉｌｌ左右的余量。在辊列 计算中已确定了辊子分段和驱动辊的配置．因此 辊子的支撑距离、轴承座位置也随之确定。辊子
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结构形式一般分三种：
或分段组合结构，直径２００ Ｉｎｔｏ以下的自由辊多 采用芯轴结构。就三种结构形式的自由辊比较， 芯轴式结构简单、辊套无多余约束、转动自由、 制造工艺性好、拆装维修方便。
（１）几段辊套用键与一根芯轴连接，轴承安
装在支点上。在力学上属于静不定结构，称为静 不定转轴结构辊子，如图１ａ所示； （２）轴承安装在辊套内部，轴固定安装在数
个支撑上，在力学上各段辊套是具有局部自由度 的构件，在钢坯推动下旋转时是静定的，称芯轴
结构辊子。如图１ｂ所示；
３静不定转轴结构辊子
３．１
静不定转轴结构的机构学特征
但是实际上轴和轴上零件（定距环、轴套、
轴承内环以及辊套）通过轴端挡板或螺母组成了 互相限制伸长的封闭链，虽然双方受热的温度不
相等，受力部分的刚度不同，伸缩量不同，但
是最后双方在封闭区内的长度必须相同。这就 是辊子轴向尺寸链的协调条件。求解这个条件
合面应该考虑润滑。
３．４阶梯轴设计
方程式可以较为合理地确定辊子装配的轴向尺
小等。
变形，虽然是间隙配合也不一定能轻松取出，要 借助于拆装台。轴承装于辊套内，对于ＣＡＢＲ轴 承和滚针轴承又不能通过内环拉出，所以在两个 轴承内圈之间的定距环就要担当推出轴承的任 务，为此在其两端设计轴肩。为了不妨碍外圈转 动，轴肩缩进小于轴向游隙的距离，该定距环的 两头各钻四个径向推孔以借助专用工具推出
表面始终与红热的钢坯直接接触，热量传遍整个 辊子部件，使其承受着很高的热负荷。同时，由 于喷水冷却和辊子转动使这种热负荷是交变的，
会造成严重的热疲劳。浇铸过程中的鼓肚力、重 拉坯力使辊子轴颈要承受很高的机械应力；还有 水和蒸汽的腐蚀磨损。且受板坯宽度制约，扇形 段辊子均为细长件，受力条件较差。在这样的工
式中，△￡为零件受拉压力作用的弹性变形量；Ｐ 为拉压作用力；Ｌ。为参与变形的原始长度，在 此为受热膨胀后能参与机械变形的长度；Ｅ为材
大的附加支反力和力矩。选用具有空间转角补 偿能力的调心滚子轴承（转角补偿达１。）和 ＣＡＲＢ轴承（转角补偿达０．５。）能满足这一要 求；不宜选用没有转角补偿的圆柱滚子轴承和
ｍｉｌｅｒ ｋｎｏｃｋｅｄ—ｄｏｗｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ
ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｃａｓｔｅｒ；ｒｏｌｌｅｒ；ｓｅｇｍｅｎｔ
１前言
一流板坯连铸机从结晶器足辊到水平段辊子 大约有３００—４００个辊子（包括在线的、维修的和 备用的）。连铸机依靠辊子把结晶器内形成的、 具有一定厚度坯壳的板坯，按设定的曲线拉出主
板坯连铸机辊列中的驱动辊、辊套与轴用键 连接的自由辊属于静不定转轴结构。设辊子分为
ｎ段，则辊子的支撑数为ｎ＋１。通轴和与其固联
（３）每根辊子分别支撑在两个轴承座上，在 力学上属于静定结构，称为分段组合结构，如图
１Ｃ所示。
的辊套组成一个运动构件，该构件与机架组成只 有一个运动构件的平面运动机构。其机构自由
（１）正确装配情况下转轴（辊子构件）与轴 承座之间唯一的径向间隙是轴承的径向游隙，在
（ｃ）
实际中的径向游隙受三种因素制约，即轴承的制
造游隙；内环与轴、外环与轴承座孔配ห้องสมุดไป่ตู้松紧；
图１三种结构形式辊子 （ａ）静不定转轴结构（ｂ）芯轴结构（ｃ）分段组合结构
旋转部分与静止部分的热膨胀。为使辊子正常工 作，要求三种影响因素综合作用，其形成的间隙 除了补偿制造的同轴度误差外，还能提供轴承合
只有当转动副数Ｐ：＝ｌ时辊子才是静定的，
才能得到唯一确定的旋转运动。
静不定转轴结构在机构学上的特征是转轴旋 转只有一个转动副，其他ｎ个转动副都对辊子构 成多余约束，可能妨碍辊子构件的转动。只有当
ｎ个转动副成为虚约束时，辊子才能自由转动。 ３．２解除静不定转轴的多余约束
因为只有一个运动的构件不能从机构学上解 除多余的约束，而只能通过调整装配间隙来改变 约束。静不定转轴属多点支撑辊子，轴承选择、 轴承精度及轴承座与辊子的配合间隙都有可能给 辊子转动构成约束。因此，应从三个方面来解除 多余约束。
２辊子结构
辊列中各辊子的直径是根据辊子材料的许用 应力、钢水的鼓肚力、铸坯对辊子的压力、辊子
间距等在辊列计算中确定的，其规律是从结晶器
足辊到水平辊分段逐渐加大，一般从西１００一
咖３００
ｍｍ不等。辊子的工作长度考虑在浇铸最
收稿日期：２００８一０７—２０；修订日期：２００８—０９一０１ 作者简介：蒋军（１９７０一），男，中国重型机械研究院高级工 程师。
各段辊套与轴通过键连接传递扭矩，过长的 键往往因为形位误差，键的变形而使装、拆困 难。建议对联结键进行强度计算，不宜无谓加
长，键的位置应该考虑装配工艺，不要一味地放
在辊套中部，而以最后装入，最先退出为好。 板坯连铸机的辊子是满负荷连续运转的设 备，为了保证铸机的正常运转，必须对离线受损 辊子进行快速维修，其中辊子的拆装是最大的难 题，所以在设计辊子装配时考虑使用专用设备进 行辊子解体和组装的要求。如承受和施加拆装力 的结构和位置、装入和退出的尺寸空间及力的大
寸链。
为了装配方便，多支撑转轴通常设计成阶梯 轴，中间直径大，向两端依次减小。但是因为轴
承内径尺寸间隔是１０ ｍｍ，为了满足辊子装配的
３．３．２变形协调方程及其求解
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径向尺寸要求，有时要采取加轴套，或选用不同
配合还要紧一些，内环与轴温差不大，且适当的 周向游动对轴承的寿命有利。所以外环可采用过 盈配合Ｐ６，轴可采用间隙配合ｆｉ５。 计算辊套的热膨胀量，检查所选滚动轴承在 既定的结构设计条件下是否能够补偿（ＣＡＢＲ轴 承、滚针轴承外环在辊套上，内环在轴上是分别 定位的）辊套轴向尺寸变量，或者设置足够的膨
各辊套端面到轴承座端面的膨胀间隙，以及各轴
按式（２）算出８＝７．５ ｎｌｌｎ。即如果不加限制，从
固定端到自由端轴承座逐渐增加伸长量，直到
７．５ ｍｉｎｏ
承外环的轴向移动补偿量，这是静不定转轴确定 轴向尺寸链的主要因素。 （２）因为Ｘ。≠Ｘ２，说明轴与轴上零件的配
合面上存在着相对滑动，配合不宜过紧。由于温 度的波动，封闭系统不停地调整着平衡，配合面 上的滑动磨损（微动磨损）在不停地进行着，配
度为 Ｗ＝３一（２・Ｐ￡＋２・Ｐ：＋ｌ・Ｐ＾） （１）
式中，肜为机构自由度；３为一个运动构件在平
面运动中的自由度数；Ｐ。为滑动运动副数，Ｐ。
＝０；只为转动运动副数，如滑动轴承、圆柱辊 子轴承、滚针轴承、调心滚子轴承等；Ｐ。为只 有一个约束的支撑，如点、线接触，此处＾＝０。
将式（１）简化 Ｗ＝３—２・只
滚针轴承。 ３．３轴向尺寸链确定 ３．３．１确定轴向尺寸链的理论根据
料的拉压弹性模量；Ａ为零件的横截面积。 式（３）所示变形协调条件表示成力平衡的形
式为
Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ
即轴上零件因温度高热膨胀量大所受压缩力
与轴因热膨胀小而受的拉伸力互相平衡。
将辊子装配的参数代入式（３）、式（４）经整 理后得到双方自由端的最大伸长（移动）量。
配后同轴度的有效手段。
式中，８，、如分别为轴上零件和轴在稳定工作温 度下的热膨胀量，用式（２）计算；ＺｌＬｈ△￡：分别 为轴上零件和轴因受机械力作用产生的拉压变
形量。 ＡＬ＝Ｐ・Ｌ＾／（Ｅ・Ａ） （４）
（３）多余约束使通轴在转动时被迫产生弹性 变形而挠曲，因此需通过各支点的轴承提供转
角补偿来适应这种弹性变形，才不至于产生过
轴承。
４芯轴式结构辊子设计
４．１
５分段组合辊子设计
５．１
芯轴式结构辊子的机构学特征
分段组合辊子的机构学特征
当各段辊套用滚针轴承支撑时芯轴式结构辊 子属于平面运动机构，其运动自由度按式（１）计 算。当辊套用ＣＡＲＢ轴承支撑时，其运动自由度 按单封闭空间机构计算。即
重型机械
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板坯连铸机扇形段辊子设计的研究
蒋 军
（中国重型机械研究院，陕西西安７１００３２）
摘要：常规板坯连铸机扇形段辊子装配按其结构分为静不定结构辊子、芯轴结构辊子、分段组 合辊子。本文对这三种形式的辊子做了结构分析，提出了在设计中应注意的问题及计算方法。同时， 针对辊子要易于拆卸的特殊要求，提出了辊子拆装阻力的计算方法。 关键词：板坯连铸机；辊子；扇形段 中围分类号：ＴＦ３４１．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—１９６Ｘ（２００８）０５—００２９—０５
扇形段的静不定转轴结构辊子装配，无论是
驱动辊还是自由辊都是一端固定一端游动的形
式。轴受热伸长的热膨胀量可以按线膨胀计算。
８＝ｑｚ・Ｌ・Ａｔ
（２）
式中，艿为受热膨胀的伸长量；ａ，为钢材的线膨 胀系数，在２０—４００℃范围内碳钢为（１２．９— １３．９）ｘ １０“℃～，铬钢为１３×１０“ｏｃ～，￡为 轴受热的长度；Ａｔ为受热的温升，℃。
耻¨器糕（５）
Ｘ２＝８２＋Ｘ１
（６）
式中，。五为轴上零件自由端的最大伸长（移动） 量；Ｘ２为轴自由端的最大伸长（移动）量；Ｌ。、Ｌ２
分别为轴上零件和轴的长度。
例如板坯宽２
响的辊子长度为２
０００ ３００
ｍｍ的驱动辊受热膨胀影 ｍｉｌｌ左右，设温升２５０
ｏＣ，
（１）将置按从固定端开始到各轴承座之间 的距离（辊套累加长度）进行分配，就可以得到
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｓｅｇｍｅｎｔ ｒｏｌｌｅｒｓ ｏｆ ｓｌａｂ ｃａｓｔｅｒ ⅡＡＮＧ Ｊｕｎ （Ｃｈｉｎａ
Ｈｅａｖｙ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，）【ｉ铀７１００３２，Ｃｈｉｎａ）
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ｔｏ
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ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ
ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｔｏ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｅｒｓ，ａｎｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｎｅｅｄｓ
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ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｑｕｌｒｅｍｅｎＬｓ ｔｈａｔ ｒｏｌｌｅｒ ｉｓ
理的运动间隙。因此在选用滚动轴承的径向游隙
板坯连铸机中驱动辊均采用静不定转轴结
构；直径２００ ｉｎｌｎ以上的自由辊采用静不定结构
万 方数据
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・３１・
时要综合考虑该辊子所处位置的受热情况及制造
厂所能达到的实际制造精度。 （２）轴承与轴、孔选用间隙较大、精度较高 的配合，所形成的公差范围小，更能保证性能。 例女Ⅱｑｂｌ００Ｈ６／ｋ５（一０．０１８，＋０．０１９）与 ｃｂｌ００Ｈ７／ｍ６（一０．０３５，＋０．０２２）比较，前者的
胀间隙（调心轴承）。 ４．３考虑辊子的装拆 辊子装配的芯轴经过长时间工作，作用力和 受热产生的变形可能一部分通过蠕变而成为永久
尺寸系列，甚至不同类型的轴承。长轴的阶段数
越多，产生尺寸和形位误差的环节越多，对解除
多余约束不利；同时也必须增加定距环节，轴向 误差及其积累随之增加，所以应力求减少阶段数
和轴向定位环节。 ３．５拆装工艺
轴上零件（特别是辊套）的温度高，伸长量
大，轴的温度低伸长量小，由于两端封闭长度相
等，轴上零件受压缩力，轴受拉伸力。收缩量与
拉伸量因刚度不同而不相等，但是受力是互相平 衡的。变形协调方程为 最－ＡＬｌ＝ＺｌＬ２＋岛 （３）
公差带只是后者公差带的一部分。 对轴及轴上零件的尺寸公差、配合公差、形 位公差采用可能达到的较高精度级别也是控制装
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｓｅｇｍｅｎｔ ｍｉｌｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｌａｂ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｃａｓｔｅｒ ｃａｎ
ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ：ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｐｉｎｄｌｅ
ｐａｐｅｒ ｏｆ
ａｎｄ ｓｐｌｉｔ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｔｔｒｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ
机区，最后变成合格的板坯。在此过程中，辊子
况下，任何一个辊子的失效都会使连铸生产中 断，造成巨大的经济损失。所以，要求辊子部件
具有足够的可靠性和使用寿命，易于拆装，维修
周期短。
本文就辊子结构设计、拆装的有关问题进行
探讨，通过对三种结构形式的辊子的分析、比较
和研究，提出可以有效提高辊子使用性能、可靠 性和寿命的方法。
大宽度板坯时留有１００ ｍｉｌｌ左右的余量。在辊列 计算中已确定了辊子分段和驱动辊的配置．因此 辊子的支撑距离、轴承座位置也随之确定。辊子
万 方数据
・３０・
重型机械
２００８ Ｎｏ．５
结构形式一般分三种：
或分段组合结构，直径２００ Ｉｎｔｏ以下的自由辊多 采用芯轴结构。就三种结构形式的自由辊比较， 芯轴式结构简单、辊套无多余约束、转动自由、 制造工艺性好、拆装维修方便。
（１）几段辊套用键与一根芯轴连接，轴承安
装在支点上。在力学上属于静不定结构，称为静 不定转轴结构辊子，如图１ａ所示； （２）轴承安装在辊套内部，轴固定安装在数
个支撑上，在力学上各段辊套是具有局部自由度 的构件，在钢坯推动下旋转时是静定的，称芯轴
结构辊子。如图１ｂ所示；
３静不定转轴结构辊子
３．１
静不定转轴结构的机构学特征
但是实际上轴和轴上零件（定距环、轴套、
轴承内环以及辊套）通过轴端挡板或螺母组成了 互相限制伸长的封闭链，虽然双方受热的温度不
相等，受力部分的刚度不同，伸缩量不同，但
是最后双方在封闭区内的长度必须相同。这就 是辊子轴向尺寸链的协调条件。求解这个条件
合面应该考虑润滑。
３．４阶梯轴设计
方程式可以较为合理地确定辊子装配的轴向尺
小等。
变形，虽然是间隙配合也不一定能轻松取出，要 借助于拆装台。轴承装于辊套内，对于ＣＡＢＲ轴 承和滚针轴承又不能通过内环拉出，所以在两个 轴承内圈之间的定距环就要担当推出轴承的任 务，为此在其两端设计轴肩。为了不妨碍外圈转 动，轴肩缩进小于轴向游隙的距离，该定距环的 两头各钻四个径向推孔以借助专用工具推出
表面始终与红热的钢坯直接接触，热量传遍整个 辊子部件，使其承受着很高的热负荷。同时，由 于喷水冷却和辊子转动使这种热负荷是交变的，
会造成严重的热疲劳。浇铸过程中的鼓肚力、重 拉坯力使辊子轴颈要承受很高的机械应力；还有 水和蒸汽的腐蚀磨损。且受板坯宽度制约，扇形 段辊子均为细长件，受力条件较差。在这样的工
式中，△￡为零件受拉压力作用的弹性变形量；Ｐ 为拉压作用力；Ｌ。为参与变形的原始长度，在 此为受热膨胀后能参与机械变形的长度；Ｅ为材
大的附加支反力和力矩。选用具有空间转角补 偿能力的调心滚子轴承（转角补偿达１。）和 ＣＡＲＢ轴承（转角补偿达０．５。）能满足这一要 求；不宜选用没有转角补偿的圆柱滚子轴承和
ｍｉｌｅｒ ｋｎｏｃｋｅｄ—ｄｏｗｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ
ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｃａｓｔｅｒ；ｒｏｌｌｅｒ；ｓｅｇｍｅｎｔ
１前言
一流板坯连铸机从结晶器足辊到水平段辊子 大约有３００—４００个辊子（包括在线的、维修的和 备用的）。连铸机依靠辊子把结晶器内形成的、 具有一定厚度坯壳的板坯，按设定的曲线拉出主
板坯连铸机辊列中的驱动辊、辊套与轴用键 连接的自由辊属于静不定转轴结构。设辊子分为
ｎ段，则辊子的支撑数为ｎ＋１。通轴和与其固联
（３）每根辊子分别支撑在两个轴承座上，在 力学上属于静定结构，称为分段组合结构，如图
１Ｃ所示。
的辊套组成一个运动构件，该构件与机架组成只 有一个运动构件的平面运动机构。其机构自由
（１）正确装配情况下转轴（辊子构件）与轴 承座之间唯一的径向间隙是轴承的径向游隙，在
（ｃ）
实际中的径向游隙受三种因素制约，即轴承的制
造游隙；内环与轴、外环与轴承座孔配ห้องสมุดไป่ตู้松紧；
图１三种结构形式辊子 （ａ）静不定转轴结构（ｂ）芯轴结构（ｃ）分段组合结构
旋转部分与静止部分的热膨胀。为使辊子正常工 作，要求三种影响因素综合作用，其形成的间隙 除了补偿制造的同轴度误差外，还能提供轴承合
只有当转动副数Ｐ：＝ｌ时辊子才是静定的，
才能得到唯一确定的旋转运动。
静不定转轴结构在机构学上的特征是转轴旋 转只有一个转动副，其他ｎ个转动副都对辊子构 成多余约束，可能妨碍辊子构件的转动。只有当
ｎ个转动副成为虚约束时，辊子才能自由转动。 ３．２解除静不定转轴的多余约束
因为只有一个运动的构件不能从机构学上解 除多余的约束，而只能通过调整装配间隙来改变 约束。静不定转轴属多点支撑辊子，轴承选择、 轴承精度及轴承座与辊子的配合间隙都有可能给 辊子转动构成约束。因此，应从三个方面来解除 多余约束。
２辊子结构
辊列中各辊子的直径是根据辊子材料的许用 应力、钢水的鼓肚力、铸坯对辊子的压力、辊子
间距等在辊列计算中确定的，其规律是从结晶器
足辊到水平辊分段逐渐加大，一般从西１００一
咖３００
ｍｍ不等。辊子的工作长度考虑在浇铸最
收稿日期：２００８一０７—２０；修订日期：２００８—０９一０１ 作者简介：蒋军（１９７０一），男，中国重型机械研究院高级工 程师。
各段辊套与轴通过键连接传递扭矩，过长的 键往往因为形位误差，键的变形而使装、拆困 难。建议对联结键进行强度计算，不宜无谓加
长，键的位置应该考虑装配工艺，不要一味地放
在辊套中部，而以最后装入，最先退出为好。 板坯连铸机的辊子是满负荷连续运转的设 备，为了保证铸机的正常运转，必须对离线受损 辊子进行快速维修，其中辊子的拆装是最大的难 题，所以在设计辊子装配时考虑使用专用设备进 行辊子解体和组装的要求。如承受和施加拆装力 的结构和位置、装入和退出的尺寸空间及力的大
寸链。
为了装配方便，多支撑转轴通常设计成阶梯 轴，中间直径大，向两端依次减小。但是因为轴
承内径尺寸间隔是１０ ｍｍ，为了满足辊子装配的
３．３．２变形协调方程及其求解
万 方数据
・３２・
重型机械
２００８ Ｎｏ．５
径向尺寸要求，有时要采取加轴套，或选用不同
配合还要紧一些，内环与轴温差不大，且适当的 周向游动对轴承的寿命有利。所以外环可采用过 盈配合Ｐ６，轴可采用间隙配合ｆｉ５。 计算辊套的热膨胀量，检查所选滚动轴承在 既定的结构设计条件下是否能够补偿（ＣＡＢＲ轴 承、滚针轴承外环在辊套上，内环在轴上是分别 定位的）辊套轴向尺寸变量，或者设置足够的膨
各辊套端面到轴承座端面的膨胀间隙，以及各轴
按式（２）算出８＝７．５ ｎｌｌｎ。即如果不加限制，从
固定端到自由端轴承座逐渐增加伸长量，直到
７．５ ｍｉｎｏ
承外环的轴向移动补偿量，这是静不定转轴确定 轴向尺寸链的主要因素。 （２）因为Ｘ。≠Ｘ２，说明轴与轴上零件的配
合面上存在着相对滑动，配合不宜过紧。由于温 度的波动，封闭系统不停地调整着平衡，配合面 上的滑动磨损（微动磨损）在不停地进行着，配
度为 Ｗ＝３一（２・Ｐ￡＋２・Ｐ：＋ｌ・Ｐ＾） （１）
式中，肜为机构自由度；３为一个运动构件在平
面运动中的自由度数；Ｐ。为滑动运动副数，Ｐ。
＝０；只为转动运动副数，如滑动轴承、圆柱辊 子轴承、滚针轴承、调心滚子轴承等；Ｐ。为只 有一个约束的支撑，如点、线接触，此处＾＝０。
将式（１）简化 Ｗ＝３—２・只
滚针轴承。 ３．３轴向尺寸链确定 ３．３．１确定轴向尺寸链的理论根据
料的拉压弹性模量；Ａ为零件的横截面积。 式（３）所示变形协调条件表示成力平衡的形
式为
Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ
即轴上零件因温度高热膨胀量大所受压缩力
与轴因热膨胀小而受的拉伸力互相平衡。
将辊子装配的参数代入式（３）、式（４）经整 理后得到双方自由端的最大伸长（移动）量。
配后同轴度的有效手段。
式中，８，、如分别为轴上零件和轴在稳定工作温 度下的热膨胀量，用式（２）计算；ＺｌＬｈ△￡：分别 为轴上零件和轴因受机械力作用产生的拉压变
形量。 ＡＬ＝Ｐ・Ｌ＾／（Ｅ・Ａ） （４）
（３）多余约束使通轴在转动时被迫产生弹性 变形而挠曲，因此需通过各支点的轴承提供转
角补偿来适应这种弹性变形，才不至于产生过
轴承。
４芯轴式结构辊子设计
４．１
５分段组合辊子设计
５．１
芯轴式结构辊子的机构学特征
分段组合辊子的机构学特征
当各段辊套用滚针轴承支撑时芯轴式结构辊 子属于平面运动机构，其运动自由度按式（１）计 算。当辊套用ＣＡＲＢ轴承支撑时，其运动自由度 按单封闭空间机构计算。即