3轧辊与轧辊轴承

（“无限”一词源于英文“indefinite”,原意为“不明确”，指激冷层在断开上无明显界限 被
误译为“无限”，现已沿用成习。）
ü采用衬砂金属型并继续提高碳当量可得粗麻口组织的轧辊，称半 冷硬铸铁轧辊。
ü所有上述品种的组织凡石墨称球状的，称球墨铸铁轧辊。 20
Ø 钢轧辊
钢轧辊有铸钢和锻钢之分。钢轧辊的优点是强度高、韧性好、 咬入能力强。其缺点是硬度一般较铸铁轧辊低，可加入Cr、V、 Mo等合金元素。 ü合金锻钢
重点与难点：
轧辊强度校核
2
3.1 轧辊的工作特点及其工艺要求 3.1.1 轧辊所受载荷 ① 机械载荷
轧制压力P越大，转矩越大，则轧辊上弯曲应力、传动 辊上的扭转应力、辊面间的接触应力也越大；同时，在轧 件咬入瞬间及轧制过程中速度的变化会引起动负荷，导致 轧辊上的应力变化。
3
② 摩擦 辊身表面与轧件之间由于变形区中的前后
Leabharlann Baidu22
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3.3 轧辊的强度计算 ① 轧辊强度效核的必要性
ü 设计不合理，强度不合理，额定载荷下断裂； ü 材质选用不合理，热处理工艺不合理，加工工艺不合理； ü 生产中使用不当，如轧低温钢、断冷却水、压下规程不
合理造成轧制压力过大； ü 辊面剥落：接触应力过大、疲劳一需进行接触应力效核。
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② 轧辊强度效核的一般形式
或多线轧制）；
ü 轧辊上工作辊径可能不等；
ü 多机架轧制时，须正确判断危险机座及该机座中危险轧
辊的危险点，有时辊身、辊颈、辊头的危险点可能不
在同一个轧辊上。
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② 型钢轧辊的受力分析及内力图
图3-3 型材轧辊的受力及内力图
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3.3.1.1 辊身强度效核
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3.3.1.2 辊颈强度效核
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Ø 铸铁轧辊
铸铁轧辊突出的优点是硬度高、耐磨性好、表面光滑、制造 方法简便、成本低。其缺点是质脆、强度低、耐冲击性能差。 ü工作层因金属型的激冷作用呈白口组织（基体+碳化物）的轧辊 称冷硬铸铁轧辊； ü铸铁轧辊用上述方法，但适当提高铁水碳当量而得到麻口层组织 （基体+碳化物+石墨）的轧辊称无限冷硬铸铁轧辊。
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3-8-2 轧辊尺寸结构 图
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(2) 四辊轧机辊系受力分析图
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(3) 工作辊、支持辊受力图及内力图 a-工作辊；b-支持辊
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解：
1）支承辊强度计算：支承辊受力如图(3)b所示． 辊身中央处承受最大弯矩：
辊身中央的弯曲应力：
辊颈危险断面的应力：
辊颈处强度基本满足要求，辊身强度足够。
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3.2.2.4 辊头
辊头尺寸根据连接轴的型式确定。如万向接轴的辊头呈扁头形状。
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3.2.3 轧辊的材质选择
① 材质要求
轧辊辊面硬度高、韧性好、耐热龟裂性好，以保证抗弯强度、 接触强度所需的机械性能及轧材表面加工质量和轧辊的耐磨性能。
② 类型和特点
轧辊按其材质不同可分为铸铁轧辊(2.5%—3.5% ），半钢轧辊 (含碳量1.5%以上），钢轧辊(含碳量0.8%以上）三种类型。
工作辊辊身长度可用下式确定：
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板带材轧机的辊身长度的确定，一般应和轧辊直径一起考虑。
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3.2.2.3 辊颈
辊颈直径d、辊颈长度 l、辊颈与辊身过度圆弧半径r与轧辊轴承形式
及工作载荷有关，并应综合考虑轧辊辊颈的强度和轧辊轴承的寿命。由 于受轧辊轴承径向尺寸的限制，辊颈直径比辊身直径小得多。辊颈与辊 身交界处，往往是轧辊强度薄弱处，所以只要条件允许，辊颈直径应选 大些。
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3.3.2.1 辊身强度校核
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3.3.2.2 辊颈强度效核
3.3.2.3 辊头强度校核
同型材轧辊辊头强度校核方法
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3.3.3 四辊板带轧机的轧辊强度校核
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3.3.3.1 工作辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核
图3-6-1 四辊轧机辊系受力分析图
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图3-6 工作辊驱动四辊板带轧机轧辊受力图及内力图 a-工作辊；b-支持辊
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3.3.1.3 辊头强度效核
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梅花形辊头
型钢轧辊的辊头通常是梅花形结构，它只受扭矩的作用。对一般结构的梅花头， 当d2=0.66d1时，最大扭转应力产生在梅花头的槽底部位，其值为：
Wn 0.07d13
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3.3.2 二辊板带轧机的轧辊强度效核
图3-5 二辊板带轧机受力分析及内力图
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3.2.2 轧辊的参数 3.2.2.1 辊身直径
在轧机设计中，确定轧辊最佳直径应考虑以下几个方面的因素：
① 咬入条件
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② 轧辊的强度和刚度条件
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③ 最小可轧厚度
④热平衡条件
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3.2.2.2 辊身长度
① 对于型材轧机，辊身长度主要取决于孔型配置的数目及辊身强度 ② 板带材轧机轧辊的辊身长度应与所轧板带材最大宽度相适应。
轧制生产对轧辊的基本要求包括工艺、寿命要求。
① 工艺要求 合理的结构、尺寸、材质—以保证成品的尺寸精度、
表面质量及产量。 ② 寿命要求 工作时间适当—轧辊需要一定的强韧性、耐磨性、
耐热性及耐剥落性； 材质特性值—机械性能和硬度。
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总的来看，轧制生产对轧辊的基本要求可归纳为对轧辊 的结构、尺寸的确定，对轧辊材质、制造方法的选择，对 轧辊强度、刚度的校核。
图3-8-1 轧辊受力图及内力图
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例题2
由支承辊驱动的四辊冷带轧机如图3-8-2所示。工作 辊辊身直径D1=100mm, 工作辊辊颈直径d1=65mm， 支承辊辊身直径D2＝400mm，支承辊辊颈直径d2＝ 220mm, 辊身长度L＝500mm,轧件宽度b＝400mm。 轧制压力P＝1950kN, 驱动支承辊的力矩Mn＝23kN.m． 轧辊材料为合金锻钢，许用应力[σ]=160MPa。验算轧 辊强度（不考虑辊头强度校核）。
6
② 辊面剥落 轧辊受到循环接触应力交替作用表面产生掉块形成凹 坑。
③ 折断 过大轧制压力产生的机械应力是断辊的主要原因；
铸造时的残余应力一般不至于断辊。轧制时如冷却水 足够，单纯的热应力不至于断辊，但由此产生的细小 的裂纹扩展，形成应力集中源加上一定的机械负荷作 用或断水可能致断辊。
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3.1.3 轧制生产对轧辊的要求
滑、轧件咬入打滑或卡钢造成相对运动，而造 成轧辊表面剧烈摩擦。
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③ 热负荷 热轧时轧辊辊身受轧件高温及冷却水交替作用，
产生的热循环应力；冷轧时由于轧件变形热效 应，轧辊表层也产生热循环应力。
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3.1.2 轧辊的主要失效形式 ① 磨损
磨损达到一定辊次（反复车削，辊身表层硬度丧失， 强度削弱而报废。 辊耗：每轧一吨钢所消耗的轧辊重量，包括固定消耗 与意外事故造成的消耗。 重车率：全部重车量与轧辊名义直径的百分比。
j
b
n
式中， j -计算的危险截面应力；
n-安全系数，大或等于5，是轧钢机中最小的安全系数， 体现了轧辊铸造缺陷、温度应力、应力集中、冲击负
荷等因素的影响。
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3.3.1 型材轧机轧辊强度效核
① 型钢轧辊承受的载荷特点
ü 轧制压力可简化为集中载荷，因轧件宽度远远小于辊面
宽度；
ü 轧辊上可能承受多个集中载荷（三辊轧机交叉轧制时
热轧轧辊：55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo 冷轧轧辊：9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV ü 合金铸钢 随着电熔渣技术的发展，合金铸钢轧辊的质量在逐渐提高 ü 高速钢、半高速钢轧辊广泛应用 抗热裂性，耐磨性及红硬可大大延长轧辊寿命，提高轧材质量
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Ø 半钢轧辊
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⑴工作辊强度效核
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⑵ 支持辊强度效核
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3.3.3.2 支持辊驱动四辊板带轧机轧辊强度校核
图3-7-2 四辊轧机辊系受力分析图
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图3-7 工作辊、支持辊受力图及内力图 a-工作辊；b-支持辊
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⑴ 工作辊强度效核
⑵支持辊强度效核
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3.3.3.3 四辊轧机轧辊接触应力计算
⑴ 半径方向的法向正应力
图 3-11确定 f 2s 时所用的计算图
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3.4.2.2 工作辊的挠曲变形
图 3-12 确定 f 1s 时所用的计算图
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3.4.2.3 轧辊间中部与边部压力差 Δq的确定
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3.5 轧辊专用轴承
3.5.1 轧辊轴承工作特点及其类型
3.5.1.1 轧辊轴承的工作特点 ü负荷大，径向尺寸受限制 ü轧辊轴承承受的热许用值高 ü工作温度高， Tmax＝300-400 ℃ ü工作环境恶劣（水、油、乳化液 、铁皮、灰尘）
其含碳量介于介于铸钢与铸铁之间-过共析钢组织，兼有铸钢 强度、耐热龟裂性及铸铁耐磨性, 半钢轧辊是近年来出现的新型 轧辊材质。
Ø 复合式锻钢轧辊
近年来, 出现采用镶辊套的复合式锻钢轧辊, 如热轧支持辊辊 套采用8CrMoV或8Mn2MoV制作，心轴用37SiMn2MoV等材料 制作；冷轧支持辊辊套采用9Cr、9Cr2、9CrV、9Cr2W等制作， 心轴用55CrMn、55Cr、35CrNiW等材料制作。
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3.4 轧辊的扰度计算
3.4.1 二辊板带轧机轧辊扰度的计算
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3.4.1.1 辊身中央断面总弯曲扰度的计算
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3.4.1.2 辊身中央与板边缘扰度差值的计算
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3.4.1.3 辊身中央与辊身边缘扰度差值的计算
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3.4.2 四辊板带轧机轧辊扰度的计算
3.4.2.1 支持辊的挠曲变形
M5=59kN.m，忽略摩擦力矩。 4) 轧辊有关尺寸见图3-8-1所示。其中各道次的辊身工
作直径为：D13=340mm、D9=384mm、D5=425mm。 轧辊辊颈直径d=300mm，轧辊梅花头外径d1=280m, 辊颈长度为l＝300mm；
5）轧辊右侧为传动端；
6）轧辊村质为铸钢，其强度极限为σb=500～600 M5P1 a。
② 辊头
传动连接或吊装部分，其形状由连接轴型式确定， 梅花型、 单键型、双键型、万向节型。
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③ 辊颈
支持固定轧辊部分，即安装轴承及轴承座部分。形 状由轴承型式确定，滑动轴承及滚动轴承为圆柱体， 液体摩擦轴承为圆锥形。辊颈、身交界处为应力集中 处应用过度圆弧连接，属于强度薄弱环节。
组合轧辊 -组合轧辊由韧性好的心轴和硬度高的辊套组成， 辊套采用热压方式套在辊心轴上。
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3.2 轧辊的结构形式及材质的选择 3.2.1 轧辊的结构
图3-1 轧辊的结构 a-梅花形的辊头；b-扁头形的辊头；c-带双键形的辊头
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1-辊身；2-辊颈；3-辊头
① 辊身
工作部分 型材轧辊-辊身上刻有各种形状的轧槽 (孔型 ) 板材轧辊-平辊或微凸、微凹型或其它较复杂的曲线 形状（辊型）。
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⑵ 在接触区切应力 τ
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图3-8 轧辊接触应力与深度关系
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3.3.4 轧辊的断裂形式与安全系数 3.3.4.1 轧辊断裂形式
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3.3.4.2 轧辊安全系数
* 影响轧辊实际强度的其它因常素: 轧辊材质的不均匀性；轧制 时冲击负荷、温度应力的作用以及轧辊的疲劳等.
轧辊许用应力： σ σ b
2）工作辊强度计算：工作辊受力如图(3)a所示． 辊身中央处承受弯矩值： 辊身中央的弯曲应力（垂直）：
工作辊承受支承辊沿全长加于其上的水平摩擦力：
辊身中央的水平弯矩：
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辊身中央的水平弯曲应力： 辊身中央的合成弯曲应力：
工作辊辊身中央弯曲应力明显超出许用值，此处为辊系中强度薄弱部位。
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作业
某400双机架冷连轧机组，轧机完全相同，工作辊驱动。已知 生产某种产品时各机架轧制压力分别为P1=170 t，P2=140 t；传 动轧辊的总扭矩分别为Mn1=19 KN.m，Mn2=16 KN.m；工作辊 辊身直径为Φ150 mm, 辊颈直径为Φ110 mm, 辊头直径为Φ100 mm，带双键槽；支持辊辊身直径为Φ450 mm，辊颈直径为 Φ250 mm；压下螺丝中心距为700 mm，工作辊辊颈中心距为 650mm。轧件宽度b=280 mm，轧辊材质为合金锻钢。忽略水平 张力的影响。试校核轧辊强度（要求画出辊系受力图、轧辊受力 图及内力图）。
n
式中 σ b -轧辊抗拉强度。
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例题1
验算Φ500×3三辊型钢开坯机第一机座的下轧辊强度。
已知：
1）按轧制工艺，该辊K13、K9、K5三个道次同对走钢； 2) 各道的轧制压力:P13=1220kN，P9=1050kN，
P5=767kN; 3）各道的轧制力矩：M13=107kN.m， M9=90kN.m，
第三章 轧辊与轧辊轴承
3.1 轧辊的工作特点及其工艺要求 3.2 轧辊的结构形式及材质的选择 3.3 轧辊的强度计算
3.4 轧辊的扰度计算
3.5
轧辊专用轴承
1
基本要求：
了解轧辊的结构形式及材质，了解轧辊轴承类型及其 工作原理；掌握轧辊强度验算方法，能正确选择轧辊材 质，对轧辊及其轴承进行结构选型并提出合理参数。