CN1840253A - 一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊 - Google Patents

Abstract

一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊，包括一对具有反对称辊型曲线的CVC工作辊，上下两个支撑辊，其中，上下支撑辊也是反对称辊型曲线，它们在直径方向沿着辊身长度由四段奇函数组成，还可在以上基础上对辊身两端进行倒角优化，包括优化后的支撑辊辊型曲线可明显提高CVC轧机辊间接触压力分布均匀性，较大地改善CVC轧机支撑辊的接触疲劳与局部磨损，降低支撑辊辊耗，并可延长支撑辊的在机时间。

Description

一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊

技术领域

本发明涉及一种轧机轧辊，更具体地说，系有关一种可配合连续可变凸度(CVC)轧机工作辊辊型曲线的支撑辊。

背景技术

连续可变凸度轧机(CVC轧机)的辊系由支撑辊1和CVC工作辊2组成。长期以来CVC轧机的支撑辊一直采用常规平辊辊型，如图1所示。常规平辊辊型的支撑辊在CVC轧机轧制(相对轧件4)时产生辊间接触压力分布严重不均匀，从而造成支撑辊局部磨损分布严重不均。

在有关专利文献中提出了一种CVC轧机的支撑辊辊型改形的方案，其主要是采用将CVC工作辊2的辊型旋转180°作为支撑辊3的辊型，如图2所示。这种支撑辊辊型只能使窜辊位置在零位时的辊间接触压力分布不均的问题得到某些改善，但窜辊后辊间接触压力分布则会更不均匀。

发明的概述

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷而提供一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的改进型支撑辊，该支撑辊通过对其辊型曲线的修正不仅能改善窜辊位置在零位时辊间接触压力分布不均的问题，而且也能改善在整个窜辊行程范围内的辊间接触压力分布不均的问题。

实现上述目的的技术方案是：一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊，包括一对具有反对称辊型曲线的CVC工作辊，上下两个支撑辊，其中，所述上下支撑辊也是反对称辊型曲线，它们在直径方向沿着辊身长度由四段奇函数组成，包括：

BC段曲线(-s₁＜y≤-s₂)：

在这一区域中，工作辊从负的极限位置(-δ′)移动至正的极限位置(+δ′)时，工作辊最大直径点的轨迹为直线。为使工作辊能左、右移动，支撑辊采用圆柱辊型，直径函数的方程为：

D_s(y)＝D+a₂₁

D_x(y)＝D+a₂₁                                               (1)

s₁＝-δ′+δ″    s₂＝δ′+δ″

其中，D为支撑辊名义直径；

D_s(y)为上支撑辊直径函数；

D_x(y)为下支撑辊直径函数；

δ″为工作辊直径函数取最大值时沿辊身长度的坐标(为负值，此时工作辊的窜辊位置在零位)；

δ′为工作辊窜辊行程

a₂₁根据工作辊的最大直径计算确定的辊型曲线参数。

AB段曲线(-l_s/2≤y≤-s₁)：

对应于这一区域，采用的支撑辊辊型一方面能使工作辊移动至负的极限位置时不发生干涉，另一方面又要使工作辊在不同的移动位置时辊间接触压力分布均匀，因此，根据负的极限位置时的工作辊曲线确定支撑辊辊型，直径函数为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_1)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_1)}^{2n_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_1)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_1)}^{2n_1-1}\·\·\·\left(2\right)$

其中，l_s为支撑辊辊身长度；

2n₁-1为表示支撑辊AB段曲线的多项式的次数，n₁为自然数；

a₁₁...a_1(2n1-1)，δ₁为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，这些参数的值也不同。

CD段曲线(-s₂＜y≤s₃)：

在该区域，工作辊左、右移动时，曲线各点的最大轨迹为工作辊在正的极限位置时的辊型曲线，与AB段曲线的设计原理相同，差别在于由正的极限位置时的工作辊直径函数确定支撑辊辊型曲线，方程为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_3)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_3)}^{2n_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_3)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_3)}^{2n_1-1}\·\·\·\left(3\right)$

其中，s₃由CD段与DE段曲线的交点确定；

δ₃为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，该参数的值也不同，

DE段曲线(s₃＜y≤l_s/2)：

这段曲线，仍然与AB段曲线的设计原理相同，根据负的极限位置时的工作辊曲线确定支撑辊辊型，直径函数为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_4)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_4)}^{2n_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_4)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_4)}^{2n_1-1}\·\·\·\left(4\right)$

其中，δ₄为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，该参数的值也不同。

如以上所述的一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊，其中，所述支撑辊的两端边部的优化曲线，是以上四段曲线组成的支撑辊辊型构成的基本支撑辊辊型基础上对辊身两端进行倒角优化后的支撑辊辊型，一般可用如下幂函数表示。

$D_1\left(y\right)=D\left(y\right)-2a_0{\left(\frac{y-(l_s/2-l_z)}{l_z}\right)}^m\·\·\·\left(5\right)$

其中，D(y)为上述方法确定的基本辊型曲线函数；

D₁(y)为优化后的辊型边部辊型曲线函数；

l_z，a₀为辊身边部倒角长度和高度，根据辊间接触压力分布均匀，同时工作辊与支撑辊全辊身接触的约束条件进行优化计算确定；

m为辊身边部倒角辊型曲线幂函数的次数，为自然数，一般取值为2。

由上可见，为保证负载辊缝的对称性，在本发明中，上下两个支撑辊的辊型与CVC工作辊的辊型一样是反对称的。为使辊间压力分布比较均匀，同时不影响工作辊正、反方向移动，支撑辊直径函数由四段奇函数组成。由于这样的辊型曲线的支撑辊可提高CVC轧机辊间接触压力分布均匀性，从而较大地改善CVC轧机支撑辊的接触疲劳与局部磨损，降低支撑辊辊耗，并可延长支撑辊的在机时间。

附图的简要说明

图1是现有的CVC轧机中采用平辊辊型的支撑辊的示意图；

图2是现有的CVC轧机中采用相对工作辊辊型旋转180°作为支撑辊的示意图；

图3是本发明用于CVC轧机中的配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线及位移曲线设计的上支撑辊辊型曲线示意图；

图4是支撑辊辊身端部倒角曲线分解图；

图5是本发明的上支撑辊辊型曲线示意图；

图6是本发明的上支撑辊辊型曲线与现有CVC轧机中支撑辊辊型曲线的比较图；

图7a、7b和7c分别表示支撑辊不同辊型曲线，工作辊不同窜辊位置(shift)时，支撑辊与工作辊间接触压力分布计算结果所作的分析图；

图8是改进前支撑辊辊型(圆柱辊型)磨损后的形状曲线的示意图；

图9a和图9b分别表示本发明设计的优化上、下支撑辊辊型，使用在F5机架在上机前后的对比一磨损分布的分析图。

具体实施例的详细描述

请参阅图3，图中示出了上支撑辊辊型曲线的设计，横坐标y是以支撑辊辊身长度中心线为原点的辊身长度方向坐标，纵坐标D(y)-D为工作辊(支撑辊)直径与名义直径之差。首先，在图3中可看到，用于本发明的CVC轧机的工作辊的辊型是反对称的，CVC工作辊的辊型曲线可由高次多项式来表示，一般取前三项，即用三次多项式来表示，如式(6)所示：

$\mathrm{Dws}\left(y\right)=D-\frac{3\mathrm{\ΔD}}{4e}(y-\mathrm{\δ})+\frac{\mathrm{\ΔD}}{{4e}^3}{(y-\mathrm{\δ})}^3$

$\mathrm{Dwx}\left(y\right)=D+\frac{3\mathrm{\ΔD}}{4e}(y+\mathrm{\δ})-\frac{\mathrm{\ΔD}}{{4e}^3}{(y+\mathrm{\δ})}^3\·\·\·\left(6\right)$

其中，D为y＝δ时的工作辊直径，即工作辊名义直径；

ΔD为工作辊最大与最小直径之差；

e为工作辊横向移动量；

δ为工作辊极大与极小直径截面距离的一半。

y为以支撑辊辊身长度中心线为原点的辊身长度方向坐标，

在以上各个参数确定后，根据式(6)，可作出工作辊的辊型曲线，在图3中以O线表示，它在轧制时不同窜辊位置时的位移线以O′和O″表示。为保证负载辊缝的对称性，上下两个支撑辊的辊型也应是反对称的。为使辊间压力分布比较均匀，同时不影响工作辊正、反方向移动，支撑辊的辊型曲线是在工作辊的辊型曲线O线基础上由四段奇函数AB、BC、CD和DE组成的支撑辊直径函数。

针对某厂的CVC工作辊辊型曲线，在不同机架上工作辊辊型曲线参数值见以下表1。

                                 表1

F1-F3机架	ΔD，mm1.22378	δ，mm485	e，mm100
				F4-F5机架	ΔD，mm1.02260	δ，mm485	e，mm100

按照CVC工作辊辊型曲线，设计的在不同机架上支撑辊基本辊型曲线的参数值见表2。

                                   表2

F1-F3机架	n12	s1，mm527.5	s2，mm327.5	s3，mm538.2	δ1-42.5
						δ3157.5	δ4-42.5	a11-3.42479×10-4	a134.8532×10-10	a210.110735
	F4-F5机架	n12	s1，mm575.0	s2，mm375.0	s3，mm491.6						δ1-90.0
δ3110.0						δ4-90.0	a11-2.80144×10-4	a133.9699×10-10	a210.09058

根据表中所示参数值，F4-F5支撑辊各段曲线方程如下：

BC段曲线(-575＜y≤-375)：

按照以上直径函数的方程(1)，代入表2中的参数

上支撑辊直径函数：    D_s(y)＝D+0.09058。

下支撑辊直径函数：    D_x(y)＝D+0.09058。

AB段曲线(-1025≤y≤-575)：

按照以上直径函数的方程(2)，代入表2中的参数

上支撑辊直径函数：

D_s(y)＝D-2.80144×10^-4(y+90)+3.9699×10^-10(y+90)³。

下支撑辊直径函数：

D_x(y)＝D+2.80144×10^-4(y-90)-3.9699×10^-10(y-90)³。

CD段曲线(-375＜y≤491.6)：

按照以上直径函数的方程(3)，代入表2中的参数

上支撑辊直径函数：

D_s(y)＝D-2.80144×10^-4(y-110)+3.9699×10^-10(y-110)³。

下支撑辊直径函数：

D_x(y)＝D+2.80144×10^-4(y+110)-3.9699×10^-10(y+110)³。

DE段曲线(491.6＜y≤1025)：

按照以上直径函数的方程(4)，代入表2中的参数，

上支撑辊直径函数：

D_s(y)＝D-2.80144×10^-4(y+90)+3.9699×10^-10(y+90)³。

下支撑辊直径函数：

D_x(y)＝D+2.80144×10^-4(y-90)-3.9699×10^-10(y-90)³。

倒角曲线

请参阅图4，图中示出了在上述在支撑辊基本辊型曲线的基础上辊身端部进一步优化曲线，其参数值见如下表3。

表3

	a0	m	lz
				F1-F3机架F4-F5机架	0.15mm0.14mm	22	100mm100mm

按照以上直径函数的方程(5)，代入表3中所取的各参数，可得到优化后的辊型边部辊型曲线函数：

$D_1\left(y\right)=D\left(y\right)-2\×0.14{\left(\frac{y-(1025-100)}{100}\right)}^2.$

本发明的基本支撑辊辊型和优化后的上支撑辊辊型曲线比较例，如图5所示。在图5中，曲线1表示本发明设计的基本支撑辊辊型曲线；曲线2表示本发明设计的倒角优化后的支撑辊辊型曲线。图中横坐标为以支撑辊辊身端部为原点的辊身长度方向坐标，单位为mm。纵坐标为以支撑辊辊身端部直径为参考点的沿辊身长度方向的直径变化，单位为mm。这表明优化后的支撑辊辊型可促使辊间接触压力分布更均匀。

请参阅图6，为本发明设计的上支撑辊辊型曲线与先前的CVC支撑辊辊型曲线对比图，其中，粗的线表示本发明的支撑辊辊型曲线，细的线表示现有的CVC轧机设计的CVC支撑辊的辊型曲线。

有关原圆柱形辊型、本发明设计的基本支撑辊辊型、优化的支撑辊辊型与工作辊间的接触压力分布关系，分别表示在图7a、7b和7c上。在图中，支撑辊不同辊型曲线，工作辊不同窜辊位置(shift)时，支撑辊与工作辊间接触压力分布是通过计算结果作出的，其中，曲线curve1-对应于支撑辊为普通圆柱辊型时的辊间接触压力分布，曲线curve2-对应于本发明设计的基本支撑辊辊型时的辊间接触压力分布，而曲线curve3-对应于本发明设计的优化支撑辊辊型时的辊间接触压力分布。另外，图中的横坐标y为以支撑辊辊身长度中心线为原点的辊身长度方向坐标，单位是mm，纵坐标q(y)为辊间接触压力，单位是kN。从图中可看到，各曲线的辊间接触压力分布以曲线curve3为最佳(不仅辊身部分接触压力分布较均匀，而且边部接触压力低)，曲线curve1为最差，曲线curve2除辊型边部外其它部分基本接近于曲线30，因此本发明使用优化支撑辊辊型可改善CVC轧机辊间接触压力分布均匀性。

本发明经优化辊型曲线的支撑辊已在宝钢2050热轧精轧机F5机架进行试用，试验结果表明，该支撑辊辊型曲线可改善辊间接触压力分布与支撑辊的局部磨损分布不均，对比分析见图8、图9a和图9b。

改进前支撑辊辊型为圆柱辊型时，上下支撑辊都存在严重的局部磨损，如图8所示。在采用本发明设计的优化支撑辊辊型时，在上机前后辊型对比－磨损分布(F5上支撑辊)，没有出现严重的局部磨损，如图9a和图9b所示。图8中所示为上、下支撑辊圆柱辊型的磨损分布，图9a和图9b中所示为优化辊型磨损前后的形状曲线，而各图中两条磨损曲线间形成的区域反映了总体的磨损分布，后者磨损较小，局部磨损分布较均匀。

Claims (2)

1.一种配合连续可变凸度(CVC)轧机工作辊辊型曲线的支撑辊，包括一对具有反对称辊型曲线的CVC工作辊，上下两个支撑辊，其特征在于，所述上下支撑辊也是反对称辊型曲线，它们在直径方向沿着辊身长度由四段奇函数组成，包括：

BC段曲线(-s₁＜y≤-s₂)：

在这一区域中，工作辊从负的极限位置移动至正的极限位置时，工作辊最大直径点的轨迹为直线，因此支撑辊采用圆柱辊型，直径函数的方程为：

D_s(y)＝D+a₂₁

D_x(y)＝D+a₂₁                            (1)

s₁＝-δ′+δ″    s₂＝δ′+δ″

其中，D为支撑辊名义直径；

D_s(y)为上支撑辊直径函数；

D_x(y)为下支撑辊直径函数；

δ″为工作辊直径函数取最大值时沿辊身长度的坐标，(为负值，此时工作辊的窜辊位置在零位)；

δ′为工作辊窜辊行程

a₂₁根据工作辊的最大直径计算确定的辊型曲线参数；

AB段曲线(-l_s/2≤y≤-s₁)：

对应于这一区域，采用的支撑辊辊型一方面能使工作辊移动至负的极限位置时不发生干涉，另一方面又要使工作辊在不同的移动位置时辊间接触压力分布均匀，因此直径函数为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_1)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_1)}^{{2n}_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_1)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_1)}^{{2n}_1-1}---\left(2\right)$

其中，l_s为支撑辊辊身长度；

2n₁-1为表示支撑辊AB段曲线的多项式的次数，n₁为自然数；

a₁₁…a_1(2n1-1)，δ₁为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，这些参数的值也不同；

CD段曲线(-s₂＜y≤s₃)：

在该区域，工作辊左、右移动时，曲线各点的最大轨迹为工作辊在正的极限位置时的辊型曲线，支撑辊辊型曲线的直径函数方程为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_3)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_3)}^{{2n}_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_3)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_3)}^{{2n}_1-1}---\left(3\right)$

其中，s₃由CD段与DE段曲线的交点确定；

δ₃为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，该参数的值也不同；

DE段曲线(s₃＜y≤l_s/2)：

这段曲线是根据负的极限位置时的工作辊曲线确定支撑辊辊型，直径函数为：

$D_s\left(y\right)=D+a_{11}(y-{\mathrm{\δ}}_4)+...+a_{1({2n}_1-1)}{(y-{\mathrm{\δ}}_4)}^{{2n}_1-1}$

$D_x\left(y\right)=D-a_{11}(y+{\mathrm{\δ}}_4)-...-a_{1({2n}_1-1)}{(y+{\mathrm{\δ}}_4)}^{{2n}_1-1}---\left(4\right)$

其中，δ₄为针对具体的CVC工作辊辊型曲线参数计算确定的支撑辊辊型曲线参数，CVC工作辊辊型曲线参数不同，该参数的值也不同。

2.如权利要求1所述的一种配合连续可变凸度轧机工作辊辊型曲线的支撑辊，其特征在于，所述支撑辊的两端边部的优化曲线，是以上四段曲线组成的支撑辊辊型构成的基本支撑辊辊型基础上对辊身两端进行倒角优化后的支撑辊辊型，一般可用如下幂函数表示。

$D_1\left(y\right)=D\left(y\right)-{2a}_0{\left(\frac{y-(\frac{l_s}{2}-l_z)}{l_z}\right)}^m---\left(5\right)$

其中，D(y)为上述方法确定的基本辊型曲线函数；

D₁(y)为优化后的辊型边部辊型曲线函数；

l_z，a₀为辊身边部倒角长度和高度，根据辊间接触压力分布均匀，同时工作辊与支撑辊全辊身接触的约束条件进行优化计算确定；

m为辊身边部倒角辊型曲线幂函数的次数，为自然数，一般取值为2。

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