大型锻钢支承辊接触疲劳机理研究及修磨参数优化

摘要

大型锻钢支承辊作为轧机设备中的主要部件，其性能和使用状态直接决定着轧钢生产的产品质量、设备稳定和生产成本，因而，得到越来越多生产企业的重视。在四辊或六辊轧机轧制过程中，支承辊与工作辊或中间辊配对使用，用于传递轧制力、提高工作辊的弯曲刚度，以控制带钢轧制质量。支承辊承受的循环交变接触应力会引起支承辊的表面或次表层接触疲劳，引发裂纹萌生和扩展，导致表面退化，加剧支承辊的表面磨损，甚者导致剥落或断辊失效。实际生产中通过支承辊定期下机修磨，去除辊面或次表层萌生的接触疲劳裂纹来避免辊面大面积剥落引发的轧制事故及经济损失，但现有磨削规程中由于缺乏对支承辊辊面剥落失效机理的研究，以经验为主确定换辊周期和修磨量无法达到降低辊耗、延长支承辊使用寿命、提高轧制生产效率的目标。因此通过系统地研究支承辊接触疲劳损伤分布及接触疲劳机理，合理地确定支承辊修磨量具有重要意义。
　　基于接触问题的有限元理论，采用大型非线性有限元软件，建立了四辊轧机辊系接触计算有限元模型，通过与理论结果对比，验证了有限元模型的合理性;在此基础上，以某热轧带钢轧机F1-4机架为研究对象，分析了支承辊辊身中部为直线，边部倒角为圆弧，工作辊辊型为余弦曲线时，辊径配对、带钢宽度、轧制力、弯辊力及窜辊量等对支承辊表面接触应力的影响，结果表明:支承辊表面接触应力呈典型的“鞍”形分布;除窜辊以外，辊径配对、带钢宽度、轧制力和弯辊力均对支承辊表面接触应力的大小及分布均匀性有不同程度影响;但上述各因素变化均不影响支承辊表面最大接触应力在辊身的分布位置。
　　以弹塑性力学理论及接触力学理论为基础，结合极限工况下支承辊表面接触应力分布，对支承辊的弹塑性状态进行了分析，表明在正常工作状态下，表面接触应力循环一定次数后，支承辊材料处于弹性安定状态。通过对比分析现有研究中用于次表层接触疲劳损伤评价的八面体剪应力、最大剪应力和正交剪应力，选择正交剪应力作为支承辊次表层损伤评价的临界应力;结合材料接触疲劳寿命和线性疲劳损伤累积理论，建立了支承辊次表层接触疲劳损伤计算模型，分析了一次使用后的支承辊材料接触疲劳损伤分布及多次使用并磨削后的支承辊次表层损伤分布形式，并结合支承辊材料接触疲劳试验及现场支承辊解剖块试验验证了次表层接触疲劳损伤评价模型的合理性。
　　采用微米压痕仪、X射线衍射仪等手段，对接触疲劳试验后的支承辊材料环试样在疲劳失效后沿径向的硬度、X射线衍射半宽值进行了测量，在初步明确接触疲劳引起支承辊材料性能参数变化的基础上，结合光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对支承辊材料的接触疲劳机理进行了研究;在此基础上，采用微米压痕仪、SEM、TEM等手段对多次使用并磨削后支承辊解剖块沿径向的硬度分布及不同深度的组织进行了对比分析，探讨了对应于不同深度不同接触疲劳损伤程度的支承辊材料微观组织变化，结果表明:以板条马氏体、贝氏体组织为主的支承辊材料在接触疲劳损伤后发生了疲劳硬化、材料X射线衍射半宽降低、经硝酸酒精溶液腐蚀后疲劳损伤影响区内出现典型的白腐蚀区等现象;硬度升高和X射线衍射半宽降低的原因在于疲劳失效后支承辊材料中板条马氏体组织发生破碎，生成了纳米级的亚晶结构，位错密度的升高和局部纳米级碳化物颗粒的析出，而典型白腐蚀区出现则由较大尺度板条马氏体组织破碎成纳米级亚晶结构后引起的微观结构边界增多进而引起组织耐腐蚀性增强导致;在一定损伤范围内，不同损伤程度引起的马氏体组织破碎程度和位错升高程度不同;损伤越大，马氏体组织破碎越严重，位错密度升高越大。
　　在支承辊次表层损伤评价模型及损伤机理研究的基础上，结合现场带钢轧制规格区间划分及对应轧制载荷，建立了支承辊在换辊周期内的接触疲劳计算形式载荷谱，并结合现场轧制数据记录验证了载荷谱的合理性;基于此，以某热轧带钢轧机为对象，对额定换辊吨位下的不同机架支承辊的最优修磨量及达到稳态损伤时的修磨次数进行了计算，同时对同一支支承辊整个寿命周期内在同一机架使用情况下，换辊吨位与修磨量间的关系进行了分析，结果表明:不同机架的最优修磨量不同，最大损伤值达到损伤容限时所需的修磨次数不同;同一支支承辊整个寿命周期内在同一机架使用情况下，支承辊换辊吨位与最优修磨量间呈线性关系;以此为基础，建立了支承辊在同一机架使用时的修磨量计算模型。
　　以本文工作为理论基础和实际参考，可对现场支承辊的合理使用、疲劳失效预防及修磨量合理确定提供直接指导，对其他工程接触问题也有参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 现代板带轧制生产对支承辊的技术要求

1．2．1 热轧板带轧制生产流程

1．2．2 冷轧板带轧制生产流程

1．2．3 板带生产对支承辊的使用技术要求

1．2．4 支承辊的主要失效形式

1．3 支承辊接触计算技术现状及发展趋势

1．3．1 接触计算技术现状及发展趋势

1．3．2 支承辊接触计算技术的发展及趋势

1．4 支承辊接触疲劳研究现状及发展趋势

1．4．1 疲劳累积理论研究现状

1．4．2 滚动接触疲劳研究国内外现状

1．4．3 支承辊滚动接触疲劳研究现状及趋势

1．5 支承辊磨削技术现状及发展趋势

1．6 本课题的主要研究内容

1．6．1 课题研究的目的及意义

1．6．2 课题的研究思路及主要研究内容

第2章 支承辊接触应力分布有限元分析

2．1 接触问题有限元理论

2．1．1 有限元法基本原理

2．1．2 接触问题有限元基本原理

2．2 支承辊接触应力分布有限元分析

2．2．1 支承辊接触应力有限元计算验证

2．2．2 辊径配对对支承辊接触应力的影响分析

2．2．3 带钢宽度对支承辊接触应力的影晌分析

2．2．4 轧制力对支承辊接触应力的影响分析

2．2．5 弯辊力对支承辊接触应力的影响分析

2．2．6 窜辊行程量对支承辊接触应力的影响分析

2．3 小结

第3章 支承辊接触疲劳次表层损伤评价理论研究

3．1 支承辊弹塑性安定状态分析

3．1．1 次表层应力计算理论

3．1．2 接触区弹性极限应力分析

3．1．3 接触区弹性安定状态分析

3．1．4 支承辊接触安定状态分析

3．2 支承辊接触疲劳次表层损伤计算理论模型

3．2．1 次表层接触疲劳损伤主导应力分析

3．2．2 支承辊接触疲劳次表层损伤分布计算理论模型

3．3 支承辊接触疲劳次表层损伤计算理论模型验证

3．3．1 接触疲劳试验

3．3．2 硬度表征测量原理

3．3．2 次表层损伤计算理论模型验证

3．4 小结

第4章 支承辊材料接触疲劳损伤机理研究

4．1 引言

4．2 接触疲劳损伤表征方法

4．2．1 X-ray衍射半宽表征

4．2．2 材料微观组织表征

4．3 支承辊材料接触疲劳损伤规律分析

4．3．1 支承辊材料接触疲劳损伤分析试样制备

4．3．2 支承辊材料接触疲劳环试样疲劳损伤规律分析

4．3．3 不同支承辊接触疲劳损伤规律分析

4．4 支承辊材料接触疲劳损伤机理研究

4．5 小结

第5章 支承辊修磨参数优化研究

5．1 支承辊周期性修磨的意义

5．2 支承辊接触疲劳损伤计算载荷谱的建立

5．2．1 支承辊疲劳损伤计算载荷谱的建立

5．2．2 支承辊疲劳损伤计算载荷谱模型合理性验证

5．3 支承辊周期性修磨参数优化

5．3．1 支承辊接触疲劳损伤沿辊身分布

5．3．2 支承辊稳态修磨量与换辊吨位的关系研究

5．4 小结

第6章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 本文主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢