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轧机油膜轴承弹性结合锥套接触损伤的理论与实验研究

李慧剑  
【摘要】: 大型板带四辊轧机支承辊油膜轴承锥套与辊颈的最新结合方式是日本三菱重工的专利技术——弹性结合(Elastic Force Joint)。其最突出的优点是由轧机结构引起的轧制力波动最小。 宝钢1580热连轧机即采用了三菱重工的Mesta型油膜轴承及弹性结合锥套。该锥套过盈量沿轴线均等设定,用液压胀形方式装配和拆卸。近年,日本三菱重工曾针对锥套粘结和端部开裂等严重损伤失效问题给出分析报告,认定“锥套淬火处理不当而硬度低”是造成损伤的原因。然而,锥套损伤问题却一直未能得到解决。本文以锥套拉毛及粘结损伤为切入点,用接触力学理论和损伤理论,对大型轧机油膜轴承弹性结合锥套装拆过程和轧制过程中发生的损伤问题,进行了理论与试验研究,为新型油膜轴承弹性结合锥套设计奠定了理论和试验基础。 本文针对考虑摩擦的强非线性弹性接触问题,引入点面型摩擦接触判别模式、接触非线性方程求解的数学规划模型和优化广义极小残余快速算法,更新了点-面型三维弹性摩擦接触多极边界元法的计算结构,大幅度提高了求解复杂弹性摩擦接触问题的运算规模。采用计算机并行算法,给出油膜轴承锥套与轧辊辊颈弹性结合三维接触变形和应力场,阐明了锥套两端边缘区域的接触压力集中效应是锥套与辊颈发生磨损、拉毛及粘结等损伤的主要原因。 本文采用修正迭代法求解锥套位移方程的解析解,解决了锥套在装配过程中胀形油压与壳体弹性变形耦合问题,为接触有限元法分析锥套动态装配过程的接触应力-位移场提供了载荷与变形关系。分析结果指出胀形油压虽然使锥套能够快速装拆,但其应力场达到了屈服极限所产生的残余变形是油膜轴承油膜厚度分布异常和衬套磨损的直接原因。 本文通过锥套与辊颈胀形装配过程磨损机制的模拟试验研究,验证了胀形锥套接触应力导致接触表面形成点蚀、塑性变形磨粒形成及划伤(拉毛)的损伤过程。采用频谱分析方法和分形几何理论,从不同角度研究了接触表面损伤状态的表征方式,阐明不同应力状态下的表面磨损几何形貌与频谱的关系。在建立接触副统计表面分形模型的基础上,分析了不同加载条件下的接触应力对磨损状态的影响。 本文由弹流理论的Reynolds方程,确定了轴承油膜压力分布及其影响因素。根据轧制力工况下的接触变形与应力分析,揭示了锥套与辊颈接触区边缘产生微滑移与接触应力集中构成接触粘结微动疲劳损伤的条件。利用断裂力学裂纹尖端应力场与接触边缘区域应力场局部渐近的等效原则,阐明了辊颈与锥套表面疲劳磨损、剥 WP=5 落及粘结的力学机制,并通过模拟试验验证了接触边缘微动疲劳所产生的表面损伤与油膜轴承锥套和辊颈的实际损伤状态的相似性。 基于以上研究,并通过锥套装配过程的模拟试验和理论分析,提出了锥套胀形推进量与胀形油压和推进油压之间关系的新装配工艺。根据弹性结合面接触应力分布高度集中特点,对原等过盈量锥套结构提出了变过盈量弹性结合的创新设计方案。


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