轧机压下螺纹副微尺度理论与实验研究

论文摘要

压下螺纹副是现代高负荷中厚板轧机大行程辊缝调节所必需的机座组成部分之一,其寿命和运行稳定性不仅直接关系着中厚板轧机的正常生产,而且成为轧机高负荷快速化与时俱进的制约因素。轧机压下螺纹副设计受普通联结螺纹副影响,只停留于按机械学和轧机设计书籍中论述的静态设计范畴。因而压下螺纹副设计以静态理想压强作为满足强度、刚度、耐磨性和稳定性要求的指标而告终。然而,在实际使用过程中,压下螺纹副磨损异常快而短寿,甚至有的短短几周就铜螺母螺牙磨尽而报废。目前,2800mm及3500mm中厚板轧机压下螺纹副,仍从外国进口维持生产。压下螺纹副异常快速磨损及短寿是长期得不到解决的难题,其磨损机理至今未能得到揭示和阐明。参与国家“十五”重点科技攻关项目—3500mm中厚板轧机压下螺纹副短寿研究课题,通过系列现场调研测试、定量数值解析、科学模拟实验和创新思维,发现和揭示了轧机压下螺纹副大间隙中径定位机构特征的微尺度失控行为机理,由此产生的螺纹副面力超常增幅(十几倍),成为螺纹副异常快速磨损短寿的主要原因。还提出了行之有效的长寿稳定性压下螺纹副雏形。全文共分六章。第1章绪论纵观中厚板轧机的发展历史,指明电动压下螺纹副使用过程中存在的难题,定位课题内容、意义及来源。第2章论述压下螺纹副面力场的三维弹性摩擦接触多极边界元解析,定量给出压下螺纹副三维压力分布,进而揭示了螺纹副微尺度行为与压力超偏分布的对应关系。第3章开创1/3螺纹副模型电测模拟实验法,给出螺纹副全层螺牙的压力分布,揭示和证实了大间隙中径定位特征螺纹副的微尺度行为给压力不均匀带来的巨大影响。第4章用现有静态设计理论校核了3500mm轧机压下螺纹副的强度、耐磨性指标,然而解释不了螺纹副螺牙异常快速磨损现象。用冲击载荷解析了螺牙齿顶鼓包的形成原因。第5章论述压下螺纹副的动态特性,计算整体螺母和主副螺母结构两种约束下压下螺丝的前几阶固有频率和振型,并计算冲击载荷作用下的动态响应。用数值解析证明了主副螺母结构的压下螺纹副可以减缓冲击载荷的产生,并用1/8模型模拟实验作出验证。第6章综合了现代压下螺纹副的最新技术成就,并给出3500mm中厚板轧机的微尺度可控长寿稳定性压下螺纹副雏形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 中厚板轧机的发展及我国现状
• 1.2 中厚板轧机电动压下系统及课题
• 1.3 压下螺纹副双向受压特征和轴向载荷分布
• 1.3.1 初等解析法
• 1.3.2 数值解法
• 1.3.3 测试法
• 1.4 螺纹副均载和防松的研究进展
• 1.5 选题来源、内容和意义
• 第2章 压下螺纹副面力场多极边界元法
• 2.1 三维弹性多极边界元法
• 2.1.1 多极展开法
• 2.1.2 多极边界元法格式
• 2.1.3 广义共轭留数法（GMRES）
• 2.2 三维弹性摩擦接触多极边界元法
• 2.2.1 接触问题的描述方法
• 2.2.2 变形体的定义
• 2.2.3 摩擦行为
• 2.2.4 点-面接触模型
• 2.2.5 点-面摩擦接触的非线性规划
• 2.2.6 模型求解过程
• 2.3 3500mm中厚板轧机压下螺纹副面力场解析
• 2.3.1 前处理
• 2.3.2 螺牙层压力分布
• 2.3.3 螺牙面径向压力和摩擦力分布
• 2.3.4 螺纹副变形场
• 2.3.5 数值分析成果
• 2.4 本章小结
• 第3章 压下螺纹副承载特性电测模拟实验
• 3.1 电测法
• 3.1.1 电阻应变传感器
• 3.1.2 电阻应变效应
• 3.1.3 电桥原理
• 3.1.4 温度补偿
• 3.2 实验载荷的确定
• 3.2.1 相似理论
• 3.2.2 相似准则
• 3.2.3 比例载荷的确定
• 3.3 实验方案
• 3.3.1 实验模型
• 3.3.2 贴片点选择
• 3.4 实验设备
• 3.5 数值计算
• 3.6 实验结果
• 3.6.1 研磨前测试结果
• 3.6.2 研磨后测试结果
• 3.6.3 压下螺纹副微尺度行为及承载特性
• 3.7 实测结果分析与整理
• 3.8 本章小结
• 第4章 螺纹副螺牙磨损、面压力及鼓包
• 4.1 压下螺纹副磨损现场实地测量
• 4.1.1 3200mm 粗轧机压下螺纹副磨损
• 4.1.2 3500mm 精轧机压下螺纹副磨损
• 4.1.3 压下螺纹副磨损特征
• 4.2 压下螺纹副常规设计校核
• 4.2.1 支撑强度
• 4.2.2 螺旋传动耐磨性和稳定性
• 4.3 3500mm 精轧机螺纹副螺牙面径向压力
• 4.3.1 螺牙面径向压力分布不均匀系数
• 4.3.2 螺牙面径向压力分布与牙型角
• 4.3.3 螺牙面径向压力分布与材料刚度匹配
• 4.3.4 螺牙型状优化与压力均布化
• 4.4 3200mm 粗轧机螺纹副螺牙鼓包
• 4.5 本章小结
• 第5章 压下螺纹副振动特性解析和回松模拟实验
• 5.1 压下螺纹副振动模型
• 5.1.1 压下螺丝有限单元划分
• 5.1.2 压下螺丝振动方程的建立及系数矩阵的计算
• 5.1.3 压下螺丝的固有频率和振型
• 5.1.4 压下螺丝动力响应的计算方法
• 5.2 压下螺丝振动特性计算与分析
• 5.2.1 边界条件简化
• 5.2.2 支撑弹簧刚度的确定
• 5.2.3 过平衡力的确定
• 5.2.4 主副螺母设计
• 5.2.5 固有频率和振型
• 5.3 咬钢时的动态响应模拟
• 5.4 甩钢时的动态响应模拟
• 5.5 螺纹副回松模拟实验
• 5.5.1 模拟实验方案及实验件设计
• 5.5.2 实验设备及测试系统
• 5.5.3 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 长寿可靠的压下螺纹副结构雏形
• 6.1 中厚板轧机最新压下螺纹副
• 6.1.1 3500mm 中厚板轧机压下螺丝与螺母
• 6.1.2 螺纹副润滑油路设计
• 6.1.3 压下螺丝定位
• 6.1.4 SMSDMAG 的压下螺纹副
• 6.2 主副复合螺母结构
• 6.3 压下螺丝及螺母不等厚螺牙及形状优化
• 6.4 双球面垫支撑
• 6.5 螺纹副螺牙接触率
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介