一种提高小辊径工作辊抗挠曲能力的创新设计
严国平
（中冶南方工程技术有限公司湖北武汉430223）
摘要：根据TRIZ解决问题的基本方法与步骤，有针对性地采用TRIZ理论中的各种方法对如何提高小辊径工作辊抗挠曲能力这一课题进行探讨，结果表明：通过TRIZ创新方法得到了较为优化解决方案，较好地满足了本课题要求，达到了预期设计目标。
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关键词 ：小辊径工作辊；抗挠曲；创新；TRIZ
中图分类号：TH122文献标识码：Adoi：10.3969／j.issn.1665－2272.2015.16.051
六辊轧机是一种技术成熟的板带轧制主流机型，但常规的六辊冷轧机工作辊不能做得太小，其工作辊的径宽比一般不小于0.25。当轧制高抗力的材料带钢时需大幅减小工作辊辊径，但在轧制时轧制力会产生水平分力，这个水平分力会使工作辊沿轧制方向产生挠曲，进而使成品板形恶化。目前轧制高抗力材料时一般采用多辊轧制方案，如20辊轧机和18辊轧机，但它们也有轧制速度低、成本高、消耗大等不足。也有一些研究者采用在防缠导板上加侧支撑辊轮的方式，对工作辊进行局部支撑以减小工作辊的水平挠曲，但这种方法加剧了工作辊的局部磨损，导致工作辊更换频繁。如何在现有的六辊轧机基础上进行局部改进以提高小辊径工作辊抗挠曲能力是使六辊轧机轧制范围延伸至高抗力材料面临的一个最重要的难题。
TRIZ作为一门发明问题解决理论，在知识库及引导创新思维上具有良好的适用性。本文根据TRIZ解决问题的基本方法与步骤，有针对性地采用TRIZ理论中的各种方法对如何提高小辊径工作辊抗挠曲能力这一课题进行探讨，以期能从另一个角度找到解决方案。
1问题描述
六辊轧机主要由工作辊弯辊装置、机架、支撑辊系统、中间辊系统、工作辊系统、工作辊串辊系统及压上轧制系统组成。在轧制力作用下，工作辊将轧制力传递给带钢，实现轧制。轧制力F2与水平力F1是工作辊受到的复合力（见图1）。工作辊两侧的轴承固定，在水平力作用下，工作辊会发生水平挠曲。如果工作辊沿水平方向发生的挠曲值较大，就会严重影响了轧机在轧制过程中的板形调节能力，从而导致轧制板材的合格率不高。与此同时，小辊径的工作辊自身刚度较小，同等水平力作用下其水平挠曲较大。因此，对于小辊径轧机来说，更应充分重视克服辊径刚度过小带来的水平挠曲过大的问题。
2TRIZ的具本应用
2.1组件分解
根据六辊轧机的组成结构，将带钢作为工作对象，按TRIZ相关理论对其进行组件分解，通过流分析，能清楚的看到技术系统的能量流，控制流，物质流，从而了解组件对技术系统的功能贡献（见图2）。
2.2方案集合
针对组件及流分析，运用剪裁方法、三轴分析、技术矛盾，物理矛盾、资源分析、SKB分析、物场分析及进化法则可以得到很多解决方案。现将物理矛盾拿出来进行单独的阐述。通过三轴分析方法，工作辊水平挠曲过大的原因有很多，工作辊轴承支撑不足便是其中之一。根据TRIZ的物理矛盾分析的基本原理，本方案改进和恶化参数为轴承支撑距离；改进的方法有矛盾属性空间分离原理和矛盾属性空间嵌套原理。
根据上述原理，可以得到三个方案：A.双独立轴承座支撑方案；B.单轴承座双半轴承座支撑方案；C.双轴承及其轴套嵌套于单轴承座。
A方案中，外部独立轴承座承受轧制方向的弯辊力，内侧的轴承座承受水平方向的力；B方案中，外部半个轴承座承受轧制方向的弯辊力，内侧半轴承座承受水平方向的力，中间通过“十”字型的滑动副使这两个轴承只承受各自方向的力；C方案中，外部轴承利用事先加工的带特定方向的滑动副的轴承套进行包装，然后将其全部嵌入轴承座中，用以仅承受轧制方向的弯辊力，内侧轴承利用事先加工的带特定方向的滑动副的轴承套进行包装，然后将其全部嵌入轴承座中，用以仅承受水平方向的力。根据C方案，进行方案细化，其细化图见图3。
2.3方案评价及仿真
（1）方案评价。依据评价方案，按功能理想度、提高安全可靠度、降低成本、空间实现度及维护度等几个方面分别占比40%、20%、20%、15%及5%对通过TRIZ理论得到的方案进行正向影响评价（略）。
（2）最优方案的仿真计算。最优方案主要集中于双轴承的创新设计思路。对这一思路进行深入研究。将工作辊一侧设计成双轴承支撑的结构形式（见图3）。根据这一形式进行工作辊的受力对比分析。其中，轴承（二）仅受水平力的作用。将工作辊进行单元划分，并按轴承的支撑点进行约束。图中，序号1为轴承（一）施加的轴承约束，序号2为轴承（二）施加的轴承约束，序号3为工作辊上施加的水平作用力。将双轴承支撑与单轴承支撑进行对比分析，结果见图5。
从图5中知，采用这种双轴承座结构，在同等水平力作用下，工作辊水平挠曲仅为原先的一半。可见采用双轴承结构能有效提高小辊径工作辊抗挠曲能力与此同时，也能克服由于弯辊力带来的双轴承的局部过约束问题。
3结论
通过引入TRIZ创新方法并结合如何提高小辊径工作辊的抗挠曲能力这一实践课题，得到如下结论：TRIZ创新方法通过一定的求解程序及相关的知识库的查询，能较快地帮助创新者开阔思路，多方位地展示求解问题的多种解决方案，具有一定的可实施性；通过TRIZ创新方法得到了较为优化解决方案的初步观点，并结合设计者自身对问题的理解及设计能力完成了优化方案的详细设计，此设计较好地满足了本课题要求。通过相应的CAE求解分法，达到了预期的设计目标；TRIZ创新方法作为一门创新科学，针对具体问题具有良好的普适性，值得推广。
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参考文献
1黄庆学.轧钢机械设计［M］，北京：冶金工业出版社，2007
2赵敏.TRIZ入门及实践［M］.北京：科学出版社，2009
（责任编辑亢婷婷）