筆者經過研究，做出如下總結： （1）在第四代紅圈軋機的結構設計基礎上，結合達涅尼、西馬克等公司生產的主流短應力線軋機結構特點，對短應力線軋機的軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置等關鍵部件進行深入研究，確定了短應力線軋機的軋制原理和影響短應力線軋機軋制精度的主要原因。
第 1 章 緒論
1.1 課題的研究背景和對象
鋼材作為工業生產的必需品，在機械、建築、船舶、航天航空以及軍工等行業發揮著重要的作用。經濟的高速發展，離不開各行各業的共同努力。但伴隨著我國經濟不斷繁榮進步，對於鋼材的需求量也與日俱增，這對國內的鋼鐵行業提出了更高的要求[1-3]。自 2001 年我國加入世貿組織，國內外的貿易量增加，商品的流動性大大增強，這對於國內鋼鐵行業來說，不僅是一種機遇，更是一種挑戰。國內鋼鐵產業既要提高產量，以滿足國內生產需求和進行貿易出口；同時也要提高鋼材的工藝技術，提升鋼材生產的質量，這樣才能夠在國際市場上具有更強的競爭力[4]。棒材作為鋼材的一種，在帶材、板材產量供過於求的現在，市場對於棒材的需求量卻在不斷增加。我國從 2005 開始，棒材產量一直在不斷增加，所以可以看出棒材生產前景廣闊[5]。
由數據統計可以看出我國的棒線材的產量經過多年的技術研究與發展，目前的產量已經位於世界前列，成為了世界上的棒線材生產大國[6]。但在這樣高產量的成果之下，存在著我國棒材生產結構不合理的問題。我國為了提高棒線材的產量，對提高產量相關的軋制技術進行了不斷的研究，使得國內的棒線材生產規模得到了不斷的擴大[7-9]。但在這麼高的棒材產量中，中低端類型的棒材產量占大部分，高精度的棒材產量只占了很少的一部分。中低端的產能過剩，高端的產能不足，直接導致了我國棒材產品的總產值不高。中低端棒材技術含量不高，能創造的經濟價值有限，而國內各個行業的生產對於高技術含量的高端棒材需求較大，這就使得國內必須從國外進口相關棒材，這種產品結構的矛盾是目前國內棒材行業的主要問題。所以國內想要改變這種局面，就必需改變過去追求產能的生產模式，向著高質量、高產值的高端棒材生產方向轉變[10-11]。就目前情況來看，我國的棒材產業的技術相較於已開發國家還有較大的差距。已開發國家已在棒材生產中採用了諸如無頭軋制工藝、自動控測技術以及新型軋機的應用等，針對這些先進的生產技術，國內應積極學習與研究，來解決國內產業結構轉變遇到的困難。
...........................
1.2 國內外研究現狀及發展趨勢
1.2.1 國外研究狀況
世界上第一代短應力線軋機出現在二十世紀四十年代，它是由摩根沙瑪公司和瑞典中央公司共同開發的 P500 型軋機。這款軋機的設計思路突破了傳統軋機中的牌坊結構設計，在短應力線的理論基礎上，創造性地上將兩個軸承座通過拉杆連接在了一起，實現了應力回線的縮短。除此之外，軋機軋輥採用了三角支架懸掛結構，來保證拉杆受力的穩定。但由於原來的軋機在中間採用了壓下螺絲的結構，這就使得軋機在進行輥縫調整時不容易實現對稱，進而增加了調整花費的時間[21-22]。同時由於壓下螺絲的存在，使得軸承和軸承座容易發生應力集中。並且總的來看，軋機的應力回線還是不夠短，軋機的剛度還是不夠。後來瑞典人針對第一代短應力線軋機的問題進行了改良，主要是將原來的軸承和軸承座上的集中載荷改為分散載荷，並且對應力回線進行了一些縮短[23]。但由於軋機結構上還是使用壓下螺絲，所以輥縫的調整問題還是沒有解決。第一代短應力線軋機如圖1-2 所示。
圖 1-2 第一代短應力線軋機
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第 2 章 Φ380 短應力線軋機簡介
2.1 Φ380 短應力線軋機的結構和主要參數
人們通常根據軋鋼機的軋輥中心距來命名短應力線軋鋼機，所以可知所設計的 Φ380 短應力線軋機的軋輥中心距為 380mm，該軋機結構圖如圖 2-2 所示。
圖 2-2 Φ380 短應力線軋機結構圖
該 Φ380 短應力線軋機的設計基礎為波米尼公司生產的第四代紅圈軋機，第四代紅圈軋機與以前的軋機相比，增加了拉杆直徑，減小了壓下螺母間距，增加了軸承厚度，從而縮短應力回線，增加軋機剛度，提高軋件生產精度。此外，還通過安裝在拉杆中間的支撐架，大大提高了軋機的穩定性。本文主要設計研究的是軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置。
其中軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、支撐架等部件共同組成軋機的軋輥輥系，其中軋輥軸承安裝在軋輥輥頸上，與軋輥一起裝配在軸承座的軸承通孔中。再通過四根拉杆與壓下螺母配合，加上支撐架安裝在軋機底座上，構成了一個更短的應力回線。其中拉杆是區別於傳統軋機的主要結構，短應力線軋機通過拉杆結構將作用在軋輥軸承上的軋制力分布的更加均勻，降低了集中載荷，使軸承的受力更加合理，從而提高了軋輥軸承的壽命。
........................
2.2 Φ380 短應力線軋機的軋制流程研究
Φ380 短應力線軋機主要用於生產棒材，而棒材軋制工藝規程由過去的人為經驗設計，逐步發展到今天的計算機輔助設計，其生產工藝流程已經相當成熟了。主要包括了：坯料驗收、坯料加熱、軋機軋制、軋件剪切、軋件冷卻、成品檢驗、打包入庫，短應力線軋機的工藝流程如圖 2-5 所示。
圖 2-5 軋機工藝流程
坯料驗收作為軋制工作的第一步，直接決定了最後軋件成品的質量好壞。棒材軋制的坯料一般有連鑄坯和模鑄坯兩種，坯料驗收的工作一般包括對坯料的尺寸進行測量，然後檢驗坯料表面的質量，根據軋制的規定和技術要求，挑出不符合要求的坯料，最後將檢驗的結果記錄下來。
然後是將檢驗合格的坯料送入加熱爐加熱。通過將坯料加熱到預設溫度，可以提高坯料的可塑性、改善坯料質量、降低軋制阻力，便於軋制工作進行和提高軋件成品質量。
接著是最重要的軋制步驟，將加熱完畢的坯料通過輥道送至的不同道次進行軋制，最終成為合格產品。這一過程決定了軋件成品的最終品質，企業對於軋件品質好壞的評價標準有：產品的尺寸精度、軋件內部組織性能、表面光潔度以及用於加工時機械性能的好壞。為了生產高品質的棒材成品，針對棒材生產的過程，企業制定了一系列的產品技術標準和生產管理體系，並且不斷的提高軋制工藝技術，以得到更高的成品品質和經濟效益。
...........................
第 3 章 短應力線軋機關鍵部件設計.............................35
3.1 軋輥設計.............................35
3.2 軋輥軸承設計.............................35
第 4 章 短應力線軋機的有限元分析.............................42
4.1 有限元分析法簡介.............................42
4.1.1 有限元分析法的理論概述.............................42
4.2 ANSYS 有限元軟體介紹.............................42
第 5 章 軋機結構的改進和優化.............................55
5.1 靜迷宮端蓋優化.............................55
5.1.1 端蓋的參數化模型建立.............................55
5.1.2 端蓋的有限元分析.............................55
5 章 軋機結構的改進和優化
5.1 靜迷宮端蓋優化
靜迷宮端蓋被安裝在軸承座上，起到了對四列圓柱滾子軸承的密封、軸向固定以及添加潤滑液的作用。靜迷宮端蓋損壞會使得密封失效，髒水容易進入軸承中，進而降低潤滑效果，造成軸承損壞，從而造成軋輥輥頸受損。而按照以往的設計方法所設計的靜迷宮端蓋在實際使用中容易發生損壞，所以對原來靜迷宮端蓋設計進行結構優化[47-48]。
5.1.1 端蓋的參數化模型建立
由於靜迷宮端蓋是通過螺釘固定在軸承座外側，且螺杆不與端蓋螺孔接觸，只起到軸向固定的作用。根據短應力線軋機的應力回線可知，軋制力主要是作用在軸承座上。端蓋安裝在軸承座內孔上，軋制時軋制力將會傳遞到端蓋上。要獲得靜迷宮端蓋的受力狀態，就要將端蓋和軸承座組合起來分析，從而獲得軋制力對端蓋的影響。
靜迷宮端蓋材料採用 ZG270-500，材料參數如表 5-1 所示。在 Creo Parameter中建立端蓋的參數化模型，由於需要進行有限元分析，所以在三維模型繪製時進行了一定的簡化，忽略掉一些不重要的結構。根據端蓋的主要作用，決定在不影響其密封和儲油量的情況下，對可以優化的設計尺寸進行篩選。最終選擇了端蓋中的五個參數 m、n、L、h、d 作為接下來優化設計的輸入變量，其中 m 為端蓋總厚度，n 為端蓋外台面切除部分的厚度，L 為兩側倒圓角處距底部的距離，h 為靜迷宮槽的深度，d 為最外側圓的半徑。
......................
結論
本文主要針對國內棒材生產行業中低端產品產量過剩，而高端棒材產量不足的現狀，在第四代紅圈軋機的基礎上對 Φ380 短應力線軋機進行設計與研究。首先根據先進的短應力線軋機設計技術，完成 Φ380 短應力線軋機初步設計。然後通過 Creo5.0 和 ANSYS Workbench 軟體完成對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件的三維建模與分析，確定所設計的 Φ380 短應力線軋機具有足夠的剛度和使用壽命。最後在短應力線軋機初步設計的基礎上，根據以往短應力線軋機在實際中存在的問題，結合多目標遺傳算法等優化方法，對軋機關鍵部件結構進行進一步的設計優化，最終實現 Φ380 短應力線軋機剛度和使用壽命的提高。現在對論文的主要成果做出如下總結：
（1）在第四代紅圈軋機的結構設計基礎上，結合達涅尼、西馬克等公司生產的主流短應力線軋機結構特點，對短應力線軋機的軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置等關鍵部件進行深入研究，確定了短應力線軋機的軋制原理和影響短應力線軋機軋制精度的主要原因。
（2）通過研究棒材軋制的生產工藝和平輥軋制技術，再結合之前對短應力線軋機結構的研究，在第四代紅圈軋機的結構基礎上完成 Φ380 短應力線軋機的軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置等關鍵部件的初步設計，並對所設計的軋機進行強度和剛度的校核。
（3）根據對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件的初步理論設計，選擇 Creo5.0 作為建模軟體，完成對所設計的短應力線軋機關鍵部件的參數化建模。
（4）採用 ANSYS Workbench 軟體對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件進行結構力學分析，確定短應力線軋機各個關鍵部件的應力應變和彈性變形情況，並根據有限元分析結果，驗證軋機關鍵部件的設計符合安全生產要求。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 課題的研究背景和對象
鋼材作為工業生產的必需品，在機械、建築、船舶、航天航空以及軍工等行業發揮著重要的作用。經濟的高速發展，離不開各行各業的共同努力。但伴隨著我國經濟不斷繁榮進步，對於鋼材的需求量也與日俱增，這對國內的鋼鐵行業提出了更高的要求[1-3]。自 2001 年我國加入世貿組織，國內外的貿易量增加，商品的流動性大大增強，這對於國內鋼鐵行業來說，不僅是一種機遇，更是一種挑戰。國內鋼鐵產業既要提高產量，以滿足國內生產需求和進行貿易出口；同時也要提高鋼材的工藝技術，提升鋼材生產的質量，這樣才能夠在國際市場上具有更強的競爭力[4]。棒材作為鋼材的一種，在帶材、板材產量供過於求的現在，市場對於棒材的需求量卻在不斷增加。我國從 2005 開始，棒材產量一直在不斷增加，所以可以看出棒材生產前景廣闊[5]。
由數據統計可以看出我國的棒線材的產量經過多年的技術研究與發展，目前的產量已經位於世界前列，成為了世界上的棒線材生產大國[6]。但在這樣高產量的成果之下，存在著我國棒材生產結構不合理的問題。我國為了提高棒線材的產量，對提高產量相關的軋制技術進行了不斷的研究，使得國內的棒線材生產規模得到了不斷的擴大[7-9]。但在這麼高的棒材產量中，中低端類型的棒材產量占大部分，高精度的棒材產量只占了很少的一部分。中低端的產能過剩，高端的產能不足，直接導致了我國棒材產品的總產值不高。中低端棒材技術含量不高，能創造的經濟價值有限，而國內各個行業的生產對於高技術含量的高端棒材需求較大，這就使得國內必須從國外進口相關棒材，這種產品結構的矛盾是目前國內棒材行業的主要問題。所以國內想要改變這種局面，就必需改變過去追求產能的生產模式，向著高質量、高產值的高端棒材生產方向轉變[10-11]。就目前情況來看，我國的棒材產業的技術相較於已開發國家還有較大的差距。已開發國家已在棒材生產中採用了諸如無頭軋制工藝、自動控測技術以及新型軋機的應用等，針對這些先進的生產技術，國內應積極學習與研究，來解決國內產業結構轉變遇到的困難。
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1.2 國內外研究現狀及發展趨勢
1.2.1 國外研究狀況
世界上第一代短應力線軋機出現在二十世紀四十年代，它是由摩根沙瑪公司和瑞典中央公司共同開發的 P500 型軋機。這款軋機的設計思路突破了傳統軋機中的牌坊結構設計，在短應力線的理論基礎上，創造性地上將兩個軸承座通過拉杆連接在了一起，實現了應力回線的縮短。除此之外，軋機軋輥採用了三角支架懸掛結構，來保證拉杆受力的穩定。但由於原來的軋機在中間採用了壓下螺絲的結構，這就使得軋機在進行輥縫調整時不容易實現對稱，進而增加了調整花費的時間[21-22]。同時由於壓下螺絲的存在，使得軸承和軸承座容易發生應力集中。並且總的來看，軋機的應力回線還是不夠短，軋機的剛度還是不夠。後來瑞典人針對第一代短應力線軋機的問題進行了改良，主要是將原來的軸承和軸承座上的集中載荷改為分散載荷，並且對應力回線進行了一些縮短[23]。但由於軋機結構上還是使用壓下螺絲，所以輥縫的調整問題還是沒有解決。第一代短應力線軋機如圖1-2 所示。
圖 1-2 第一代短應力線軋機
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第 2 章 Φ380 短應力線軋機簡介
2.1 Φ380 短應力線軋機的結構和主要參數
人們通常根據軋鋼機的軋輥中心距來命名短應力線軋鋼機，所以可知所設計的 Φ380 短應力線軋機的軋輥中心距為 380mm，該軋機結構圖如圖 2-2 所示。
圖 2-2 Φ380 短應力線軋機結構圖
該 Φ380 短應力線軋機的設計基礎為波米尼公司生產的第四代紅圈軋機，第四代紅圈軋機與以前的軋機相比，增加了拉杆直徑，減小了壓下螺母間距，增加了軸承厚度，從而縮短應力回線，增加軋機剛度，提高軋件生產精度。此外，還通過安裝在拉杆中間的支撐架，大大提高了軋機的穩定性。本文主要設計研究的是軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置。
其中軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、支撐架等部件共同組成軋機的軋輥輥系，其中軋輥軸承安裝在軋輥輥頸上，與軋輥一起裝配在軸承座的軸承通孔中。再通過四根拉杆與壓下螺母配合，加上支撐架安裝在軋機底座上，構成了一個更短的應力回線。其中拉杆是區別於傳統軋機的主要結構，短應力線軋機通過拉杆結構將作用在軋輥軸承上的軋制力分布的更加均勻，降低了集中載荷，使軸承的受力更加合理，從而提高了軋輥軸承的壽命。
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2.2 Φ380 短應力線軋機的軋制流程研究
Φ380 短應力線軋機主要用於生產棒材，而棒材軋制工藝規程由過去的人為經驗設計，逐步發展到今天的計算機輔助設計，其生產工藝流程已經相當成熟了。主要包括了：坯料驗收、坯料加熱、軋機軋制、軋件剪切、軋件冷卻、成品檢驗、打包入庫，短應力線軋機的工藝流程如圖 2-5 所示。
圖 2-5 軋機工藝流程
坯料驗收作為軋制工作的第一步，直接決定了最後軋件成品的質量好壞。棒材軋制的坯料一般有連鑄坯和模鑄坯兩種，坯料驗收的工作一般包括對坯料的尺寸進行測量，然後檢驗坯料表面的質量，根據軋制的規定和技術要求，挑出不符合要求的坯料，最後將檢驗的結果記錄下來。
然後是將檢驗合格的坯料送入加熱爐加熱。通過將坯料加熱到預設溫度，可以提高坯料的可塑性、改善坯料質量、降低軋制阻力，便於軋制工作進行和提高軋件成品質量。
接著是最重要的軋制步驟，將加熱完畢的坯料通過輥道送至的不同道次進行軋制，最終成為合格產品。這一過程決定了軋件成品的最終品質，企業對於軋件品質好壞的評價標準有：產品的尺寸精度、軋件內部組織性能、表面光潔度以及用於加工時機械性能的好壞。為了生產高品質的棒材成品，針對棒材生產的過程，企業制定了一系列的產品技術標準和生產管理體系，並且不斷的提高軋制工藝技術，以得到更高的成品品質和經濟效益。
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第 3 章 短應力線軋機關鍵部件設計.............................35
3.1 軋輥設計.............................35
3.2 軋輥軸承設計.............................35
第 4 章 短應力線軋機的有限元分析.............................42
4.1 有限元分析法簡介.............................42
4.1.1 有限元分析法的理論概述.............................42
4.2 ANSYS 有限元軟體介紹.............................42
第 5 章 軋機結構的改進和優化.............................55
5.1 靜迷宮端蓋優化.............................55
5.1.1 端蓋的參數化模型建立.............................55
5.1.2 端蓋的有限元分析.............................55
5 章 軋機結構的改進和優化
5.1 靜迷宮端蓋優化
靜迷宮端蓋被安裝在軸承座上，起到了對四列圓柱滾子軸承的密封、軸向固定以及添加潤滑液的作用。靜迷宮端蓋損壞會使得密封失效，髒水容易進入軸承中，進而降低潤滑效果，造成軸承損壞，從而造成軋輥輥頸受損。而按照以往的設計方法所設計的靜迷宮端蓋在實際使用中容易發生損壞，所以對原來靜迷宮端蓋設計進行結構優化[47-48]。
5.1.1 端蓋的參數化模型建立
由於靜迷宮端蓋是通過螺釘固定在軸承座外側，且螺杆不與端蓋螺孔接觸，只起到軸向固定的作用。根據短應力線軋機的應力回線可知，軋制力主要是作用在軸承座上。端蓋安裝在軸承座內孔上，軋制時軋制力將會傳遞到端蓋上。要獲得靜迷宮端蓋的受力狀態，就要將端蓋和軸承座組合起來分析，從而獲得軋制力對端蓋的影響。
靜迷宮端蓋材料採用 ZG270-500，材料參數如表 5-1 所示。在 Creo Parameter中建立端蓋的參數化模型，由於需要進行有限元分析，所以在三維模型繪製時進行了一定的簡化，忽略掉一些不重要的結構。根據端蓋的主要作用，決定在不影響其密封和儲油量的情況下，對可以優化的設計尺寸進行篩選。最終選擇了端蓋中的五個參數 m、n、L、h、d 作為接下來優化設計的輸入變量，其中 m 為端蓋總厚度，n 為端蓋外台面切除部分的厚度，L 為兩側倒圓角處距底部的距離，h 為靜迷宮槽的深度，d 為最外側圓的半徑。
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結論
本文主要針對國內棒材生產行業中低端產品產量過剩，而高端棒材產量不足的現狀，在第四代紅圈軋機的基礎上對 Φ380 短應力線軋機進行設計與研究。首先根據先進的短應力線軋機設計技術，完成 Φ380 短應力線軋機初步設計。然後通過 Creo5.0 和 ANSYS Workbench 軟體完成對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件的三維建模與分析，確定所設計的 Φ380 短應力線軋機具有足夠的剛度和使用壽命。最後在短應力線軋機初步設計的基礎上，根據以往短應力線軋機在實際中存在的問題，結合多目標遺傳算法等優化方法，對軋機關鍵部件結構進行進一步的設計優化，最終實現 Φ380 短應力線軋機剛度和使用壽命的提高。現在對論文的主要成果做出如下總結：
（1）在第四代紅圈軋機的結構設計基礎上，結合達涅尼、西馬克等公司生產的主流短應力線軋機結構特點，對短應力線軋機的軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置等關鍵部件進行深入研究，確定了短應力線軋機的軋制原理和影響短應力線軋機軋制精度的主要原因。
（2）通過研究棒材軋制的生產工藝和平輥軋制技術，再結合之前對短應力線軋機結構的研究，在第四代紅圈軋機的結構基礎上完成 Φ380 短應力線軋機的軋輥、軋輥軸承、軸承座、拉杆、軋輥平衡裝置以及壓下裝置等關鍵部件的初步設計，並對所設計的軋機進行強度和剛度的校核。
（3）根據對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件的初步理論設計，選擇 Creo5.0 作為建模軟體，完成對所設計的短應力線軋機關鍵部件的參數化建模。
（4）採用 ANSYS Workbench 軟體對 Φ380 短應力線軋機關鍵部件進行結構力學分析，確定短應力線軋機各個關鍵部件的應力應變和彈性變形情況，並根據有限元分析結果，驗證軋機關鍵部件的設計符合安全生產要求。
參考文獻（略）
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