陳灝

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，重視中板精軋機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。本文主要介紹中板精軋機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析的有關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 中板；精軋機(jī)；機(jī)架；剛度；強(qiáng)度；應(yīng)力；荷載；

中圖分類號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

軋機(jī)機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要非更換部件。軋機(jī)機(jī)架要承受軋制力，其結(jié)構(gòu)和受力狀況及使用工況都比較復(fù)雜。軋機(jī)機(jī)架的變形、剛度和強(qiáng)度直接影響到軋機(jī)的工作安全性和所軋制產(chǎn)品的尺寸規(guī)格與精度。對(duì)軋機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力計(jì)算和分析具有重要的實(shí)際意義。根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。閉式機(jī)架是一個(gè)整體框架，具有較高強(qiáng)度和剛度，可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求。閉式機(jī)架主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等，以獲得較好的軋件質(zhì)量。

一、中板精軋機(jī)機(jī)架的概述

軋機(jī)是鋼鐵板材生產(chǎn)線的主要設(shè)備，機(jī)架是軋機(jī)的重要部件，影響軋材板形精度的因素很多，其中，軋機(jī)系統(tǒng)垂直方向的間隙和彈性變形是主要因素。

機(jī)架是軋機(jī)的重要承載部件，在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機(jī)架，并由機(jī)架全部吸收不再傳給地基，因此，機(jī)架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。在軋制過程中，機(jī)架的受力情況較復(fù)雜，作用在機(jī)架上的力包括軋制力、帶材前后張力差引起的立柱上水平力、軋輥平衡裝置在機(jī)架上下橫梁的附加力、各種水平力形成的傾翻力矩在機(jī)架下支承面的反力等，其中軋制力最大。軋制過程中，在軋制力的作用下，軋機(jī)上一系列零件相應(yīng)產(chǎn)生彈性變形。通常把這一系列受力零件產(chǎn)生的彈性變形的總和（工作機(jī)座的總變形）稱為軋機(jī)的彈跳值，使軋件的厚度尺寸和斷面形狀發(fā)生變化。在軋鋼生產(chǎn)中，工作機(jī)座的剛度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響 ，如果軋機(jī)沒有足夠大的剛性，在軋制過程中將會(huì)產(chǎn)生較大的彈跳值，或者當(dāng)軋制壓力由于種種原因發(fā)生變化時(shí)（如張力發(fā)生變化、軋件溫度和機(jī)械性能不均勻等），此彈跳值也要發(fā)生變化，造成產(chǎn)品厚度尺寸和斷面形狀的改變，使板材厚度尺寸和斷面形狀達(dá)不到所要求的軋制精度。

二、有限元法簡介

有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等問題的數(shù)值解法。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析中，利用彈性力學(xué)有限元法建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動(dòng)力響應(yīng)（包括響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力）。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，所以在短短 50 多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。

有限元法是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)先人為地分割成許多單元，并認(rèn)為單元與單元之間只通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)，力也只通過節(jié)點(diǎn)作用。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分片近似的思想，假定單元位移函數(shù)，利用力學(xué)原理推導(dǎo)建立每個(gè)單元的平衡方程組，再將所有單元的方程組，組織集成表示整個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的代數(shù)方程組，并引入邊界條件求解。應(yīng)用有限元法求解彈塑性問題的分析過程包括結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析和引入邊界條件、求解方程四個(gè)步驟。

三、有限元法求解

3. 1 建立三維模型

應(yīng)用有限元法對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)是建立一個(gè)與零件實(shí)體基本相當(dāng)?shù)?1B1的三維模型。所以是基本相當(dāng)而不用完全相同是由于實(shí)際零件常常比較復(fù)雜, 在建立模型過程中必須進(jìn)行合理的簡化。因?yàn)橐恍┚植康募?xì)小形狀或尺寸, 往往對(duì)所求解的答案并無重大影響,但會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算量, 甚至在劃分網(wǎng)格時(shí)造成不必要的困難。但同時(shí)又不應(yīng)該對(duì)關(guān)鍵部位簡化, 以免影響答案的正確性或精度。中板精軋機(jī)閉式機(jī)架所建立的全模型如圖 1。

圖 1 中板精軋機(jī)閉式機(jī)架模型

3. 2 載荷設(shè)定與約束條件

載荷的設(shè)定要正確。有些零件在不同工作狀態(tài)下, 所受的載荷也不同。因此就應(yīng)該根據(jù)求解的目的設(shè)定載荷值。例如, 該軋機(jī)的軋制載荷的設(shè)計(jì)值為 20MN, 方向是沿著機(jī)架窗口的中心線, 向上通過壓下螺母作用于機(jī)架的上橫梁上,向下則通過下軋輥軸承座作用于下橫梁中。由于軋機(jī)有左右兩個(gè)機(jī)架, 它們的結(jié)構(gòu)和受力可以看作為對(duì)稱的, 因此每個(gè)機(jī)架的受力只是全部載荷的一半。又由于所研究的機(jī)架本身及受力情況也具有對(duì)稱性。因此在它的左右對(duì)稱面和前后對(duì)稱面上都應(yīng)被看作沒有垂直于該面的位移。同時(shí), 為了減少計(jì)算工作量和便于施加約束條件, 所以實(shí)際的運(yùn)算模型只需取全模型的四分之一。對(duì)于運(yùn)算模型, 受到的載荷應(yīng)該是一個(gè)機(jī)架所受載荷的四分之一, 即每個(gè)模型的受力是 2.5MN。上述兩個(gè)對(duì)稱面及其特點(diǎn)就是它的兩個(gè)約束條件。

圖 2、圖 3是運(yùn)算模型的載荷圖及約束條件。在這里, 并沒有考慮其它的載荷, 例如咬入時(shí)在垂直方向及軋制方向的沖擊載荷。如果求解目的不同, 那么就要根據(jù)情況加以更改。

圖 2 運(yùn)算模型上的載荷

圖 3 運(yùn)算模型的約束條件

3. 3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分由軟件完成。網(wǎng)格的類型和尺寸, 軟件有推薦值?？梢阅J(rèn)它, 也可以根據(jù)需要加以重新設(shè)定, 或局部設(shè)定。根據(jù)實(shí)際情況, 除了整體基本接受默認(rèn)值外, 對(duì)立柱與上橫梁連接處作了細(xì)化, 如圖 4。四面體的邊長約 100mm, 細(xì)化部分約為 80mm。

圖 4 網(wǎng)格劃分圖

3. 4應(yīng)力分布

在確定了以上條件后, 就可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。所獲得的應(yīng)力分布常常以云圖方式表示

圖 5 應(yīng)力分布圖

不同黑度對(duì)應(yīng)了所在位置的應(yīng)力值。在標(biāo)尺的兩端顯示了應(yīng)力的最大、最小值。標(biāo)尺還標(biāo)出了材料的屈服點(diǎn)的相應(yīng)值。最大的應(yīng)力位于兩個(gè)立柱的中心面上, 壓下螺母與上橫梁的接觸面及鄰近地區(qū), 達(dá) 46MPa左右。實(shí)際上是接觸應(yīng)力及其傳遞影響。如果采取措施, 適當(dāng)增加一些接觸面積, 應(yīng)該能減小這個(gè)最大的應(yīng)力值。

人們更關(guān)心的常常是立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力, 特別是與上橫梁連接處。圖6是立柱內(nèi)側(cè)自下而上相應(yīng)位置的逐漸增大的應(yīng)力值。與上橫梁連接處 ( R150)達(dá)到最大值, 約 25. 5MPa左右。立柱外側(cè)的應(yīng)力都在 10MPa以下。由于 ZG35材料的強(qiáng)度極限為 500MPa, 而機(jī)架的安全系數(shù)一般取 10, 所以它的許用應(yīng)力為50MP a, 通過有限元法求出的最大應(yīng)力為 46M Pa,所以它的設(shè)計(jì)在強(qiáng)度方面是沒有問題的。

圖 6 立柱內(nèi)側(cè)應(yīng)力變化

如果立柱與上橫梁連接處的過渡圓弧半徑減小, 則該處的應(yīng)力會(huì)明顯增大, 在極端情況下(不設(shè)置 R ) 甚至超過壓下螺母與上橫梁的接觸面處的應(yīng)力。所以, 在這里設(shè)計(jì)足夠大的過渡半徑是完全必要的。

3. 5 變形情況

圖7是綜合位移圖。表示出了總的位移 (變形 )情況。如果需要某一個(gè)方向的位移, 也可以讓計(jì)算機(jī)用類似的方法作出相應(yīng)的單一方向的位移云圖 。

圖7 綜合位移圖

最大的垂直方向位移量在 0. 4 mm 左右, 水平方向位移兩方向都有, 上下兩端向外, 約 0. 07mm 。而立柱中段則向里有位移, 而且達(dá)到 0. 25mm 左右。又因?yàn)闄C(jī)架允許變形一般為 0. 5~ 1. 0mm, 所以在剛度方面是滿足工作要求的。

結(jié)束語

現(xiàn)代軋鋼工業(yè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，從而對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)提出了高精度和高動(dòng)態(tài)性能的技術(shù)要求。機(jī)架是軋機(jī)的重要承載部件，在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機(jī)架，并由機(jī)架全部吸收不再傳給地基，因此，機(jī)架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。因此，重視中板精軋機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分析具有重要的意義。

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