吳初練，周 洋，葉寶亭，盧獻(xiàn)忠，陳滿意

(1 武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430083; 2 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢 430068)

武鋼一熱軋E3立輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析

吳初練1，周 洋1，葉寶亭1，盧獻(xiàn)忠1，陳滿意2

(1 武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430083; 2 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢 430068)

武鋼一熱軋E3立輥軋機(jī)側(cè)壓裝置原為絲桿螺母模式。由于原絲桿螺母?jìng)?cè)壓調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操作不便,工作效率低，準(zhǔn)備更改成液壓式側(cè)壓調(diào)整裝置，因此原安裝孔尺寸需要增大。為了保證改造后機(jī)架能夠承受工作壓力，需對(duì)機(jī)架的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。建立機(jī)架有限元分析模型，確定機(jī)架載荷及約束。在擬定最大液壓缸安裝孔徑596 mm條件下對(duì)模型進(jìn)行求解。機(jī)架整體應(yīng)力關(guān)于軋制中線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，最大等效應(yīng)力為31.076 MPa;機(jī)架整體位移關(guān)于軋制中線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，側(cè)壓方向最大變形量為0.10 mm，厚度方向最大變形量為0.16 mm。計(jì)算結(jié)果表明，在擬定最大液壓缸安裝孔徑時(shí)，E3立輥軋機(jī)機(jī)架滿足強(qiáng)度、剛度要求。

立輥機(jī)架；有限元；應(yīng)力；變形

武鋼一熱軋E3立輥軋機(jī)側(cè)壓裝置原為絲桿螺母模式。工作時(shí)，74 kW直流電機(jī)通過(guò)總傳動(dòng)比為9.72的兩級(jí)齒輪減速器，藉由兩根外徑為180 mm,螺距為10 mm的螺桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)立輥并產(chǎn)生側(cè)壓力。返回時(shí)，通過(guò)兩個(gè)油缸拉回立輥。此裝置左右各一套，中間用同步軸保持同步。由于原絲桿螺母?jìng)?cè)壓調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操作不便,工作效率低，準(zhǔn)備更改成液壓式側(cè)壓調(diào)整裝置，即將原4個(gè)絲桿螺母機(jī)構(gòu)換成4個(gè)液壓缸，直接驅(qū)動(dòng)兩側(cè)立輥。將絲桿螺母換成液壓缸，原安裝孔的尺寸因此需要增大，但增大安裝孔會(huì)對(duì)立輥機(jī)架的承載能力產(chǎn)生影響。為了保證側(cè)壓裝置由絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)裝置改成液壓調(diào)整裝置后，機(jī)架能夠承受工作壓力，須對(duì)機(jī)架的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

1.1 側(cè)壓裝置工作原理

1 700 mm熱帶鋼連軋機(jī)組包括粗軋機(jī)組和精軋機(jī)組。粗軋機(jī)組由4架立輥軋機(jī)El、E2、E3、E4和4架粗軋機(jī)R1、R2、R3、R4構(gòu)成；而精軋機(jī)組由F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7等7架精軋機(jī)構(gòu)成。每臺(tái)立輥軋機(jī)后面緊挨著一臺(tái)水平粗軋機(jī)，兩臺(tái)軋機(jī)聯(lián)成一體實(shí)現(xiàn)連軋(El與R1、E2與R2、E3與R3以及E4與R4各成一組)。立輥軋機(jī)起定寬作用(AWC)。側(cè)壓裝置分布于軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)。兩側(cè)側(cè)壓裝置共同作用可調(diào)整軋輥的開(kāi)口度，以適應(yīng)不同寬度中間坯的軋制。兩側(cè)側(cè)壓裝置可單動(dòng)也可聯(lián)動(dòng)。兩側(cè)側(cè)壓裝置由安裝在機(jī)架外側(cè)的側(cè)壓液壓缸調(diào)整軋輥的位置。

Z動(dòng)路線：74 kW直流電機(jī)—立輥調(diào)整Ⅰ軸—立輥調(diào)整Ⅱ軸—右旋絲桿軸(37 kW)。左旋絲桿軸(37 kW)通過(guò)與右旋絲桿軸之間一對(duì)嚙合的齒輪副換向，實(shí)現(xiàn)功率分流及機(jī)械同步。

1.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)

E3立輥機(jī)架系整體焊接結(jié)構(gòu)，采用Q235A焊接而成。機(jī)架是軋機(jī)最終承受軋制力的部件，需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。E3立輥軋機(jī)位于R3水平軋機(jī)入口側(cè)基座上，機(jī)架出口側(cè)側(cè)面與水平軋機(jī)架連接在一起。其三維模型如圖1所示。原機(jī)架橫向兩側(cè)面各有2個(gè)Φ495H7孔(圖1a)，用于安裝絲桿。機(jī)架出口側(cè)上部?jī)蓚€(gè)耳座與R3機(jī)架通過(guò)4個(gè)螺栓固定聯(lián)接；底部?jī)蓚€(gè)耳座通過(guò)4個(gè)地腳螺栓與基礎(chǔ)固定聯(lián)接(圖1b)。

材質(zhì)信息：型號(hào)，Q235A；彈性模量，2×105MPa；泊松比，0.3；密度，7.85×10-6kg/mm3；屈服強(qiáng)度σs，185MPa[1]。

圖 1 E3立輥軋機(jī)機(jī)架三維模型

2 機(jī)架載荷及約束

側(cè)壓力依據(jù)原絲桿軸向力確定。已知電機(jī)的輸出功率P=74kW，轉(zhuǎn)速n=1 150r/min。由于電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈分流同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，在不考慮傳動(dòng)效率的情況下，單根絲桿的功率P0=37kW。絲杠材料為34CrNiMo(SNCM8)，螺母材料為SAE-430B，總傳動(dòng)比i= 9.72。經(jīng)過(guò)計(jì)算，每個(gè)液壓缸以268.825kN的拉力，以均布載荷的形式分別作用在每個(gè)聯(lián)接螺栓的截面上。

2.1 機(jī)架載荷

改造后的E3立輥軋機(jī)采用全液壓壓下，4個(gè)液壓缸法蘭通過(guò)螺栓與底座連接。工作時(shí)高壓油作用在油缸活塞上，推動(dòng)立輥；另一方面，高壓油反作用于缸底，通過(guò)缸壁傳到油缸法蘭，經(jīng)由螺栓作用在機(jī)架上。

2.2 機(jī)架約束

由于機(jī)架出口側(cè)上部2個(gè)耳座與R3機(jī)架通過(guò)4個(gè)螺栓固定聯(lián)接，底部2個(gè)底座通過(guò)4個(gè)地腳螺栓與基礎(chǔ)固定聯(lián)接，機(jī)架載荷及約束情況見(jiàn)圖2。

圖 2 機(jī)架載荷及約束

3 E3機(jī)架有限元分析

3.1 約束分析

E3機(jī)架的側(cè)壓力小于E2機(jī)架，故E3液壓缸的規(guī)格不會(huì)超過(guò)E2液壓缸。按照E2液壓缸安裝圖，液壓缸由24個(gè)M36螺栓固定在機(jī)架上。若E3機(jī)架采用E2機(jī)架的液壓缸安裝形式(即24個(gè)M36螺栓)，擬定最大液壓缸安裝孔徑D=596mm。

機(jī)架約束：

1)機(jī)架上部?jī)蓚€(gè)耳座與R3機(jī)架通過(guò)4個(gè)螺栓固定聯(lián)接(四個(gè)螺栓孔的 8 個(gè)圓柱面施加對(duì)稱(chēng)邊界條件約束，兩個(gè)耳座和R3機(jī)架的接觸面施加位移約束 (軋制方向位移UZ=0) ；

2)底部?jī)蓚€(gè)底座通過(guò)4個(gè)地腳螺栓與基礎(chǔ)固定聯(lián)接(底座的四個(gè)地腳螺栓孔的 8 個(gè)圓柱面施加對(duì)稱(chēng)條件約束，兩個(gè)底座地基的接觸面施加位移約束 (厚度方向位移UY=0)。

E3立輥機(jī)架的載荷及約束如圖3所示。

圖 3 載荷及約束

圖 4 等效應(yīng)力云圖

3.2 機(jī)架應(yīng)力

擬定最大安裝孔徑時(shí)E3立輥機(jī)架的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。分析應(yīng)力云圖，機(jī)架的等效應(yīng)力分布規(guī)律是：1)機(jī)架整體應(yīng)力關(guān)于軋制中線平面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布；2)機(jī)架整體承力區(qū)域主要是在上耳座與R3機(jī)架連接處、下耳座與基座連接處，以及機(jī)架與液壓缸法蘭連接處。其他地方應(yīng)力水平均較低；3)最大等效應(yīng)力為σmax= 31.076MPa，發(fā)生在上耳座與R3機(jī)架連接處外側(cè)直角處，表明該處有一定的應(yīng)力集中；4)機(jī)架與液壓缸法蘭連接處的應(yīng)力并不沿螺栓孔分布圓周方向均勻分布，而是沿厚度方向較大，沿軋制方向較小。

立輥機(jī)架的靜強(qiáng)度安全系數(shù)

3.3 機(jī)架變形

1)機(jī)架的變形主要發(fā)生在X、Y方向。擬定最大安裝孔徑D=596mm時(shí)，立輥機(jī)架X(側(cè)壓)方向、Y(厚度)方向上的位移云圖如圖5所示。分析位移云圖，機(jī)架的位移分布規(guī)律是：機(jī)架整體位移大體上關(guān)于軋制中線平面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布；2)機(jī)架X(側(cè)壓)方向上，最大位移發(fā)生在與液壓缸法蘭連接處，出口側(cè)與入口側(cè)的X方向位移差別不大；3)機(jī)架Y(厚度)方向上，最大位移發(fā)生在出口側(cè)，出口側(cè)與入口側(cè)的Y方向位移差別較大，從入口側(cè)至出口側(cè)Y方向位移逐漸增大。

圖 5 擬定最大安裝孔徑時(shí)立輥機(jī)架位移云圖

機(jī)架X(側(cè)壓)方向最大變形量：

fX=0.050468-(-0.050494)=0.1010mm

機(jī)架Y(厚度)方向最大變形量：

fY=0.002798-(-0.160476)=0.1633mm

對(duì)于熱軋機(jī)架，彈性變形一般不應(yīng)超過(guò)1.0mm[1]，故機(jī)架剛度滿足要求。

4 結(jié)論

1)機(jī)架整體應(yīng)力關(guān)于軋制中線平面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分

布。承力區(qū)域主要是在上耳座與R3機(jī)架連接處、下耳座與基座連接處，以及機(jī)架與液壓缸法蘭連接處，其他地方應(yīng)力水平均較低。最大等效應(yīng)力為 31.076MPa，且發(fā)生在上耳座與R3機(jī)架連接處外側(cè)直角處。

2)機(jī)架整體位移大體上關(guān)于軋制中線平面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。機(jī)架側(cè)壓方向上，最大位移發(fā)生在與液壓缸法蘭連接處，出口側(cè)與入口側(cè)的位移差別不大；機(jī)架厚度方向上，最大位移發(fā)生在出口側(cè)，出口側(cè)與入口側(cè)的位移差別較大，從入口側(cè)至出口側(cè)位移逐漸增大。

3)在擬定液壓缸安裝最大孔徑為596mm、液壓缸最大側(cè)壓力為268.825kN條件下，E3立輥軋機(jī)機(jī)架滿足強(qiáng)度、剛度要求。

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2] 黃華梁，彭文生. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 第三版.北京:高等教育出版社,2006.

[3] 黃慶學(xué). 軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[責(zé)任編校： 張 眾]

Finite Element Analysis of E3 Vertical Hot-rolling Mill Housing of WISCO

WU Chulian1，ZHOU Yang2，YE Baoting1，LU Xianzhong1，CHEN Manyi2

(1WISCOHeavyindustrygroup,Wuhan430083,China;2WuhanUniv.ofTech.,Wuhan430070,China)

Screw driving is used for the side press device of E3vertical hot-rolling mill housing. Since the screw driving is of complex structure, inconvenient operation, poor efficiency, hydraulic pressure adjusting device is a substitute for it, it is necessary to increase the size of the mounting hole. In order to ensure the strength and stiffness of the housing, the calculation and analysis of the housing is needed before the transformation of the strength. Firstly, the finite element analysis model of the housing was established, and the load and constraint was determined. Secondly, the finite element analysis model was solved under the maximum hydraulic cylinder mounting hole 596mm. The results demonstrate that, the whole housing stress is distributed symmetrically on rolling line, and the maximum Von Mises stress is 31.076Mpa. The whole housing deformation is distributed symmetrically on rolling line, and maximum deformation of side direction is 0.10mm, the maximum deformation in thickness direction is 0.16mm. The results show that, under the maximum hydraulic cylinder mounting hole, E3 vertical hot-rolling mill housing can meet the strength and stiffness requirements.

vertical rolling housing; finite element; stress; deformation

2015-04-20

吳初練(1971-)，男，湖北鄂州人，武漢鋼鐵重工集團(tuán)有限公司工程師，研究方向?yàn)橐苯鹧b備制造

陳滿意(1966-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)字制造，齒輪傳動(dòng)

1003-4684(2015)04-0070-03

TH122

A