唐軍龍 王南 李世然

摘 要：針對軋輥表面磨損后，軋件精度降低的問題，文章設(shè)計了一種新型小型萬能精軋機(jī)的徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在線補(bǔ)償軋輥的磨損量。首先利用SolidWorks建立各主要零件三維模型并進(jìn)行裝配。以軋制HW150×150小規(guī)格H型鋼最后一道次為例，利用S.艾克隆德方法計算出軋制力，運用Workbench代替?zhèn)鹘y(tǒng)的材料力學(xué)方法對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，獲得了軋制過程中關(guān)鍵部件的變形特性和應(yīng)力分布情況。該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)中將實現(xiàn)一機(jī)多用的柔性生產(chǎn)，節(jié)省設(shè)備投資，提高軋材精度、提高軋機(jī)生產(chǎn)效率，降低設(shè)備投資成本。

關(guān)鍵詞：H型鋼；萬能精軋機(jī)；徑向調(diào)節(jié)；Workbench

1 概述

H型鋼具有諸多優(yōu)點，其截面形狀合理經(jīng)濟(jì)，且力學(xué)性能良好，同時截面上的各個節(jié)點延伸比較均勻、內(nèi)應(yīng)力較小，相較于普通工字鋼，其具有重量輕、截面模數(shù)大、節(jié)省金屬的特點，可使建筑結(jié)構(gòu)重量減輕30%-40%；又因為H型鋼腿內(nèi)外兩側(cè)平行，腿端是直角，依靠組合成建筑結(jié)構(gòu)，可節(jié)約25%的鉚接、焊接工作量。被廣泛應(yīng)用于要求截面穩(wěn)定性好、承載能力大的大型建筑，以及船舶、橋梁、起重運輸機(jī)械、支架、設(shè)備基礎(chǔ)、基礎(chǔ)樁等。這些優(yōu)良的特點都使H型鋼擁有了廣大的市場需求和寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。目前國內(nèi)生產(chǎn)H型鋼的廠家主要有馬鋼、津西等鋼鐵公司。但各廠家的型鋼生產(chǎn)比較依賴國外技術(shù)，生產(chǎn)線主要從國外整體引進(jìn)，設(shè)備的維護(hù)等工作都受到相應(yīng)的制約，可見國內(nèi)萬能軋機(jī)的自主創(chuàng)新是十分必要的。此外傳統(tǒng)萬能軋機(jī)由四個軋輥所圍成的孔腔是固定的，即軋輥徑向是固定的，一般不進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，這就會導(dǎo)致當(dāng)軋輥輥面磨損后，孔腔會變大，從而導(dǎo)致軋材的尺寸變大。當(dāng)需要進(jìn)行軋輥的徑向調(diào)整時，往往是要用對軋輥進(jìn)行單獨傳動來實現(xiàn)。但是軋輥單獨傳動的機(jī)器結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜和龐大。

文章基于這樣的背景提出了一種新型小型萬能軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計，利用SolidWorks建立其三維模型并進(jìn)行裝配；以軋制HW150×150型鋼為例，取壓下量為1mm求得最后一道次軋制力；將關(guān)鍵承力部件模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行有限元分析，得出變形特性及應(yīng)力分布規(guī)律。

2 機(jī)構(gòu)三維建模及軋制原理

2.1 軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計

該萬能軋機(jī)徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要有兩個系統(tǒng)組成，分別是機(jī)架（附帶壓下裝置）、輥系（包括軋輥、軸承座、支撐梁、錐齒輪等）。機(jī)架四邊各均布有兩個壓下螺紋孔，用于安放壓下螺絲；支撐梁分為寬腿支撐梁和窄腿支撐梁，如圖1（a）、（b）所示，梁的內(nèi)面開有燕尾槽，用于和軸承座底部的燕尾塊連接，軸承座如圖1（c）所示，外面有兩個與壓下螺絲相連的環(huán)形孔腔，兩條腿部末端加工出與軸承座側(cè)面燕尾槽相配合的燕尾塊，并在一條腿部加工出圓形孔腔，用于安放軋輥軸，實現(xiàn)軋輥的軸向固定，此外寬腿梁腿部開有方形孔腔，這樣可使窄腿梁的腿部穿過，裝配時寬、窄腿梁交叉放置。

圖1 主要零件三維圖

2.2 機(jī)構(gòu)特點與調(diào)節(jié)原理

方形機(jī)架四條邊上裝有壓下機(jī)構(gòu)，通過壓下螺絲與對應(yīng)的支撐梁連接，實現(xiàn)支撐輥系的壓下；在支撐輥系內(nèi)部，支撐梁與軸承座的連接處均采用燕尾塊燕尾槽連接；錐齒輪1通過鎖緊螺母2和鍵3固定在軸套8上，軸套8通過鎖緊螺母5、端蓋9、軸承10與對應(yīng)軸承座4軸向相互固定，軸套通過滑鍵6與支撐輥芯軸7相連，與芯軸7同步轉(zhuǎn)動并可沿其軸向移動，具體實施方式見局部視圖2。裝配時，上下壓下機(jī)構(gòu)連接寬腿支撐梁，左右壓下機(jī)構(gòu)連接窄腿支撐梁，假設(shè)四軋輥孔腔中心為原點，上下梁，左右梁均分別關(guān)于原點對稱。下軋輥為動力輸入端連接動力輸出設(shè)備。

以上支撐梁壓下為例介紹調(diào)節(jié)原理，如裝配圖3所示，壓下螺絲3，帶動寬腿支撐梁4向下移動，推動左右軸承座1及軋輥向下移動，完成對上軋輥的徑向調(diào)節(jié)。同時上軋輥軸必然帶動其兩端的錐齒輪向下移動，上支撐梁腿部推動軸承座以及與該軸承座軸向相互固定的錐齒輪向下移動相同距離，從而在調(diào)節(jié)過程中，保持錐齒輪的嚙合關(guān)系。同理可進(jìn)行其他三輥的徑向單獨調(diào)節(jié)。

2.3 軋制特點

該徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)相互交叉的四支撐梁相鄰成90°布置，每個支撐梁執(zhí)行壓上或壓下時，通過錐齒輪同步嚙合而實現(xiàn)四軸各自的徑向調(diào)節(jié)，達(dá)到孔腔的細(xì)微調(diào)整；該機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)時，可實現(xiàn)精密軋制，同時不改變錐齒輪的嚙合關(guān)系；亦可實現(xiàn)軋輥磨損后或軋輥錯位后的在線調(diào)整，減少了換輥作業(yè)，提高了生產(chǎn)率；通過拆除錐齒輪，可以實現(xiàn)四軸單獨傳動，或者兩軸傳動，同樣保持各軸的徑向調(diào)節(jié)功能；該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以用于管、棒、線材軋機(jī)或H型鋼、工字鋼等萬能軋機(jī)的軋輥徑向調(diào)節(jié)和傳動，以及四輥管材軋機(jī)、四輥張力減徑機(jī)和其他設(shè)備；此外該機(jī)構(gòu)使得軋機(jī)整體尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊湊，大大降低了設(shè)備的制造、維護(hù)和使用成本。

3 關(guān)鍵部件靜力學(xué)有限元分析

隨著計算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的廣度和深度不斷發(fā)展，它在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短周期、節(jié)約成本方面發(fā)揮了越來越重要的作用。 Workbench軟件具有強(qiáng)大的裝配體自動分析功能和自動化網(wǎng)格劃分功能[1]，因此文章采用它作為有限元分析工具。由于機(jī)構(gòu)的對稱性，選取機(jī)構(gòu)四分之一裝配體，去除倒角圓角等對分析影響較小的部分，作簡化處理后整體導(dǎo)入Workbench中。

3.1 軋制背景

軋制背景為：軋制材料為Q235，壓下前H型腹板厚度8mm，取壓下量1mm。軋制溫度取下限800℃，軋制速度為10m/s。各主要零件屬性如表1所示。

表1 各主要零件的屬性

3.2 軋制力的計算

型鋼在孔型中軋制時，軋機(jī)被強(qiáng)迫寬展，同時孔型側(cè)壁又限制了軋件的寬展，產(chǎn)生側(cè)向壓縮和較大的摩擦力。由于孔型的限制，變形區(qū)內(nèi)金屬變形很不均勻，因而在孔型軋制時應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜。一般采用艾克隆德方法來計算型鋼軋機(jī)軋制力[2]。因為水平輥的軋制力要大于立輥軋制力，所以單純計算水平輥軋制力作為有限元分析的載荷。

艾克隆德提出軋制時的平均單位壓力

Pm=（1+m）（k+？濁u） （1）

式中：m-考慮外摩擦對單位壓力的影響系數(shù)；k-軋制材料在靜壓縮時變形阻力，MPa；？濁-軋件粘性系數(shù)，kg·s/mm2；u-變形速度，S-1。

總壓力P為軋制平均單位壓力Pm與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即P=pmF；接觸面積F的一般形式為

F=■L （2）

式中：b0，b1-軋制前、后軋件的寬度；L-接觸弧長度的水平投影。綜合各參數(shù)后，得出軋制力約為42噸。

3.3 載荷和約束的施加

在軋制過程中，主要零部件受力很復(fù)雜，包括軋制力、摩擦力、附加力、沖擊力等，其中軋制力最大，其他力遠(yuǎn)小于軋制力，因此，忽略其他力的影響，只取軋制力為外載荷[3]。軋制力為42噸，作用于軋輥下母線，垂直向上。支撐梁背部的兩個環(huán)形孔腔底部各承受壓下螺絲給予豎直向下的21噸壓力。支撐梁兩腿端處施加零位移約束。

3.4 結(jié)果的分析

等效應(yīng)力圖如圖4左圖所示，最大值發(fā)生在軸承處，為181.25MPa，其余部分的等效應(yīng)力均小于20.139MPa，支撐梁必須具有強(qiáng)大的強(qiáng)度儲備，取安全系數(shù)為10，對于ZG270-500來說，其強(qiáng)度限？滓b=500～600MPa，許用應(yīng)力[？滓]取50MPa，大于20.139MPa，滿足強(qiáng)度要求。

有限元分析得到裝配體的總變形如圖4右圖所示，變形最大處位于軋輥工作面處，最大變形位移為0.061824mm，輥面處的變形會影響軋件的精度但從軋制H型鋼的實際情況來看，實際容許的變形量要比0.061824mm大得多，能夠滿足軋件的精度要求。

圖4 裝配體等效應(yīng)力圖（左）及總變形圖（右）

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)H型鋼萬能軋機(jī)長時間連續(xù)工作輥面磨損后，孔腔變大造成軋件精度下降的問題，文章提出了一種新型徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可動態(tài)調(diào)節(jié)壓下量，在線補(bǔ)償軋輥磨損量，實現(xiàn)精密軋制。對關(guān)鍵部件裝配后，運用Workbench進(jìn)行有限元分析，得出其變形特性和應(yīng)力分布情況，其精度和強(qiáng)度均滿足軋制要求。該徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于軋機(jī)上，可減少換輥作業(yè)，會使生產(chǎn)效率相應(yīng)的提高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時節(jié)省設(shè)備投資，達(dá)到節(jié)能減排的目的，也具有良好的環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)

[1]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].（第三版）北京：清華大學(xué)出版社，2013.

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[3]郭年琴，劉超，胡明振.U3-500H型鋼軋機(jī)機(jī)架的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計，2008，25（9）：74-75.

作者簡介：唐軍龍，在讀研究生。