2150萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度有限元分析

鄭云龍，涂川，李繼宏，曹帥，馬成斌，鞠德強(qiáng)

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山114021）

鞍鋼2150熱連軋生產(chǎn)線是我國(guó)自行研制設(shè)計(jì)開發(fā)的熱軋帶鋼生產(chǎn)線，裝機(jī)程度達(dá)到世界先進(jìn)水平。為滿足該生產(chǎn)線軋制工藝需要，在粗軋區(qū)布置了一架萬(wàn)能軋機(jī)，實(shí)現(xiàn)了板坯每道次壓下與側(cè)邊的連軋，大大提高了軋線的生產(chǎn)效率。機(jī)架作為軋機(jī)的關(guān)鍵部件，其力學(xué)性能直接影響軋機(jī)壽命和帶鋼生產(chǎn)質(zhì)量。因此，文中對(duì)2150熱連軋軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了深入的研究，為今后軋機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和改造等提供一定的理論依據(jù)和參考資料。

1 萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架有限元模型的建立

2150萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架由一個(gè)主機(jī)架 （水平輥機(jī)架）和兩個(gè)位于其前后的立輥機(jī)架組成，這三個(gè)軋機(jī)機(jī)架各自具有用于固定用的地腳螺栓，兩個(gè)立輥機(jī)架分別與主機(jī)架靠一組定位螺栓把合，因此三個(gè)機(jī)架不屬于剛性連接，需分別建模進(jìn)行分析，其機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2150萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

1.1 萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架模型的建立

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型簡(jiǎn)化是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。建立模型時(shí)既要如實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特性，又要盡量采用較少的單元和簡(jiǎn)單的單元形態(tài)[1]。在建立萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架有限元模型時(shí)，根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)需要對(duì)真實(shí)模型作以下簡(jiǎn)化：

（1）考慮到主機(jī)架幾何形狀和載荷的對(duì)稱性，故取其一側(cè)牌坊建立三維有限元模型；

（3）由于萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架上的油孔和螺紋孔對(duì)主機(jī)架的分析影響很小，故將其忽略。

2150萬(wàn)能軋機(jī)主機(jī)架和立輥軋機(jī)機(jī)架在ANSYS前處理器中直接建立的三維模型如圖2所示。

圖2 機(jī)架三維模型

1.2 材料設(shè)置與單元網(wǎng)格劃分

采用智能網(wǎng)格控制，對(duì)模型中機(jī)架的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，智能網(wǎng)格控制能在彎曲和臨界區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，生成合理的自由網(wǎng)格，使網(wǎng)格的粗細(xì)比例恰當(dāng)，既滿足解題的精度要求又節(jié)省計(jì)算空間。

2 邊界約束及載荷的處理與計(jì)算

2.1 邊界條件的約束處理

文中只研究承受軋制力時(shí)機(jī)架的力學(xué)特性，根據(jù)機(jī)架實(shí)際地腳螺栓約束情況，為有限元模型進(jìn)行約束。由于主機(jī)架地腳螺栓主要限制主機(jī)架水平方向位移，而地基限制主機(jī)架垂直方向位移，因此，對(duì)主機(jī)架地腳螺栓孔的內(nèi)表面施加X(jué)、Z兩個(gè)方向的零位移約束；對(duì)主機(jī)架與地基的接觸面施加Y方向的零位移約束。立輥機(jī)架地腳螺栓主要限制主機(jī)架水平方向位移，地基限制了立輥機(jī)架垂直方向位移，因此，對(duì)立輥機(jī)架地腳螺栓孔的內(nèi)表面施加X(jué)、Z兩個(gè)方向的零位移約束；對(duì)立輥機(jī)架與地基的接觸面施加Y方向的零位移約束。

2.2 外載荷的施加

軋機(jī)機(jī)架在軋制過(guò)程中的受力很復(fù)雜，不僅需要承受軋制力，還要承受由其他因素引起的水平方向力，機(jī)架主要受力如下：

（1）通過(guò)支撐輥軸承座、壓下螺絲等作用在機(jī)架橫梁上的軋制力；

（2）各種水平力在機(jī)架上形成的傾翻力矩（包括不正常傳動(dòng)時(shí)所引起的傾翻力矩）在機(jī)架下支撐面上引起的反力；

（3）軋輥平衡裝置所引起的作用于機(jī)架橫梁上的附加力；

（4）由于萬(wàn)向接軸的傾斜傳動(dòng)引起的作用于主機(jī)架立柱上的周向沖擊力；

如果僅需知道μ是否為Bessel測(cè)度而無(wú)需知道其界, 只需知道F*是否有意義即可。 因此有下面的推論。

（5）軋輥輥頸摩擦力矩通過(guò)軸承座在機(jī)架上引起的反力；

（6）坯料咬入時(shí)由加減速引起的作用在機(jī)架上的水平慣性力；

（7）由帶材前后張力差引起的作用于機(jī)架上的水平力；

（8）機(jī)架自身所受的重力。

將機(jī)架上各項(xiàng)受力進(jìn)行比較，軋制力值最大，其它各項(xiàng)受力均遠(yuǎn)小于軋制力，因此，忽略其它各項(xiàng)力的影響，僅取實(shí)際最大軋制力為外載荷，即：以主機(jī)架承受4 000 t軋制力和立輥機(jī)架承受300 t軋制力作為外載。機(jī)架的約束情況和受力情況如圖3所示。

圖3 機(jī)架加載情況

3 求解結(jié)果分析

當(dāng)上述工作完成之后便可以通過(guò)后處理器求得一些相關(guān)數(shù)據(jù)。主機(jī)架空間變形情況如圖4（a）、主機(jī)架沿Y軸方向的位移云圖（對(duì)主機(jī)架軋制精度影響最大的方向）如圖4（b）、主機(jī)架等效應(yīng)力云圖如圖4（c）所示。立輥機(jī)架空間變形情況如圖5（a）、立輥機(jī)架沿X軸方向的位移云圖 （對(duì)立輥機(jī)架軋制精度影響最大的方向）如圖5（b）、立輥機(jī)架等效應(yīng)力云圖如圖5（c）所示。

圖中不同顏色代表不同數(shù)值，淺色代表較小數(shù)值，深色代表較大數(shù)值，顏色從淺色到深色代表數(shù)值逐漸增大。

圖4 主機(jī)架變形情況

圖5 立輥機(jī)架變形情況

由圖4（a）可以分析出，主機(jī)架受力后有一定幅度的變形，即：上橫梁向上拉伸、立柱向機(jī)架內(nèi)側(cè)彎曲，靠近機(jī)架下橫梁處變形較小。圖4（b）顯示主機(jī)架沿Y軸方向的變形情況，該方向?qū)χ鳈C(jī)架軋制精度影響最大，當(dāng)軋制力為4 000 t時(shí)，它的最大變形達(dá)到0.805 mm，出現(xiàn)在上橫梁壓下螺母承載面，并且整個(gè)主機(jī)架的變形值以上橫梁壓下螺母承載面為中心，呈徑向遞減發(fā)散趨勢(shì)，由圖4（c）分析可知，當(dāng)軋制力達(dá)到4 000 t時(shí)，主機(jī)架窗口內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力較大，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在上橫梁壓下螺母鏜孔承壓面轉(zhuǎn)角處，此時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到83.7 MPa。

從圖5（a）可以看出，立輥機(jī)架受力后也有一定幅度的變形，即：四根橫梁呈向上拱起、兩側(cè)牌坊向外側(cè)傾倒的趨勢(shì)。圖5（b）顯示主機(jī)架沿X軸方向的變形情況，該方向?qū)α⑤仚C(jī)架軋制精度影響較大，當(dāng)軋制力為300 t時(shí)，它的最大變形為0.074 5 mm。由圖5（c）分析可知，當(dāng)立輥軋機(jī)軋制力最大時(shí)，其壓下螺母孔承壓面應(yīng)力較大，而立輥機(jī)架牌坊與底座連接面的外側(cè)應(yīng)力值為最大，最大應(yīng)力值為18.2 MPa。

從以上模擬結(jié)果可以看出，2150萬(wàn)能軋機(jī)機(jī)架包括主軋機(jī)機(jī)架和立輥軋機(jī)機(jī)架兩部分，無(wú)論主軋機(jī)達(dá)到最大軋制力還是立輥軋機(jī)達(dá)到最大軋制力，其各自變形量均小于對(duì)粗軋機(jī)最大變形量的要求。當(dāng)主軋機(jī)軋制力達(dá)到最大時(shí)，主機(jī)架的最大應(yīng)力發(fā)生在壓下螺母孔承壓面轉(zhuǎn)角上，且機(jī)架窗口轉(zhuǎn)角的內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，與實(shí)際情況基本一致。2150萬(wàn)能軋機(jī)的主機(jī)架與立輥機(jī)架均為ZG25的鑄鋼件，其強(qiáng)度極限為450 MPa，當(dāng)主軋機(jī)機(jī)架或立輥軋機(jī)機(jī)架達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，其安全系數(shù)均足夠。由分析可知，主機(jī)架上橫梁壓下螺母鏜孔承壓面轉(zhuǎn)角處是機(jī)架最薄弱的地方[2]，正是這一點(diǎn)限制了軋制力的提高，在改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視該處結(jié)構(gòu)尺寸的合理設(shè)計(jì)，以保證整體機(jī)架強(qiáng)度安全可靠。此外，由立輥軋機(jī)的應(yīng)力分析可知，在設(shè)計(jì)其他立輥軋機(jī)機(jī)架或?qū)υ摿⑤佨垯C(jī)進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)，不僅要考慮壓下螺母孔臺(tái)階面的強(qiáng)度情況，還要考慮牌坊與底座連接處的強(qiáng)度，進(jìn)而保證整個(gè)立輥軋機(jī)的強(qiáng)度安全可靠。

4 結(jié)論

（1）2150萬(wàn)能軋機(jī)的主機(jī)架與立輥機(jī)架均為ZG25的鑄鋼件，其強(qiáng)度極限為450 MPa，當(dāng)主軋機(jī)或立輥軋機(jī)達(dá)到最大軋制力時(shí)，該軋機(jī)滿足粗軋機(jī)對(duì)機(jī)架強(qiáng)度的要求。

（2）當(dāng)主軋機(jī)軋制力達(dá)到最大時(shí)，主軋機(jī)最大應(yīng)力發(fā)生在壓下螺母孔承壓面轉(zhuǎn)角上，且機(jī)架窗口轉(zhuǎn)角的內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，與實(shí)際情況基本一致。

（3）主機(jī)架上橫梁壓下螺母鏜孔承壓面轉(zhuǎn)角處是機(jī)架最薄弱的地方，可作為機(jī)架優(yōu)化的重要切入點(diǎn)，以保證整體機(jī)架強(qiáng)度安全可靠。

（4）通過(guò)立輥軋機(jī)的應(yīng)力分析可知，立輥軋機(jī)牌坊與底座連接處對(duì)保證整個(gè)立輥軋機(jī)的強(qiáng)度安全可靠性起到重要作用。