1580熱軋鍛鋼復合支承輥數(shù)值仿真分析*

孫熙釗，劉振立

(1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025; 2.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北 邢臺 054025)

0 引 言

復合支承輥是軋輥家族中的一個分支，其基本方法是用韌性較好的材料制成芯軸，用高硬度、高耐磨的材料制成輥套，通過過盈配合方式將芯軸、輥套聯(lián)結(jié)成一體，組成一種新型的軋輥。這種軋輥具有較好的韌性、不易折斷，又具有較高的硬度和耐磨性而不易磨損，綜合機械性能良好。并且由于輥芯可重復使用，能節(jié)省大量費用。復合支承輥的應(yīng)用和發(fā)展對防止斷輥，降低輥耗，提高軋機作業(yè)率、降低軋制成本有著十分重要的意義。

筆者對鍛鋼復合支承輥應(yīng)力分布、輥套厚度確定問題，利用大型有限元分析軟件 ANSYS軟件對進行了數(shù)值模擬，分析了不同輥套厚度、輥套和輥芯過盈量對裝配表面等效應(yīng)力的影響，以期為高性能熱裝組合式支承輥的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值仿真前處理

1.1 有限元模型的建立

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析。ANSYS Workbench是以項目流程圖的方式，將各種數(shù)值模擬方法集成到統(tǒng)一的平臺中，進而實現(xiàn)不同軟件之間的無縫連接。以某鋼廠1580熱軋復合支承輥為研究對象，相關(guān)參數(shù)：輥套為鍛鋼套，輥軸為42CrMo，輥身直徑為φ1500，輥身長度為1630，材料參數(shù)見表1所列。

表1 材料參數(shù)

以某1580熱軋機組為背景，熱裝組合式支承輥如圖1 所示，熱裝后輥套內(nèi)表面和輥芯外表面緊密接觸，裝配結(jié)合面直徑為d，輥套長度為L。

圖1 鑲套支承輥模型

1.2 軋輥材質(zhì)的選擇

軋輥材料的選擇與軋輥工作特點及損壞形式有密切關(guān)系。支承輥對工作輥起到支承作用，要求支承輥剛度好且其始終與工作輥滾動接觸，在過載時局部屈服使硬化層底部產(chǎn)生皮下微裂紋，微裂紋擴展最終造成輥身剝落，這就要求支承輥具有較高的接觸疲勞強度，良好的應(yīng)力狀態(tài)和抗裂紋擴展能力；支承輥中部易磨損形成凹陷輥型，輥身兩端接觸應(yīng)力劇增，導致掉肩剝落，要求軋輥耐磨性優(yōu)良，延緩和減輕凹陷輥型的形成。支承輥使用周期長，輥頸也長期承受交變彎曲應(yīng)力，要求輥頸具有良好的屈服強度、韌性和抗斷裂性能。根據(jù)支承輥的工作特點和使用要求，選擇輥套及支承輥輥芯的材質(zhì)如下：輥套材質(zhì)為鍛鋼材質(zhì)，輥芯材質(zhì)為42CrMo。

1.3 過盈量的選擇

過盈聯(lián)結(jié)在工程中有廣泛的應(yīng)用，特別是在一些傳遞大扭矩的場合。而要保證過盈聯(lián)結(jié)的可靠性，關(guān)鍵是要合理確定過盈量的大小，從而選取合適的配合。如果過盈配合選擇不當，將會導致聯(lián)結(jié)失效，或在受載時產(chǎn)生滑動。因此必須充分考慮各種因素對過盈量的影響，合理計算過盈量及其相關(guān)配合。

常規(guī)的設(shè)計方法主要以類比法為主，復合軋輥的過盈量一般選擇為軋輥直徑的0.03%～0.1%，但工況不同，變化很大。

過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量為：

過盈聯(lián)結(jié)件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量。

1.4 網(wǎng)格劃分

首先，由于軋輥的幾何外形比較復雜，要對軋輥進行一系列的剖分，使之能劃分六面體網(wǎng)格。其次，要對網(wǎng)格的有效性進行驗證。網(wǎng)格劃分并不是越細越好，網(wǎng)格數(shù)量太多反而會增加計算時間，降低效率。重點是使支承輥網(wǎng)格和軋件的網(wǎng)格互相匹配，這樣才能獲得精確的計算結(jié)果。為此，最終確定采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2 邊界條件設(shè)置與分析計算

2.1 接觸設(shè)置

生成接觸對是整個分析的重要一步，所以要對一些參數(shù)進行設(shè)置。由于軸和套在聯(lián)接時是過盈配合，軸的外表面和套的內(nèi)孔面之間將構(gòu)成面面接觸對，摩擦系數(shù)為0.1。

圖2 接觸設(shè)置

限制支承輥的軸向移動，在設(shè)置約束時，分別定義支承輥兩端面不可平移。輥身施加載荷1.96e+7N，兩端主軸頸分別施加9.8e+6N。

利用ANSYS參數(shù)管理器，將輥套厚度和過盈量設(shè)為輸入?yún)?shù)，在過盈量一定下，對不同輥套厚度產(chǎn)生的應(yīng)力進行對比分析，等效應(yīng)力設(shè)為輸出參數(shù)，輥套厚度分別取100、110、120，如圖3所示。

圖3 輥套厚度和應(yīng)力的關(guān)系

由圖3可知，當過盈量為不變，輥套厚度為100、110、120時，應(yīng)力分別為106.54、101.68、101.86 MPa，套厚為110時應(yīng)力最小，所以套厚選取110較為合適。

2.2 建立輥套軸向應(yīng)力分布

通過對輥套建立線性應(yīng)力分布，得到支承輥沿輥身長度方向的應(yīng)力值的分布情況，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)輥套端部的應(yīng)力值較輥套中間的應(yīng)力值較大一些，對輥套端部進行倒角處理，很好的抵消了由于軋輥彎曲造成的影響，減少一些應(yīng)力集中點的存在。

圖4 輥套軸向應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

(1) 通過對支承輥工作特點和失效形式的分析，對復合軋輥的材質(zhì)進行了選擇，輥套材料為鍛鋼，輥芯材料為 42CrMo。給出了輥套與輥芯過盈量的計算原則和方法，得出了過盈量的選擇范圍。

(2) 通過對比在輥套厚度分別為100、110、120時的應(yīng)力值，套厚為110時應(yīng)力最小，所以套厚選取110較為合適。輥套越厚，軋制過程中輥套和輥芯結(jié)合處影響越小，這有利于減少二者之間的滑動可能性。因此，如果強度和加工工藝允許的情況下，輥套可以選擇厚一點，這樣也可以為軋輥預留足夠的磨削余量。

(3) 通過建立線性應(yīng)力，輥套端部的應(yīng)力值較輥套中間的應(yīng)力值較大一些，最大等效應(yīng)力在靠近輥套的邊緣不遠處，所以在設(shè)計輥套時為減小應(yīng)力，在邊部應(yīng)設(shè)計有倒角。

(4) 通過對復合支承輥的分析、計算，得到了輥套厚度和應(yīng)力的關(guān)系、輥套軸向應(yīng)力線性分布情況，為復合式軋輥的研制提供了理論依據(jù)。