大型軋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度分析

張鵬翼

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng)471039)

機(jī)架是軋機(jī)中最重要的部件，在軋制過(guò)程中承受著主要負(fù)荷，機(jī)架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，機(jī)架的強(qiáng)度是軋機(jī)能否長(zhǎng)期安全有效工作的前提條件，因此有必要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

傳統(tǒng)的機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算方法是應(yīng)用材料力學(xué)的方法，這種方法的不足之處是存在一定的誤差及反映不出應(yīng)力集中的影響，對(duì)于機(jī)架這種較為復(fù)雜的構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)的圓角及尺寸突變處都存在不同程度的應(yīng)力集中問(wèn)題，尤其在橫梁壓下螺母孔的應(yīng)力集中，傳統(tǒng)算法無(wú)法進(jìn)行。

借助于有限元方法及數(shù)值模擬軟件，這個(gè)問(wèn)題可以很方便的解決，可以查看任意位置的應(yīng)力值。本文采用Inventor軟件對(duì)某大型鋁廠(chǎng)2400mm鋁軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)建模，并就其強(qiáng)度分別按傳統(tǒng)理論計(jì)算和有限元分析計(jì)算進(jìn)行了比較。

1 有限元分析

1.1 建立有限元模型

機(jī)架的外觀(guān)實(shí)體模型如圖1所示，本文根據(jù)以下幾點(diǎn)建立其有限元模型。

圖1 機(jī)架的三維幾何模型 圖2 機(jī)架有限元模型

(1)盡可能考慮機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使計(jì)算模型和實(shí)物尺寸一致，以求保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)在網(wǎng)格疏密程度的把握上，Inventor軟件中有一個(gè)相關(guān)性設(shè)置能夠控制使用網(wǎng)格的精細(xì)度，設(shè)置為 -100 將得到粗糙的網(wǎng)格、快速的方案以及可能明顯不準(zhǔn)確的結(jié)果。 設(shè)置為 +100 將得到精細(xì)的網(wǎng)格、耗時(shí)的方案以及準(zhǔn)確程度最高的結(jié)果。默認(rèn)的相關(guān)性設(shè)置值為0。

綜上所述，本文最后劃分得到的單元總數(shù)為19508個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為35486個(gè)，構(gòu)造有限元模型如圖2所示。機(jī)架的材料為鑄鋼，其彈性模量E=2.1e+005 MPa，υ=0.3。

1.2 機(jī)架載荷的施加

本文以正常生產(chǎn)的最大軋制力作為機(jī)架的作用載荷，該載荷為通過(guò)軋輥傳遞給單個(gè)機(jī)架的1750t作用力，該力以均布面載荷的方式作用在油缸與機(jī)架的接觸面上，計(jì)算出該接觸面的面積并以作用力除以該面積得到上橫梁接觸面的均布?jí)毫?4.9MPa，下橫梁接觸面的均布?jí)毫?8.7MPa。

1.3 約束情況

任何實(shí)際的結(jié)構(gòu)都會(huì)受到一定的約束條件來(lái)保持其穩(wěn)定性，因此給模型施加合理的約束條件是進(jìn)行三維有限元仿真分析的一個(gè)重要步驟。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際牌坊約束情況，為了限制牌坊的剛性位移，在地腳螺釘處施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向上的約束。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

表1列出了分析所有結(jié)構(gòu)結(jié)果，圖3～7顯示了每個(gè)結(jié)果在零件表面的分布。 其中安全系數(shù)通過(guò)對(duì)可延展材料應(yīng)用最大等效應(yīng)力失敗原理來(lái)計(jì)算得出。 應(yīng)力限制由材料的屈服拉伸強(qiáng)度指定。

表1 結(jié)構(gòu)結(jié)果

2.1 機(jī)架整體應(yīng)力分析

機(jī)架在3500t的作用力下三維有限元的等效應(yīng)力分布如圖所示，具體分布規(guī)律是：機(jī)架整體應(yīng)力變化為由機(jī)架內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸減??；機(jī)架上橫梁壓下螺母孔附近以及橫梁和立柱的過(guò)渡圓弧處是應(yīng)力集中區(qū)且變形最大，機(jī)架立柱中段應(yīng)力變化平緩，應(yīng)力水平也不高。

2.2 機(jī)架局部應(yīng)力分析

機(jī)架上橫梁的應(yīng)力集中比較明顯，最大應(yīng)力發(fā)生在壓下螺母螺孔內(nèi)側(cè)邊緣，最大應(yīng)力為121MPa，該處同時(shí)也是整個(gè)機(jī)架的最大應(yīng)力處。立柱主要承受Y軸方向的拉應(yīng)力，同時(shí)還承受一部分X軸方向的壓應(yīng)力，由于立柱受上下橫梁變形的影響，內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力較大，外側(cè)拉應(yīng)力較小，中間部位應(yīng)力較大，沿上下方向應(yīng)力減小，但是在拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值有所升高，但最大不超過(guò)40MPa。危險(xiǎn)區(qū)域是上橫梁內(nèi)側(cè)承受軋制力的部分，特別是上橫梁壓下螺母圓角過(guò)渡處，是整個(gè)機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)。從整個(gè)機(jī)架的安全系數(shù)來(lái)看安全程度很高，局部由于加工工藝，尖角地方存在高應(yīng)力點(diǎn)，在機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工時(shí)予以重視。

圖3 等效應(yīng)力

圖4 最大主應(yīng)力

3 機(jī)架的理論強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，確定靜不定力矩M。

(1)

圖5 最小主應(yīng)力 圖6 變形圖7 安全系數(shù)

式中，l1、l2、l3分別為上、下橫梁和立柱的軸線(xiàn)長(zhǎng)度，I1、I2、I3分別為上、下橫梁和立柱的截面慣性矩，為單個(gè)牌坊所承受的力。

本牌坊中，受到3500t軋制力時(shí)，P=1750t，l1=l3=2860mm、l2=7810m、I1=1.83×1011mm4、I3=1.86×1011mm4、I2=0.474×1011mm4。

代入上式，得到靜不定力矩M0為11978kN.m。

上、下橫梁中部彎矩M1、M3可由下式確定

(2)

M1=M3=534.5kN.m

牌坊上橫梁中部最大彎曲應(yīng)力為

式中，W1為上橫梁中部的截面系數(shù)，

W1=0.01075m3。

牌坊下橫梁中部最大彎曲應(yīng)力為

式中，W3為下橫梁中部的截面系數(shù)，

W3=0.01169 m3。

牌坊立柱最大拉應(yīng)力為

(3)

式中，W2為立柱的截面系數(shù)，F(xiàn)2為立柱截面積。

通過(guò)對(duì)圖3中等效應(yīng)力分析與理論計(jì)算的結(jié)果比較可知，對(duì)下橫梁中部及立柱，兩種方法基本吻合；對(duì)上橫梁中部，兩種方法出入較大，主要是因?yàn)閴合驴子绊懤碚撚?jì)算，而實(shí)踐也證明，因牌坊結(jié)構(gòu)原因會(huì)引起應(yīng)力集中和應(yīng)力重新分布，如壓下孔邊緣以及橫梁與立柱的交接處也是危險(xiǎn)截面，而對(duì)這幾部分作精準(zhǔn)理論計(jì)算比較困難，且計(jì)算值與實(shí)際值通常相差很大。

4 結(jié)論

(1)采用有限單元法借助Inventor軟件分析計(jì)算出了2400mm軋機(jī)機(jī)架在最大軋制力3500t作用下的強(qiáng)度，并用理論強(qiáng)度計(jì)算方法驗(yàn)證了采用有限單元法計(jì)算得到的結(jié)果，其結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，而且有限單元法計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于可得出機(jī)架在任意位置處的應(yīng)力，理論計(jì)算不可能做到這一點(diǎn)；

(2)一般情況下，對(duì)于機(jī)架材料鑄鋼來(lái)說(shuō)，橫梁許用應(yīng)力[σ]≤50-70MPa，立柱許用應(yīng)力[σ]≤40-50MPa。該計(jì)算結(jié)果表明機(jī)架絕大部分區(qū)域強(qiáng)度都在允許范圍內(nèi)，可以滿(mǎn)足日常生產(chǎn)的需要；

(3)當(dāng)在2000-3500噸軋制時(shí)，上橫梁壓下螺母圓角過(guò)渡處出現(xiàn)局部高應(yīng)力區(qū)，是危險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期處于此工作狀況。建議對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增大其圓角過(guò)渡，同時(shí)將有限元仿真技術(shù)推廣應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析中。

1.洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院主編，板帶車(chē)間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)(上)，冶金工業(yè)出版社，1980

2. 粟林，王利東，趙麗麗.四輥軋機(jī)機(jī)架強(qiáng)度分析. 冶金設(shè)備管理與維修，2003，21(108)