1 150 mm 六輥可逆冷軋機(jī)機(jī)架有限元分析

孫建召 劉德華

(中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，陜西 710119)

軋機(jī)機(jī)架是軋機(jī)中最重要的部件，要承受巨大的軋制力和沖擊力，還有部分部件要安裝在機(jī)架上，因此，要求機(jī)架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度［1］。它的剛度對保證軋制的精度起著關(guān)鍵的作用，軋機(jī)的精度又是衡量軋機(jī)裝機(jī)水平的重要參數(shù)，軋機(jī)的強(qiáng)度則是軋機(jī)能否長期安全有效工作的前提。本文對協(xié)和首信鋼業(yè)有限公司1 150 mm 六輥冷軋機(jī)機(jī)架做了有限元分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行了討論，為設(shè)計(jì)提供了參考。

1 有限元分析

1.1 建立模型

根據(jù)機(jī)架的特征和其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對機(jī)架進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，并根?jù)模型結(jié)構(gòu)及其載荷的對稱性，只分析1/4 模型，然后利用ANSYS 強(qiáng)大的APDL 語言進(jìn)行建模［2］。采用自底向上建模方式，創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體，生成模型，如圖1 所示。

幾何模型創(chuàng)建完成后，需要定義單元類型、彈性模量和泊松比。本文機(jī)架材料為ZG230-250，屈服極限為220 MPa，強(qiáng)度極限為435 MPa，彈性模量為2.1E5 MPa，泊松比為0.32。選用20 節(jié)點(diǎn)的solid186 實(shí)體單元，將機(jī)架全部劃分成六面體單元，如圖2 所示，共生成單元15 582 個(gè)，節(jié)點(diǎn)73 932個(gè)。

圖1 機(jī)架幾何模型Figure 1 Geometric model of standing

模型的簡化，不僅能大大節(jié)約計(jì)算時(shí)間，而且能夠允許網(wǎng)格的細(xì)化，增加計(jì)算的精確度，而將模型劃分為六面體單元也提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.2 約束與載荷

軋機(jī)在運(yùn)行過程中受到機(jī)械方面的約束和軋制力，根據(jù)實(shí)際情況對機(jī)架進(jìn)行約束。對機(jī)架外側(cè)軋制線位置節(jié)點(diǎn)約束其Y 向的自由度，機(jī)架與底座配合面約束其X、Z 向自由度。此外，由于模型的對稱性簡化，還需要定義YZ 平面和XY 平面所在的機(jī)架面為對稱約束，約束后結(jié)果如圖3 所示。

由于所建模型為原模型的1/4，因此上下的載荷為軋制力的1/4。窗口頂部選取與油缸墊板1/4 大小相等的區(qū)域，選擇此區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)，將所需軋制力均布施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。窗口底部選取與斜楔接觸區(qū)域1/4 相等的區(qū)域，也將所需軋制力平均施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)果如圖4 所示。

圖2 機(jī)架有限元模型Figure 2 Finite element model of standing

圖3 約束Figure 3 Constraint

圖4 載荷Figure 4 Loading

1.3 后處理結(jié)果分析

施加完載荷后，直接進(jìn)行求解，求解完畢，進(jìn)行后處理查看。一般對應(yīng)于軋機(jī)強(qiáng)度的衡量參數(shù)是應(yīng)力，對應(yīng)于軋機(jī)剛度的衡量參數(shù)是位移。下面分別用還原后的模型對兩者進(jìn)行分析。

(1)合成應(yīng)力云圖分析

由應(yīng)力云圖5 可知，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為58.644 MPa，而應(yīng)力集中部位為機(jī)架載荷處與前后面的相交線部位。由實(shí)際機(jī)架受力情況可知，此處接觸較少，不是關(guān)鍵部位，基本不影響機(jī)架的強(qiáng)度。

對于機(jī)架橫梁與立柱的應(yīng)力值是兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。通過云圖5 可得，立柱內(nèi)側(cè)的應(yīng)力為立柱上應(yīng)力較大區(qū)域，應(yīng)力基本分布在20 MPa。通過材料的屈服極限計(jì)算得，立柱處安全系數(shù)為11，在安全范圍內(nèi)［3］，說明立柱處的強(qiáng)度可靠。橫梁處的應(yīng)力基本分布在18 MPa，計(jì)算得橫梁的安全系數(shù)為12.2，強(qiáng)度可靠。上橫梁與立柱連接處和下橫梁與立柱連接處的應(yīng)力基本為25 MPa，安全系數(shù)為8.8，強(qiáng)度可靠。

圖5 應(yīng)力云圖Figure 5 Stress cloud chart

圖6 位移云圖Figure 6 Displacement cloud chart

(2)位移云圖分析

根據(jù)載荷特性知，機(jī)架Y 向的位移應(yīng)為最大，因此對此方向進(jìn)行詳細(xì)分析。由圖6 可知，上橫梁最大位移是0.18 mm，為其Y 向尺寸的0.15‰;下橫梁的最大位移是0.16 mm，為其Y 向尺寸的0.13‰;立柱的最大位移是0.1 mm，為其Y 向尺寸的0.02‰。

其它兩個(gè)方向的位移，分別為X 向最大位移為0.07 mm，Z 向最大位移為0.022 mm。

由以上分析可知，對于機(jī)架來說，變形量微乎其微，機(jī)架的剛性足夠。

2 總結(jié)

經(jīng)過對1 150 mm 六輥可逆冷軋機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)通過分析應(yīng)力，證明機(jī)架的強(qiáng)度能夠滿足要求，而且有較大的安全系數(shù)。

(2)通過分析變形量，得知最大變形量僅為0.15‰，說明機(jī)架的剛度滿足要求。

(3)通過現(xiàn)場運(yùn)行情況，目前已軋出設(shè)計(jì)的最薄板帶0.2 mm，全部產(chǎn)量已超過5 萬噸，機(jī)架工作完全正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為用戶帶來明顯的收益。

3 展望

隨著軋鋼行業(yè)的發(fā)展，目前六輥可逆冷軋機(jī)憑借其優(yōu)勢，在市場上還很活躍，因此很有必要對其做深入的研究。利用現(xiàn)代高科技的分析手段——有限元方法，快速、準(zhǔn)確的對機(jī)架進(jìn)行分析，不僅可以節(jié)約成本，還能縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可靠性。還可以利用多種軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行機(jī)架設(shè)計(jì)，提高工作效率。

［1］徐慶才，梅麗華.二輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析［J］.一重技術(shù)，2003(4):2－3.

［2］博弈創(chuàng)作室.APDL 參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［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.