特大水平下調三輥卷板機底座有限元分析

郭永平，谷立臣，甄 誠

（1.長鋼（集團）鍛壓機械制造有限公司 設計院，山西 長治046011；2.西安建筑科技大學 機電學院，陜西 西安710055）

0 前言

卷板機是將金屬板材在冷、溫或熱態(tài)下利用三點成圓原理彎卷成筒形、弧形或錐形等工件的鍛壓成形通用設備。在卷板機設計中，因板材塑性變形情況復雜，板材變形和內部應力變化難以得到確切數(shù)值，故一般采用工程類比和設計經驗進行，難免存在設備安全隱患，或者為安全考慮設計過于保守，使設備設計制造成本高。

水平下調式三輥卷板機結構特點為：上輥升降移動，兩個下輥可單獨也可一起水平移動，上下輥可以布置成非對稱結構，可以對板端部進行預彎；而且上、下輥都可以為主驅動輥。水平下調式三輥卷板機上輥升降采用油缸下置驅動，即上輥升降油缸安裝在設備的底座內。對于大型設備來說，油缸下置能降低設備重心，提高設備安全性，所以大型卷板設備多采用水平下調式結構。

1 有限元模型建立

1.1 模型簡化

特大型水平下調式三輥卷板機結構龐大，左右底座受力基本相同，為減小計算難度只對左底座進行靜態(tài)分析。針對水平下調式三輥卷板機結構和工作特點，對模型做如下簡化：①只考慮在壓板情況下底座的靜態(tài)受力； ②地腳螺栓的固定看成剛度無限大；③假設焊接強度與鋼板強度相同。水平下調式三輥卷板機壓板時底座受力示意圖如圖1 所示，左底座模型圖如圖2 所示，有限元網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示，劃分了34658 個有限單元。

圖1 卷板機壓板時底座受力圖

1.2 約束及載荷

卷板機在壓板和卷板過程中，底座是通過地腳螺栓固定在地面上的，地腳螺栓限制了底座底面三個方向的移動和轉動六個自由度，因此在地腳螺栓孔處的約束為固定全約束。卷板機壓板時，以底座為研究對象進行受力分析，底座受到上輥向上的拉力Fa和下輥向下的壓力Fa的作用，上輥向上的拉力Fa通過安裝在底座上的油缸上腔缸蓋傳遞給焊接在底座上的缸體。水平下調式三輥卷板機可以實現(xiàn)板材的預彎，預彎時下輥相對于上輥為非對稱布置，此時的上輥受力最大，為卷板機壓板時的最惡劣工況，所以底座受力分析以此工況下受力進行分析。卷板機預彎時上下輥受力示意圖如圖4 所示。預彎時上輥最大受力Fa為50000kN，此力豎直方向分力作用于焊接在底座的缸體端面上； 左下輥受力Fb為27300kN，右下輥受力Fc為24400kN，分別分解為豎直方向和水平方向的力，作用于左底座與下輥機架接觸面上。

圖2 左底座模型圖

圖3 有限元網(wǎng)格劃分圖

圖4 預彎時上下輥受力示意圖

2 模擬結果分析

圖5、圖6 分別顯示了左底座的應力和變形情況，整個底座應力和應變都不大，大部分應力處于鋼板材料的安全應力范圍內，小于板材材料的屈服極限。最大應力和應變均發(fā)生在底座下部靠近缸體地腳螺栓處，最大變形6.2mm，應力達到500MPa，局部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力達到1155MPa，此處在滿負荷預彎板材時有發(fā)生斷裂的危險，存在安全隱患。因此，應對此處結構進行結構改進優(yōu)化設計。

圖5 左底座應力云圖

圖6 左底座應變云圖

3 優(yōu)化設計

根據(jù)左底座應力、應變圖和模型圖分析發(fā)現(xiàn)，左底座在結構設計時，缸體下部與側板之間缺少縱向筋板，同時側板為了留出地腳螺栓孔位置，在側板上開了兩個缺口，另外上輥升降油缸缸體下腔進油孔處在側板和內支撐板上也開有缺口，這樣就導致此處結構材料薄弱，出現(xiàn)變形和應力過大。綜合以上分析，在缸體下部與側板之間增加縱向筋板，在側板中間增加底板和兩個地腳螺栓，經過有限元模擬計算優(yōu)化后的應力圖如圖7 所示。由圖可見，最大變形為4mm，地腳螺栓處應力大部分為170MPa，局部應力集中已降至510MPa。地腳螺栓處應力和應力集中很大程度上得到了改善。

圖7 優(yōu)化設計后左底座應力云圖

4 結束語

本文針對特大型水平下調式三輥卷板機預彎時底座受力情況進行分析，利用PRO/E 軟件對底座進行建模，導入ANSYS 分析軟件進行網(wǎng)格劃分、載荷加載和求解。根據(jù)模擬結果，得出底座在預彎時結構的薄弱位置，對底座進行優(yōu)化設計，提高特大型設備的可靠性。是對傳統(tǒng)工程類比和經驗設計的驗證和補充，為特大型水平下調式卷板機設計提供參考和依據(jù)。

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