定寬壓力機(jī)內(nèi)外塊受力分析與在線測試

熊 杰

(寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

定寬壓力機(jī)內(nèi)外塊受力分析與在線測試

熊 杰

(寶鋼股份公司設(shè)備部，上海 201900)

首先采用有限元軟件對走停式定寬壓力機(jī)內(nèi)、外塊的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了定量分析，得到了內(nèi)、外塊最大應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系，確定了內(nèi)、外塊的應(yīng)力集中部位，然后對內(nèi)、外塊應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了在線測試，在5個不同的測試點(diǎn)的有限元模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果均吻合良好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，為內(nèi)、外塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

定寬壓力機(jī)；內(nèi)塊；外塊；受力分析；測試

0 前言

常見的板坯在線寬度調(diào)整方式有三種：結(jié)晶器調(diào)寬[1]，立輥軋制調(diào)寬[2]，定寬壓力機(jī)調(diào)寬[3]。其中定寬壓力機(jī)具有調(diào)寬效率高、板坯平面形狀好的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國際上僅德國SMS公司、日本IHI公司和日本三菱-日立(MH)公司可以提供定寬壓力機(jī)的成套設(shè)備。其中三菱-日立公司(MH)提供的定寬壓力機(jī)為走停式，其結(jié)構(gòu)與日本IHI公司、德國SMS公司的產(chǎn)品有較大差異[4-8]。

本文采用有限元軟件對三菱-日立公司的走停式定寬壓力機(jī)內(nèi)、外塊的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，并通過在線測試驗(yàn)證了有限元模型分析的正確性，確定了內(nèi)、外塊的應(yīng)力集中部位，為內(nèi)、外塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

1 受力分析

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

圖1為走停式定寬壓力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵部件包括：曲軸、內(nèi)塊與外塊三部分。曲軸繞軸承做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動安裝在曲軸偏心部分的連接臂運(yùn)動。連接臂上的弧形板和外塊側(cè)弧形板相配合，使得連接臂既有繞曲軸偏心部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，又有繞外塊側(cè)弧形板的上下擺動。連接臂部分將曲軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為內(nèi)、外塊的平動，實(shí)現(xiàn)板坯的軋制過程。外塊與內(nèi)塊之間裝有壓下螺絲，可以隨著板坯規(guī)格的變化調(diào)節(jié)定寬壓力機(jī)的開口度。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 有限元分析

采用Solidworks軟件建立三維模型，然后將模型導(dǎo)入到Ansys軟件中，建立裝配體后進(jìn)行聯(lián)合分析。裝配體所受外力如下：軋制力，連接臂作用在弧形板的力，外塊平衡缸作用力。其中平衡缸作用力遠(yuǎn)小于軋制力，因此在對裝配體進(jìn)行分析時，僅考慮軋制力與連接臂作用于弧形板的力。為保證計(jì)算精度和計(jì)算速度，對接觸部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。

采用上述模型得到的極限軋制力狀態(tài)下的Mises應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，內(nèi)塊的應(yīng)力集中出現(xiàn)在壓下螺絲與內(nèi)塊的接觸區(qū)域，該區(qū)域直接進(jìn)行軋制力的傳遞，其他區(qū)域的應(yīng)力較??；外塊的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在外塊與壓下螺絲和弧形板墊板的接觸區(qū)域，其中最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在與壓下螺絲的接觸區(qū)域。

內(nèi)、外塊最大Mises應(yīng)力隨時間變化關(guān)系如圖4所示。由圖可知，內(nèi)、外塊最大應(yīng)力隨時間的變化為均近似為正弦曲線。當(dāng)軋制力最大時，內(nèi)塊最大應(yīng)力達(dá)到131.94MPa，外塊最大應(yīng)力達(dá)到138.52MPa。整體而言，內(nèi)、外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較合理的，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)較大。

圖2 內(nèi)塊應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of inner block

圖3 外塊應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of outer block

圖4 最大應(yīng)力隨時間變化Fig.4 Relationship between maximum stress and time

2 在線測試

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性，對內(nèi)、外塊的應(yīng)力進(jìn)行了在線測試。在不影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，盡量接近應(yīng)力集中的部位進(jìn)行貼片，具體貼片位置見圖5。測試內(nèi)容包括內(nèi)、外塊的應(yīng)力大小和方向。由于內(nèi)塊距離板坯很近，高溫板坯對內(nèi)塊的熱輻射相當(dāng)嚴(yán)重，因此在測試點(diǎn)1-2采用特殊的焊接式高溫應(yīng)變計(jì)；外塊距離板坯較遠(yuǎn)，受板坯熱輻射影響較小，因此在測試點(diǎn)3-5采用普通粘貼式應(yīng)變計(jì)。

圖5 貼片位置Fig.5 The sticking position of strain-guage

由于內(nèi)、外塊測試點(diǎn)主應(yīng)力方向未知，采用45°應(yīng)變花方式對應(yīng)變進(jìn)行測量，即每個測試點(diǎn)粘貼三個應(yīng)變片，三者組成應(yīng)變花。應(yīng)變花布置如圖6所示。

圖6 應(yīng)變花布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of strain rosette layout

設(shè)在x、y和u方向上測得應(yīng)變εx、εy和εu后，可以求得主應(yīng)變的大小和方向[9]

(1)

根據(jù)上式計(jì)算得到主應(yīng)變的大小和方向后，設(shè)內(nèi)、外塊材料為各向同性材料，根據(jù)廣義胡克定律與強(qiáng)度理論[10-11]可以待測點(diǎn)的主應(yīng)力與米塞斯應(yīng)力的大小。

(2)

考慮到安全性，測試儀器必須安放在距離定寬壓力機(jī)足夠遠(yuǎn)的位置，并且不影響現(xiàn)場的生產(chǎn)，所以測試點(diǎn)與測量儀器之間有較大的距離，應(yīng)變信號需要長導(dǎo)線傳輸，每個應(yīng)變的線路連接和等效電路見圖7，該種方法的缺點(diǎn)是隨著導(dǎo)線長度的增加，橋路無法調(diào)零。因此，需要采用單片三線制接法，三線制接法的好處是可以實(shí)現(xiàn)長導(dǎo)線單臂應(yīng)變測量時應(yīng)變放大器的調(diào)零，其線路連接和等效電路如圖8所示。

圖7 長導(dǎo)線單應(yīng)變片連接及等效電路Fig.7 Connection type of single strain-guage with long wire and equivalent circuit

圖8 三線制連接及等效電路Fig.8 Connection type of three wire and equivalent circuit

2.2 結(jié)果對比

為了驗(yàn)證有限元分析的正確性，在內(nèi)塊上按照實(shí)際軋制力施加載荷，重新進(jìn)行有限元分析，從有限元分析結(jié)果中提取與各個測試點(diǎn)相對應(yīng)的米塞斯應(yīng)力，將其在線測試得到的米塞斯應(yīng)力值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖9-13。圖中的橫坐標(biāo)中的T為運(yùn)動周期。

由圖9-13可知，在5個測試點(diǎn)有限元模擬的應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律與測試結(jié)果均吻合良好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性?？梢灾疄榛A(chǔ)，對內(nèi)、外塊的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

圖9 測試點(diǎn)1Fig.9 Testing point 1

圖10 測試點(diǎn)2Fig.10 Testing point 2

圖11 測試點(diǎn)3Fig.11 Testing point 3

圖12 測試點(diǎn)4Fig.12 Testing point 4

圖13 測試點(diǎn)5Fig.13 Testing point 5

3 結(jié)論

(1) 內(nèi)塊的應(yīng)力集中出現(xiàn)在壓下螺絲與內(nèi)塊的接觸區(qū)域，外塊的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在外塊與壓下螺絲和弧形板墊板的接觸區(qū)域，內(nèi)、外塊的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在與壓下螺絲的接觸區(qū)域。

(2) 當(dāng)軋制力最大時，內(nèi)塊最大應(yīng)力達(dá)到131.94 MPa，外塊最大應(yīng)力達(dá)到138.52 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)較大。

(3) 有限元模擬的結(jié)果與測試結(jié)果均吻合良好，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

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Stress analysis and online testing of inner and outer blocks for slab sizing press

XIONG Jie

(Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Equipment Department，Shanghai， 201900,China)

In this paper, the finite element software is used to quantitative analyze the stress state of the inner and outer block of the walking-stopping type slab sizing press, and the relation of maximum stress with time is obtained. Besides, the stress concentration positions of the inner and outer block are determined. Then, the stress states of the inner and outer block are tested online. The results show that the finite element simulation results are in good agreement with the measured results at 5 different test points. So that the correctness of the finite element model is verified and it provides important theoretical basis for the structure design and optimization of the inner and outer block.

slab sizing press; inner block; outer block; stress analysis; testing

2016-03-16；

2016-04-15

熊杰(1970-)，男，高級工程師，從事板帶材軋制裝備研究與生產(chǎn)工作。

TG335

A

1001-196X(2016)04-0012-05