提高寶鋼Φ140mm連軋管機(jī)組機(jī)架強(qiáng)度的有限元研究

蘇惠超+王寶明+趙志毅

摘 要：本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)寶鋼Φ140mm連軋管機(jī)組機(jī)架的強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，原始機(jī)架壓下螺母孔過(guò)渡圓角是機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)增大壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑，可以大大降低壓下螺母孔過(guò)渡圓角處的應(yīng)力值，從而提高機(jī)架強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：機(jī)架強(qiáng)度；Mises應(yīng)力；有限元模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TG335.71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0106-03

1 引言

軋機(jī)機(jī)架用來(lái)安裝輥系、軋輥調(diào)整裝置及其它裝置，是軋機(jī)的重要零件[1]。寶鋼Φ140mm連軋管機(jī)組最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格為外徑Φ21.3～139.7mm[2]，品種設(shè)計(jì)范圍重點(diǎn)是Cr含量在2.25%以下的品種。為滿足市場(chǎng)對(duì)大規(guī)格無(wú)縫鋼管的需求，提升寶鋼鋼管的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，使鋼管最大外徑達(dá)到了Φ195mm[3]。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年新的孔型系和產(chǎn)品品種、規(guī)格的開(kāi)發(fā)，Φ140mm連軋管機(jī)組目前所生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)論是規(guī)格還是品種都大大超出了原機(jī)組的設(shè)計(jì)能力，使設(shè)備的負(fù)荷增大，安全生產(chǎn)存在隱患。本文對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)目前的生產(chǎn)情況，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)備的安全。

2 建立機(jī)架的幾何模型

根據(jù)Φ140mm連軋管機(jī)組機(jī)架的構(gòu)造和尺寸，利用ABAQUS軟件自帶的畫(huà)圖功能通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)等方法建立機(jī)架的三維模型，部分無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，幾何模型如圖1所示。

3 建立機(jī)架的有限元模型

3.1 賦予模型材料屬性

寶鋼Φ140mm連軋管機(jī)組機(jī)架的材料為ZG230-450。通過(guò)查閱金屬材料手冊(cè)[4]，得到ZG230-450的彈性模量為172-202GPa，取175GPa，泊松比為0.3。

3.2 設(shè)置載荷和邊界條件

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)機(jī)架底座施加禁止位移和旋轉(zhuǎn)的固定約束[1][5]，同時(shí)為了便于施加軋制力，建立耦合約束，設(shè)置載荷大小為5000KN，上下螺母孔承壓面各施加2500KN的軋制力，如圖2所示。

3.3 模型劃分網(wǎng)格

為機(jī)架模型劃分網(wǎng)格后的示意圖如圖3所示。單元類(lèi)型：C3D10M（10結(jié)點(diǎn)修正二次四面體單元），單元數(shù)：241477，結(jié)點(diǎn)數(shù)：358264。

4 機(jī)架強(qiáng)度的有限元分析

4.1 原始機(jī)架應(yīng)力有限元分析

原始機(jī)架在5000KN軋制力作用下Mises等效應(yīng)力分布云圖如圖4所示，圖中不同的顏色代表不同的數(shù)值，藍(lán)色代表較小數(shù)值，紅色代表較大數(shù)值，顏色從藍(lán)到紅數(shù)值逐漸增大。

壓下螺母孔過(guò)渡圓角處等效應(yīng)力值較大，分別記上下螺母孔過(guò)渡圓角處為T(mén)op-Left、Top-Right、Bottom-Left和Bottom-Right，簡(jiǎn)化為T(mén)L、TR、BL和BR位置（后文均簡(jiǎn)稱(chēng)TL、TR、BL、BR），取每個(gè)位置41個(gè)結(jié)點(diǎn)處Mises等效應(yīng)力值并統(tǒng)計(jì)其等效應(yīng)力最大值、最小值和平均值，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，壓下螺母孔過(guò)渡圓角處Mises等效應(yīng)力最大值為279.3MPa，平均值為207MPa。機(jī)架材料為ZG230-450，其屈服強(qiáng)度為230MPa，當(dāng)軋制力達(dá)到5000KN時(shí)，壓下螺母孔過(guò)渡圓角處最大Mises應(yīng)力值已超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在軋制過(guò)程中機(jī)架處于極其危險(xiǎn)的狀態(tài)，嚴(yán)重影響軋件的尺寸精度以及生產(chǎn)的安全，是機(jī)架優(yōu)化的關(guān)鍵部位，可以通過(guò)增大過(guò)渡圓角半徑來(lái)減小該位置的應(yīng)力值，保證生產(chǎn)的安全性。

4.2 優(yōu)化后機(jī)架應(yīng)力有限元分析

原始機(jī)架壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑R=2.5mm，將壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑改為R=10mm，圖5為螺母孔過(guò)渡圓角半徑R=10mm示意圖。壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑R=10mm時(shí)機(jī)架等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示。統(tǒng)計(jì)過(guò)渡圓角半徑增大后TL、TR、BL、BR四個(gè)位置處Mises等效應(yīng)力值，并統(tǒng)計(jì)其最大值、最小值、平均值見(jiàn)表2。四個(gè)位置處等效應(yīng)力最大值為157.0MPa，平均值為125.4MPa。

4.3 優(yōu)化前后機(jī)架應(yīng)力值變化情況對(duì)比

與原始機(jī)架相比，壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑增大后四個(gè)位置的等效應(yīng)力值變化情況見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，增大壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑可以減小壓下螺母孔過(guò)渡圓角處的應(yīng)力值，等效應(yīng)力最大值降低了43.8%，等效應(yīng)力平均值降低了39.4%，等效應(yīng)力最小值降低了29.5%。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)原始機(jī)架進(jìn)行有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)架壓下螺母孔過(guò)渡圓角處應(yīng)力值較大，其Mises等效應(yīng)力最大值為279.3MPa，平均值為207MPa。機(jī)架壓下螺母孔過(guò)渡圓角處是機(jī)架優(yōu)化的關(guān)鍵部位。

（2）優(yōu)化機(jī)架的壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑，由原來(lái)的R=2.5mm增大為R=10mm，對(duì)優(yōu)化后機(jī)架進(jìn)行有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)增大壓下螺母孔過(guò)渡圓角半徑可以減小壓下螺母孔過(guò)渡圓角處的應(yīng)力值，其Mises等效應(yīng)力最大值為157.0MPa，平均值為125.4MPa。

（3）與原始機(jī)架應(yīng)力值相比，優(yōu)化后機(jī)架壓下螺母孔過(guò)渡圓角處應(yīng)力值有了很大程度的降低，其等效應(yīng)力最大值降低了43.8%，等效應(yīng)力平均值降低了39.4%，等效應(yīng)力最小值降低了29.5%。

參考文獻(xiàn)

[1]范儉，劉艷霞.半閉口式軋鋼機(jī)機(jī)架的有限元分析[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1995，11（3）：210-214.

[2]王起江.寶鋼Φ140 mm連軋管機(jī)組技術(shù)改造與產(chǎn)品質(zhì)量的提高[J].寶鋼技術(shù)，2001，（5）：44-47.

[3]中國(guó)金屬學(xué)會(huì)軋鋼學(xué)會(huì)鋼管學(xué)術(shù)委員會(huì)五屆五次年會(huì)論文集[C].衡陽(yáng)：《鋼管》雜志社，2009：77-81.

[4]李春勝，黃德彬.金屬材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]孫占剛，韓志凌，魏建芳.軋機(jī)閉式機(jī)架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].冶金設(shè)備，2004，（3）：8-11.