組合鑲套軋輥輥套竄動(dòng)失效仿真模擬

■ 軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （河北邢臺(tái) 054025） 孫熙釗 王慶軍 劉振立

某鋼廠使用的組合鑲套萬能水平軋輥在軋制過程中出現(xiàn)輥套竄動(dòng)現(xiàn)象，輥套向操作側(cè)竄動(dòng)4～18mm不等，導(dǎo)致軋輥不能繼續(xù)使用。本文利用有限元分析軟件Ansys Workbench對(duì)該組合輥的軋制過程進(jìn)行模擬仿真分析，分析認(rèn)為發(fā)生輥套竄動(dòng)的原因主要是由于該組合輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致輥套竄動(dòng)失效。

1. 模擬仿真分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量和軋制情況的了解，按組合輥原圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用UG分別對(duì)輥軸和輥套進(jìn)行建模，然后裝配。根據(jù)實(shí)際情況，過盈量設(shè)置為0.6mm。原圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，模型分別如圖2～4所示。

（1）有限元分析。材料屬性設(shè)置如附表所示。

圖1 原圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)相關(guān)資料，軋制力設(shè)定為5×106N。兩端端面固定支撐，在兩端主軸頸施加+Y軸承載荷為5×106N，兩側(cè)各承擔(dān)2.5×106N，在輥套上施加-Y軸承載荷為5×106N，扁面處轉(zhuǎn)矩為750kNm。接觸表面類型設(shè)置為摩擦接觸不對(duì)稱接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.18（見圖5）。

（2）網(wǎng)格劃分。模型網(wǎng)格劃分是將幾何形體離散成單元和節(jié)點(diǎn)的過程。網(wǎng)格劃分成功與否及精細(xì)程度都會(huì)直接影響到有限元分析的結(jié)果。節(jié)點(diǎn)為129 708，單元數(shù)為78 175（見圖6）。

（3）模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從中可看出，輥套沿軸向往操作端發(fā)生位移12.307mm，與實(shí)際情況基本吻合。

圖2 輥套

圖3 輥軸

圖4 組合輥

材料屬性設(shè)置表

圖5 約束和載荷

圖6 網(wǎng)格化分

2. 結(jié)果分析

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，該軋輥軋制的是重軌產(chǎn)品，軋制時(shí)不可避免地存在一定的軸向分力。而原圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)顯示，輥套與輥軸組裝后，只在傳動(dòng)側(cè)有定位臺(tái)，而在操作側(cè)沒有設(shè)計(jì)定位臺(tái)，這種定位稱之為單向定位。模擬顯示，在軋制過程中，輥套傳動(dòng)側(cè)端面受到較大軸向分力，軸向分力方向指向操作側(cè)，在該軸向分力作用下，輥套向操作側(cè)方向產(chǎn)生了位移，位移量與軸向分力的大小相關(guān)。

根據(jù)以上分析，為防止輥套的位移，需要對(duì)原圖樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在輥軸操作側(cè)增加定位臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)輥套在兩個(gè)方向都能夠定位，這種定位稱之為雙向定位。改進(jìn)后圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，按該結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行模擬仿真分析。

3. 圖樣改進(jìn)后模擬仿真分析

模型建立、裝配過盈量及材料性能參數(shù)等同上，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)為116 503，單元數(shù)為69 331，如圖9 所示。

根據(jù)相關(guān)資料，軋制力設(shè)定為5×1 06N。兩端端面固定支撐，主軸頸施加+Y軸承載荷為5×1 06N，兩側(cè)各承擔(dān)2.5×1 06N，在輥套上施加-Y軸承載荷為5×106N，扁面處轉(zhuǎn)矩為750kNm。軸向位移-X為0.202 6 4 m m，如圖10所示、

圖7 輥套軸向位移

圖8 改進(jìn)后圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖9 網(wǎng)格劃分

圖10 邊界條件設(shè)定

圖11 雙向定位軸向位移

由圖11可以看出，在雙向定位的方式下輥套沿軸向，往操作端發(fā)生位移僅為0.202 64mm，遠(yuǎn)小于原圖樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的12.307mm。

4. 結(jié)語

通過以上仿真模擬、分析，表明相同軋制條件下，單向定位的輥套軋制時(shí)竄動(dòng)的可能性很大。主要是因?yàn)檐堉七^程中輥套承受的軸向分力較過大，裝配過盈量一定時(shí)，單向定位的輥套無法承受過大的軸向分力，造成輥套向非定位側(cè)產(chǎn)生較大位移。而雙向定位的輥套，由于兩個(gè)方向均設(shè)計(jì)有定位臺(tái)，可承受雙向的軸向分力，其產(chǎn)生的位移量要比單向定位時(shí)小很多，幾乎沒有位移。

由此表明針對(duì)特定的軋制品種，原圖樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大缺陷。對(duì)組合輥來說在相同的軋制環(huán)境下（溫度、載荷），雙向定位方式可避免輥套產(chǎn)生竄動(dòng)。針對(duì)以上問題，提出的改進(jìn)措施、修復(fù)建議如下：

（1）根據(jù)軋制條件相應(yīng)增加裝配過量。但應(yīng)注意加大裝配過盈量后，輥套裝配后開裂的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)加大。

（2）對(duì)組合輥輥軸裝配部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)軋制品種的不同，選擇輥套雙向定位的組合結(jié)構(gòu)，以有效防止組合輥輥套竄動(dòng)。

（3）為修復(fù)失效的軋輥，建議拆卸下輥套，重新進(jìn)行裝配。輥套裝配后在輥軸操作側(cè)增加定位裝置。

[1] 許京荊. ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù) [M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

[2] 田啓鍵. 有限元接觸分析解決過盈配合難題 [J]. 金屬加工（冷加工），2009（20）：68-69.