萬能軋機力學特性研究及結構優(yōu)化設計

李博宇

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇南京 210004）

0 引言

萬能軋機是一種由一對水平輥和一對立輥組成的型材軋機，軋制H形鋼時，孔形由布置在同一鉛垂面的上、下水平輥和左、右立輥組成。4個軋輥可以在2個方向上加工所要求的H形鋼斷面尺寸，實現(xiàn)水平和垂直方向的同時軋制[1]。

H形鋼萬能軋機實現(xiàn)軋制功能的關鍵部件是水平輥裝配和立輥裝配，二者的整體強度和整體剛度直接影響產品質量。某鋼廠小H形鋼生產線萬能軋機趨于老化，且因生產條件及產品要求的改變，萬能軋機的實測軋制力較原始設計值有大幅提高，因此，在軋制過程中出現(xiàn)的水平輥及立輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導衛(wèi)梁拉斷等現(xiàn)象，嚴重影響了正常生產。另外，該萬能軋機的軋輥必須利舊處理，生產現(xiàn)場的行車起吊重量和軋機外形最大尺寸也有相應限制。對此，決定采用理論計算與有限元分析相結合的方法，對原有軋機進行改造及優(yōu)化設計。

1 水平輥和立輥力學模型的建立

萬能軋機軋制過程中，軋輥需要克服軋件的變形抗力，所以在軋輥上產生了軋制力[2]。該軋制力分布于軋件包絡軋輥的弧面上，方向沿接觸面的法向，且為非均布面載荷，力學模型見圖1。其中，水平輥力學模型為垂直水平軸線方向剖切視角，立輥力學模型為垂直立輥軸線方向俯視視角。

圖1 水平輥和立輥力學模型

由圖1可知，萬能軋機軋輥上的等效軋制力并不垂直或水平分布。而萬能軋機的水平輥軋制力和立輥軋制力的測量，均是通過水平輥或立輥的軸承座測得，即實測軋制力為等效軋制力的一部分。進一步分析可知，實測軋制力為等效軋制力的主要分量。對力學模型進行簡化，將軋制力按均布面載荷考慮，力學模型見圖2?？紤]水平輥和立輥受力狀態(tài)的簡化具有一致性，圖2只用一個模型替代。

圖2 水平輥和立輥簡化力學模型

由圖2可知，配對軋輥的軋制力均指向各自的轉動中心，故萬能軋機軋制過程中，水平軋輥和立軋輥的受力狀態(tài)均可按純彎曲考慮[3]。

2 水平輥和立輥裝配幾何模型的初步改進

針對某鋼廠小H形鋼萬能軋機在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題，改造從加強結構強度及剛度入手，同時結合該型號萬能軋機水平輥和立輥軋制力原始設計值及現(xiàn)場檢測值。軋機原始設計主要參數(shù)及軋制力值見表1。

表1 萬能軋機原始設計主要參數(shù)

該軋機出現(xiàn)軋輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導衛(wèi)梁拉斷等現(xiàn)象后，專業(yè)測量機構對軋機的水平輥和立輥軋制力進行了檢測。測量值分別為：水平輥軋制力最大值8000 kN，立輥軋制力最大值3000 kN。與表1對比可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測量的軋制力遠大于原始設計值，因此，必須加強相應結構。水平輥裝配主要增大壓下螺絲（拉桿）的幾何尺寸，螺絲規(guī)格由TR165×10增大到TR195×10。立輥裝配考慮增加拉桿數(shù)量，即將單側2根增加為單側4根。但受空間及重量限制，初步將原2根Φ100 mm拉桿改為4根Φ80 mm拉桿。同時，根據(jù)立輥裝配的應力線傳遞路徑可知，原始結構設計中，軋制力傳遞給導衛(wèi)梁。為改善導衛(wèi)梁的受力條件，將導衛(wèi)梁與機架的連接拉桿延長至貫通導衛(wèi)梁，這樣，軋制力最終將由機架拉桿和機架承擔，避免導衛(wèi)梁被拉斷，初步擬定導衛(wèi)梁拉桿直徑80 mm。綜合考慮水平輥的利舊、現(xiàn)場行車的起吊重量限制以及軋機最大外形幾何尺寸的限制，水平輥和立輥的初步改進數(shù)據(jù)見表2。

表2 萬能軋機初步改進設計主要參數(shù)

表2僅列出了方便表達的幾項主要參數(shù)，對于水平輥軸承座、機架、立輥機架等部件在幾何模型中亦做加強處理。根據(jù)表2參數(shù)、結構對稱性和相應的簡化方案，建立水平輥裝配和立輥裝配幾何模型（圖3、圖4），模型僅取原結構的1/2，用于有限元分析。

3 有限元分析與進一步優(yōu)化

將萬能軋機水平輥和立輥裝配的簡化模型導入有限元分析軟件中，進行力學參數(shù)設置、接觸及連接關系的簡化、分析步設置、網格劃分和邊界條件的設置等，最后提交求解器進行計算。

圖3 水平輥裝配幾何模型

圖4 立輥裝配幾何模型

在幾何模型簡化中，因滾動軸承不容易處理，將其簡化為滑動軸承，內圈與軸之間的連接用綁定約束模擬，外圈與軸承座之間的連接用接觸屬性定義。

在有限元模型建立過程中，有2點需要特別注意：①接觸及連接關系的簡化。主要用綁定約束和接觸對模擬連接和接觸，其中壓下螺絲和壓下螺母的連接使用綁定約束，并且忽略螺紋，因為螺紋處應力及變形不是模擬的重點。②邊界條件的簡化原則。水平輥裝配邊界條件的簡化相對簡單，立輥裝配中立輥拉桿和機架拉桿必須考慮螺栓預緊力，在有限元軟件中應用螺栓載荷的方法模擬預緊力[4]。另外，在預緊力施加的分析步中，需要在機架與導衛(wèi)梁的接觸面上添加位移約束，在外載荷完全施加的分析步中解除該位移約束。

3.1 水平輥裝配的有限元分析

水平輥裝配的應力和變形計算結果見圖5、圖6。水平輥裝配最大應力為250.4 MPa，在水平輥輥頸上；最大變形為0.967 mm，在水平輥上。水平輥最大變形和結構中最大應力均滿足廠家要求，因此，水平輥裝配不需要進一步優(yōu)化。

圖5 水平輥裝配應力

圖6 水平輥裝配位移

3.2 立輥裝配的有限元分析

立輥裝配的應力和變形計算結果見圖7、圖8。立輥裝配最大應力為453.5 MPa，在立輥拉桿上；最大變形為2.796 mm，在立輥上。立輥最大變形和結構中最大應力均不滿足廠家要求，因此，立輥裝配需要進一步優(yōu)化。

3.3 立輥裝配的進一步優(yōu)化及分析驗證

將立輥拉桿在立輥裝配分析圖中單獨顯示，如圖9、圖10所示。立輥拉桿最大應力為453.5 MPa，最大變形為1.518 mm。因此，需要從改變立輥拉桿結構形式和增大立輥拉桿直徑兩方面入手，對其進行優(yōu)化設計。立輥拉桿原結構和優(yōu)化結構見圖11、圖12。

圖7 立輥裝配應力

圖8 立輥裝配位移

圖9 立輥拉桿應力

圖10 立輥拉桿位移

圖11 立輥拉桿原結構

圖12 立輥拉桿優(yōu)化結構

立輥拉桿原結構為“螺栓式”，即拉桿的一端為拉桿帽，另一端在裝配時用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿優(yōu)化結構為“雙頭螺柱式”。即拉桿的一端為螺母和拉桿通過螺紋連接，另一端在裝配時用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿原結構在拉桿帽與拉桿過度處增加了退刀圓角，加大了應力集中現(xiàn)象；優(yōu)化結構是螺母直接與拉桿通過螺紋連接，不存在退刀圓角，大大降低應力集中程度。另外，立輥拉桿直徑由80 mm增大到90 mm，導衛(wèi)梁拉桿直徑由80 mm增大到90 mm。

將優(yōu)化后的立輥裝配幾何模型導入有限元分析軟件驗證分析。立輥裝配的應力和變形計算結果見圖13、圖14。由圖示可知，立輥裝配最大應力236.9 MPa，在立輥芯軸上；最大變形1.014 mm，在立輥上。立輥最大變形和結構中最大應力均滿足廠家要求，優(yōu)化結果可以接受。

圖13 立輥裝配優(yōu)化應力

圖14 立輥裝配優(yōu)化位移

上述分析均根據(jù)對稱原則，選擇裝配體的1/2進行分析，故水平輥裝配和立輥裝配中軋輥的變形均為單側變形，計算整體變形時，在此數(shù)據(jù)基礎上翻倍即可。

4 結論

（1）根據(jù)型鋼生產現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，結合改造設計的局限，分析并建立萬能軋機水平輥和立輥的力學模型。

（2）應用有限元軟件對水平輥裝配和立輥裝配進行裝配體仿真分析，計算得到H形鋼萬能軋機水平輥和立輥分別在8000 kN和3000 kN軋制力下的應力和位移，并對應力集中構件進行改進設計。

（3）提出萬能軋機水平輥裝配和立輥裝配有限元模擬時，接觸及連接關系的處理方法以及邊界條件的簡化原則。

（4）驗證了優(yōu)化結構的合理性和可靠性。