H 型鋼萬能軋機輥縫調(diào)整HGC 缸設(shè)計與分析

◎竇麗娟 李愛臣

一、前言

在H 型鋼軋制時，腹板厚度精度由上、下水平輥壓下液壓缸完成；翼緣厚度精度由傳動側(cè)及操作側(cè)立輥液壓缸完成。水平輥縫、立輥輥縫采用HGC 液壓缸，伺服閥閉環(huán)控制，具有響應(yīng)快和精度高的特點。

二、HGC 缸的設(shè)計與分析

HGC 缸作為萬能軋機輥縫調(diào)整的重要部件，應(yīng)根據(jù)最大軋制力進行設(shè)計，強度分析及校核過程中也要保證測試壓力下的安全性。

1.HGC 缸的設(shè)計與計算。

HGC 液壓缸的主要參數(shù)有柱塞直徑D0、桿徑dr和行程S，參數(shù)D0由軋制力P和液壓系統(tǒng)工作點的壓力Pw決定，按下式計算：

κ——考慮流體系統(tǒng)穩(wěn)定性的系數(shù)，1.3～1.6；

P1—作用在HGC 缸上的軋制力，其為軋制力的一般，，kN；

Pw—工作壓力，MPa；

液壓缸行程S 要綜合考慮油柱高度對軋機剛度和響應(yīng)頻率的影響，不足行程需要在軸承座上設(shè)置調(diào)整墊板來補償。

水平壓下及立輥壓下缸設(shè)計時應(yīng)考慮位移傳感器內(nèi)置、柱塞止轉(zhuǎn)措施、承壓墊板等結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外立輥壓下缸還應(yīng)考慮水平輥壓靠時主傳動萬向接軸的影響。

（1）HGC 缸壁厚度設(shè)計與計算。

缸體壁厚按以下工程計算方法進行。

式中δ—缸體壁厚，mm；

Pmax—試驗壓力，Mpa；

[σ2]—許用應(yīng)力，MPa；其按下式確定。

σb—缸體材料抗拉強度，Mpa；

n—安全系數(shù)，根據(jù)工程實踐取值。（2）HGC 缸缸底厚度設(shè)計與計算。

缸底厚度按以下工程計算方法進行。

式中h—缸底厚度，mm；

2.HGC 缸密封。

密封是液壓缸非常重要的組件，它的可靠性直接影響液壓缸是否能穩(wěn)定工作。如圖1 所示，柱塞與缸蓋結(jié)合處，活塞與缸體結(jié)合處均采用組合密封。如圖4，組合密封由主密封及輔密封O 形圈組成，通過徑向過盈配合及O 型圈的預(yù)壓縮，可以提供有效預(yù)緊力，保證在低壓及高壓工況下都能使密封緊密貼合在密封面上，具有良好的密封特性。密封圈的材料主要由PTEE（聚四氟乙烯）組成，具有良好的耐高溫，耐磨性。

防塵圈采用帶有雙O 形圈提供預(yù)緊力雙唇防塵圈，可有效地防止灰塵和污垢進入系統(tǒng)，副密封唇口和帶有O 形圈的密封串聯(lián)組合使用可有效減少殘余油膜。導(dǎo)向帶則可以有效吸收活塞運動時的偏載力，有效保護密封。

圖1 輥縫調(diào)整HGC 缸密封示意圖

圖2 組合密封圈示意圖

3.HGC 缸體的分析。

完成初步的設(shè)計計算后應(yīng)采用有限元方法對缸體進行分析、校核，從而對缸體細(xì)節(jié)進行優(yōu)化。

在HGC 缸柱塞完全伸出狀態(tài)進行分析，試驗壓力32Mpa。將缸體上的油孔、螺孔等進行簡化處理以便網(wǎng)格劃分。取缸體模型的1/2 為對象進行分析。

在對缸體進行有限元分析時基于在載荷作用下不會發(fā)生超出材料屈服限的塑性變形的假設(shè)。

缸體材料選擇調(diào)質(zhì)處理的42CrMo，材料性能及許用應(yīng)力如下表：

?

（1）水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體分析。

缸體有限元模型見圖3。

圖3 水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體有限元模型

模型的具體邊界條件- 約束方式見圖5，分別施加對稱約束、豎直方向的固定約束。模型的具體邊界條件-加載方式見圖4。

圖4 水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體模型邊界條件—約束

圖5 水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體模型邊界條件—載荷

水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體的von-mises 應(yīng)力分布云圖（見圖5）。最大應(yīng)力為536.23MPa，位置在缸體內(nèi)部的圓弧環(huán)面上，為應(yīng)力集中區(qū)，詳見云圖的紅色區(qū)域；其余部分的應(yīng)力均小于480MPa。

圖6 水平輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體等效應(yīng)力云圖

（2）立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體分析缸體有限元模型見圖6。

圖7 立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體有限元模型

模型的具體邊界條件-約束方式見圖7，分別施加對稱約束、豎直方向的固定約束。模型的具體邊界條件-加載方式見圖8。

圖8 立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體模型邊界條件—約束

圖8 立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體模型邊界條件—載荷

立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體的von-mises 應(yīng)力分布云圖（見圖8）。最大應(yīng)力為433.65MPa，位置在缸體內(nèi)部的圓弧環(huán)面上，為應(yīng)力集中區(qū)，詳見云圖的紅色區(qū)域；其余部分的應(yīng)力均小于340MPa。

圖9 立輥輥縫調(diào)整HGC 缸缸體等效應(yīng)力云圖

HGC 缸缸體的最大應(yīng)力均低于材料的曲服強度，通過與實際運行的生產(chǎn)線中應(yīng)用的HGC 缸對比，該結(jié)果滿足生產(chǎn)需要。

三、結(jié)語

HGC 缸作為萬能軋機輥縫調(diào)整的關(guān)鍵部件，設(shè)計過程中的計算校核非常重要。本文通過對多個H 型鋼軋鋼生產(chǎn)線的調(diào)研、分析，對HGC 缸進行設(shè)計計算并分析校核，為以后的設(shè)計和研究工作提供參考和依據(jù)。