中厚板軋機(jī)組合式機(jī)架的性能分析

丁鋼

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司 山東萊蕪 271104）

1 前言

機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要組成部件，軋輥的調(diào)整裝置、軋輥軸承座和其他裝置都是安裝在機(jī)架上。在工作時(shí)，機(jī)架的強(qiáng)度和變形直接影響軋鋼機(jī)的可靠性和帶材的精度，機(jī)架要承受全部的軋制力是通過軋輥軸承、軸承座和壓下傳遞，當(dāng)軋機(jī)在工作時(shí)，產(chǎn)生的沖擊振動也會傳到機(jī)架，所以機(jī)架的強(qiáng)度和剛度必須滿足要求，所以關(guān)于軋鋼機(jī)機(jī)架可靠性的研究備受技術(shù)人員關(guān)注［1-2］。

國內(nèi)外整體式軋機(jī)機(jī)架是各個(gè)鋼廠的首選，主要是整體式機(jī)架的剛性好、重量較輕、結(jié)構(gòu)幾何尺寸小，但是它的缺點(diǎn)同樣明顯，加工制造難度大，煉鋼、鑄造、熱處理和冷加工軋機(jī)的能力要求很高，而且整體式機(jī)架還受到運(yùn)輸條件的限制；為了降低制造成本和運(yùn)輸方面的困難，在整體式機(jī)架的基礎(chǔ)上研究出了組合式機(jī)架［3-5］。

組合機(jī)架的優(yōu)點(diǎn)是零部件可以分開運(yùn)輸，運(yùn)輸很方便，分體制造難度比較小，加工容易成本低，但是整體設(shè)備體積比較大，結(jié)構(gòu)尺寸大，現(xiàn)場裝配安裝的要求高。

2 機(jī)架的有限元建模與仿真分析

2.1 模型建立

本文的機(jī)架模型參數(shù)是參考某鋼廠中厚板精軋機(jī)進(jìn)行設(shè)置和模型建立的。組合式機(jī)架是多個(gè)部件分體制造然后裝配起來的，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。建模時(shí)需要進(jìn)簡化與假設(shè)：機(jī)架在軋制過程中只受到軋制力的作用，中間軋制力的傳導(dǎo)損耗可忽略；兩側(cè)機(jī)架受到的軋制力是相等的，不考慮偏載的現(xiàn)象；在軋制過程中，作用在上下橫梁的軋制力均勻分布，且大小相等，方向相反，軋制力作用點(diǎn)都在橫梁的中間；假設(shè)機(jī)架為彈性體機(jī)架。因此只對機(jī)架的1／2結(jié)構(gòu)建立三維模型［6-7］。

在軋制過程中，組合式機(jī)架受到的力是鋼板受到的軋制力的反作用力，壓下裝置傳遞的力作用在上橫梁，下支承輥的軸承座傳遞的制力在下橫梁，受力的位置分別為上橫梁螺母孔的承壓面上和下橫梁的軸承座的承壓面上，故對組合機(jī)架施加載荷選擇的種類為面載［8］，模型如圖1。

圖1 組合機(jī)架三維ANSYS受力模型

2.2 仿真結(jié)果分析

（1）不同預(yù)緊力的影響

組合式機(jī)架采用的主要聯(lián)接方式為螺栓聯(lián)接，即螺栓拉桿預(yù)緊，在裝配的時(shí)產(chǎn)生預(yù)緊力，通過仿真計(jì)算可得出不同預(yù)緊力下對機(jī)架強(qiáng)度、剛度、橫梁與立柱的配合間隙值等影響，總結(jié)出預(yù)緊力對剛度強(qiáng)度和間隙值的影響規(guī)律，然后用最佳預(yù)緊力值進(jìn)行參數(shù)設(shè)置對機(jī)架進(jìn)行有限元分析。

眾所周知，預(yù)緊力越大，組合機(jī)架局部產(chǎn)生的應(yīng)力就越大。為了控制螺桿預(yù)緊力對機(jī)架局部應(yīng)力值的影響，在仿真過程中，設(shè)置軋制力為105kN，并設(shè)置多組不同預(yù)緊力，在多種預(yù)緊力工況下對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到了不同預(yù)緊力（大螺桿）下上橫梁與立柱開裂時(shí)的最大間隙關(guān)系曲線，如圖2所示。在預(yù)緊力施加的范圍之內(nèi)，當(dāng)預(yù)緊力越大時(shí)，機(jī)架產(chǎn)生的縱向變形就越小，所以立柱與上橫梁配合處的間隙就越小。當(dāng)把間隙值控制在機(jī)架可承受的范圍之內(nèi)時(shí)，所采用的預(yù)緊力就可以滿足要求。從圖2中可以看到當(dāng)無預(yù)緊力時(shí)，在受到軋制力的作用下，機(jī)架產(chǎn)生的縱向變形比較大，開裂間隙最大，約為1.2mm；當(dāng)機(jī)架的大螺栓和小螺栓預(yù)緊力為4000kN和2000kN以上時(shí)，上橫梁和立柱的間隙小于0.2mm，此間隙值相對于機(jī)架整體尺寸可以忽略不計(jì)，即在軋制中，這種情況下可以視為機(jī)架不開裂。

圖2 緊力與間隙值關(guān)系

（2）機(jī)架應(yīng)力分析

在軋制過程中，組合式機(jī)架在受到軋制力的作用下局部位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，致使機(jī)架的強(qiáng)度降低，甚至發(fā)生失效，所以在軋機(jī)過程中對機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力分析是非常必要的。設(shè)置機(jī)架的預(yù)緊力為大螺栓4000kN和小螺栓2000kN，經(jīng)過仿真得到機(jī)架的等效應(yīng)力如圖3。從結(jié)果中可以看出機(jī)架的應(yīng)力在豎直方向呈遞減規(guī)律分布的，應(yīng)力值都小于機(jī)架材料的許用應(yīng)力，這證明在軋制過程中組合機(jī)架是安全的。在機(jī)架中發(fā)生應(yīng)力集中的局部位置，可以采取措施降或避免低應(yīng)力集中，比如可以增大承壓面的面積或者是適當(dāng)?shù)脑黾訄A角的弧度。

（3）機(jī)架應(yīng)變分析

組合式機(jī)架在軋制過程中受到軋制力的同時(shí)會產(chǎn)生變形，為保證機(jī)架在軋制過程中可以正常進(jìn)行，因此必須對機(jī)架進(jìn)行了應(yīng)變分析，機(jī)架的等效應(yīng)變?nèi)鐖D4。

圖3 組合機(jī)架的等效應(yīng)力

圖4 組合機(jī)架的等效應(yīng)變

由仿真結(jié)果可知：機(jī)架最大變形量發(fā)生在上橫梁和螺母的承壓面處，變形量約為1.2mm，這個(gè)位置也是承受應(yīng)力最大處，所以發(fā)生的變形量也是最大的。機(jī)架其它位置的變形量都小于1.2mm，而且機(jī)架上立柱地腳螺栓與預(yù)緊螺栓的接合面出沒有發(fā)生任何形變。

3 組合機(jī)架強(qiáng)度和剛度校核

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)械部件的所受到的最大應(yīng)力小于部件的許用應(yīng)力，則說明滿足設(shè)計(jì)要求。本機(jī)架零部件材料為ZG310-570，此種材料的強(qiáng)度極限為570MPa，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊對機(jī)架的安全系數(shù)進(jìn)行選取為10，則機(jī)架的許用應(yīng)力為：

由仿真結(jié)果可知機(jī)架的強(qiáng)度滿足要求。

在有限元分析中對組合式機(jī)架施加載荷為最大軋制力105kN，在Z方向的變形云圖中得到機(jī)架豎直方向的總變形量為：

軋機(jī)正常工作時(shí)所需要的剛度為：

式中：P——單片機(jī)架所受到的軋制力，kN；

由機(jī)架的剛度定義可知：這臺軋機(jī)組合機(jī)架在軋制力為37664.78kN時(shí)產(chǎn)生的彈性形變?yōu)?mm，軋機(jī)機(jī)架剛度是衡量軋機(jī)可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，如果機(jī)架剛度越大，說明機(jī)架產(chǎn)生的彈性變形量就越小，這樣軋制得到的鋼板尺寸精度就越高。一般軋機(jī)機(jī)架的剛度系數(shù)為5500～6500kN／mm［9］，說明此機(jī)架的剛度完全符合要求，能滿足軋機(jī)正常工作。

4 整體機(jī)架與組合機(jī)架的對比

考慮到對組合機(jī)架的強(qiáng)度剛度做一進(jìn)步的研究，因此對整體式機(jī)架也進(jìn)行了有限元的分析，得到其剛度和強(qiáng)度，與組合式機(jī)架進(jìn)行一下對比。但是為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度，整體式機(jī)架的幾何尺寸、施加的載荷大小，約束條件，都與組合式機(jī)架一樣，這樣才能更加明顯得到兩者對比的結(jié)果，整體式機(jī)架的等效應(yīng)力圖如圖5所示：

由圖3和圖5可看出兩個(gè)不同機(jī)架的危險(xiǎn)點(diǎn)都在壓下螺母的承壓面的邊緣處，危險(xiǎn)點(diǎn)都在螺母的承壓面處。與組合機(jī)架相比，整體式機(jī)架的應(yīng)力要低，說明整體式機(jī)架的強(qiáng)度更好，發(fā)生失效的概率更低，但是兩者之間應(yīng)力值相差不是很大。

由圖6可以看出Z方向的總變形量為：

軋機(jī)正常工作時(shí)所需要的剛度為：

同理，由機(jī)架的剛度定義可知軋制力為38399.51kN時(shí)會使此整體式軋機(jī)機(jī)架產(chǎn)生1mm的彈性變形，兩者進(jìn)行比較的所有條件都相同，對兩者的剛度進(jìn)行一個(gè)比較：

圖5 整體機(jī)架的等效應(yīng)力

圖6 整體式機(jī)架的等效應(yīng)變圖

上式的計(jì)算結(jié)果說明組合機(jī)架的剛度為整體式機(jī)架剛度的98.1%，差別不大。整體式機(jī)架和組合式機(jī)架的最大等效應(yīng)力均發(fā)生于上橫梁與壓下螺母的環(huán)形承壓面處且都是圓角處的應(yīng)力，這說明兩種機(jī)架的應(yīng)力分布相近。整體式機(jī)架和組合式機(jī)架的最大等效應(yīng)力兩者相差不大。

兩種機(jī)架的強(qiáng)度和剛度對比進(jìn)行綜合分析，可以得出：在剛度、強(qiáng)度和使用壽命上組合式軋機(jī)機(jī)架都可以替代整體式機(jī)架，而且組合式機(jī)架還有能夠節(jié)省加工制造和運(yùn)輸成本等更多的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）通過模擬不同預(yù)緊力下組合式機(jī)架的應(yīng)力分布、應(yīng)變和相應(yīng)的剛度，得出結(jié)論：預(yù)緊力越大，上橫梁與立柱的開裂間隙越小，綜合考慮組合式機(jī)架的縱向變形、開裂間隙值、最大等效應(yīng)力等，并結(jié)合實(shí)際情況確定了最佳預(yù)緊力的范圍。

（2）通過對軋機(jī)組合機(jī)架進(jìn)行軋制過程模擬仿真后，結(jié)果得出機(jī)架的最大等效應(yīng)力和等效變形都發(fā)生在上橫梁壓下螺母的環(huán)形承壓面處，在豎直方向呈遞減規(guī)律分布的，而且應(yīng)力值都小于機(jī)架材料的許用應(yīng)力，這證明在軋制過程中采用組合機(jī)架是安全的。

（3）對相同規(guī)格的整體式機(jī)架進(jìn)行模擬仿真后，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)組合機(jī)架在強(qiáng)度和剛度方面都與整體式機(jī)架基本一致，證明組合式機(jī)架從剛度和強(qiáng)度上基本都能滿足設(shè)計(jì)要求，所以兩者在工作時(shí)可以相互進(jìn)行替代。