寬厚板軋機(jī)支撐輥輥頸圓角受力分析與優(yōu)化

鄧華 方威

摘要：寬厚板軋機(jī)是軋制生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，目前普遍采用工作輥驅(qū)動(dòng)的四輥形式，其中支撐輥的主要功能為支撐工作輥，其使用性能直接影響板材質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。支撐輥在使用中承擔(dān)了軋制過(guò)程的大部分軋制彎矩，在交變載荷下易在輥頸R角部位產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，而應(yīng)力集中部位工作環(huán)境較差，其動(dòng)密封結(jié)構(gòu)會(huì)在此處產(chǎn)生磨損從而加劇應(yīng)力集中情況。本文通過(guò)對(duì)支撐輥進(jìn)行有限元分析優(yōu)化了輥頸部位的尺寸結(jié)構(gòu)，大幅降低了應(yīng)力水平。

關(guān)鍵詞：寬厚板支撐輥應(yīng)力集中對(duì)稱循環(huán)

The Stress Analysis and Optimization ofNeck Arc Angle with Wide and Heavy Plate back-up roll

DengHua FangWei

（Xiangtan Iron and Steel Co.，Ltd.of Hunan Valin Xiangtan 411101，China）

Abstract：The wide and heavy plate mill is one of the main equipments of the rolling production line.At present，the four-roller form driven by the working rolls is generally used.The main function of the back-up rolls is to support the working rolls，and the performance of the back-up rolls directly affects the quality of the plates and economic benefits.The back-up roller bears most of the rolling bending moment of the rolling process in using，and it is easy to generate stress fatigue at the R angle of the roll neck under the alternating load.The working environment of the stress concentration part is poor，and the dynamic sealing structure will be here.Wear occurs at the site to increase stress concentration.In this paper，the finite element analysis of the support roller optimizes the size structure of the neck of the back-up roller and greatly reduces the stress level.

Keywords：wide and heavy plate；back-up roll；Stress concentration；Symmetric cycle；

前言

寬厚板軋機(jī)是軋制生產(chǎn)線的主要設(shè)備之一，目前普遍采用工作輥驅(qū)動(dòng)的四輥形式，其中支撐輥的主要功能為支撐工作輥，其使用性能直接影響板材質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。見(jiàn)圖1寬厚板軋機(jī)模型[1]。

由于支撐輥的直徑遠(yuǎn)大于工作輥直徑，因此其承受了大部分的彎矩，而工作輥則用于承擔(dān)扭矩。在軋制時(shí)支撐輥的輥身始終保持與工作輥輥身滾動(dòng)接觸，支撐輥在彎矩的作用下其輥頸由于橫截面突然變化存在輥徑R角的起始位置及終了位置的應(yīng)力集中。當(dāng)支撐輥旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，R角的彎曲正應(yīng)力完成一個(gè)循環(huán)交變周期的加載過(guò)程，拉壓變曲正應(yīng)力呈交互變化（R=-1），見(jiàn)圖2支撐輥?zhàn)兦鷳?yīng)力分布。另外，支撐輥輥頸R角區(qū)域的工作環(huán)境惡劣，存在潮濕、腐蝕的情況，一旦此區(qū)域出現(xiàn)裂紋，裂紋將會(huì)在交變應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值時(shí)，在外部載荷過(guò)大的情況下支撐輥將會(huì)瞬間斷裂，造成重大生產(chǎn)影響及設(shè)備損失。

某寬厚板廠精軋機(jī)是四輥可逆軋機(jī)。由于產(chǎn)量不斷的提高，鋼種結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致原來(lái)的生產(chǎn)工藝已不能滿足要求，在控軋控冷的工藝要求下，采用了低溫大壓下減少軋制道數(shù)從而提升鋼板性能。在大壓下的情況下軋制力極高，導(dǎo)致支撐輥輥頸R角應(yīng)力升高。由于該寬厚板廠投產(chǎn)較早，采用國(guó)產(chǎn)支撐輥，當(dāng)時(shí)制造工藝不夠成熟，制造過(guò)程中精確控制材料成分及有害元素的能力偏低，鑄造缺陷難以控制，鍛造工藝較差，導(dǎo)致安全系數(shù)偏低。同時(shí)該寬厚板廠的支撐輥設(shè)計(jì)輥形在輥身與輥頸處的過(guò)渡區(qū)截面尺寸落差過(guò)大，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)本身存在著明顯的缺陷。因此在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了多次輥頸R角部位的斷裂事故，造成了巨大損失。

分析事故原因有如下幾條：1、支撐輥載荷過(guò)大，經(jīng)常達(dá)到設(shè)計(jì)軋制力、甚至有超軋制力的情況；2、支撐輥制造質(zhì)量差，實(shí)際UT探傷檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷較多，力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)值也偏低；3、支撐輥輥頸部位結(jié)構(gòu)不合理，輥身與輥頸部位過(guò)渡區(qū)的截面尺寸落差太大；4、支撐輥輥頸部位的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，密封對(duì)輥頸R角部位作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成R角部位有周向磨損情況，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)R角部位有磨損的周向細(xì)槽，進(jìn)一步增加了此部位的應(yīng)力情況。針對(duì)以上事故原因提出了如下應(yīng)對(duì)措施：1、由于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)軋制力超設(shè)計(jì)的情況予以限制，避免超軋制力的情況，但由于產(chǎn)量及品種結(jié)構(gòu)的限制，難以有限控制；2、對(duì)新制支撐輥提出更高要求，包含了機(jī)械性能及缺陷等級(jí)，確保產(chǎn)品質(zhì)量；3、對(duì)支撐輥輥頸部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力優(yōu)化分析，提出新的結(jié)構(gòu)形狀，降低應(yīng)力、并應(yīng)用在新制支撐輥上；4、對(duì)輥頸R角部位的密封結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，匹配新制支撐輥，將與輥頸R角部位接觸的密封改為靜密封，避免R角部位的磨損造成的應(yīng)力集中加劇的情況[2]。

本文主要針對(duì)上文的提到的第3點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施作詳細(xì)分析說(shuō)明，采用有限元法對(duì)R角部位進(jìn)行受力分析求解危險(xiǎn)截面應(yīng)力場(chǎng)，并根據(jù)應(yīng)力情況對(duì)R角部位的尺寸形狀進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)比應(yīng)力情況從而找出最合理的輥頸R角結(jié)構(gòu)形狀。

1支撐輥有限元模型的建立及模擬

單獨(dú)對(duì)支撐建立有限元模型，如圖3。采用六面體單元對(duì)支撐輥劃分網(wǎng)格，并在支撐輥輥頸R角區(qū)細(xì)化網(wǎng)格。共劃分186304個(gè)節(jié)點(diǎn)和127071個(gè)單元，單元平均尺度為147mm，最小尺度為20mm，如圖4。然后對(duì)支撐輥的輥身添加零位移約束。另外對(duì)兩側(cè)與油膜軸承錐套配合的輥頸錐面部位施加8000T的載荷，如圖5。

對(duì)支撐輥進(jìn)行有限元應(yīng)力分析后得到圖6的支撐輥主應(yīng)力狀態(tài)圖，（a）顯示為第一主應(yīng)力，（b）顯示為第三主應(yīng)力。由此可見(jiàn)遠(yuǎn)離工作輥的R角部位是處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)采用最大主應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。而靠近工作輥的R角部位是處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。因此可以判斷支撐輥R角的最大主應(yīng)力位置從遠(yuǎn)離工作輥的一端旋轉(zhuǎn)到靠近工作輥的一端的過(guò)程中，其應(yīng)力狀態(tài)是從三向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槿驂簯?yīng)力，該部位的應(yīng)力處于對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)，與前文分析相符[3]。

2支撐輥R角部位的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在確認(rèn)R角部位為危險(xiǎn)截面后進(jìn)一步分析R角的尺寸大小對(duì)應(yīng)力所產(chǎn)生的影響，初步分析為增加危險(xiǎn)截面的R角尺寸可以降低此處的應(yīng)力水平。圖7為初始設(shè)計(jì)的支撐輥R角部位的尺寸，由兩個(gè)圓弧段、一個(gè)直線段及一個(gè)斜線段組成。其中斜線段用于與密封相配合，優(yōu)化時(shí)可以適當(dāng)減小長(zhǎng)度，直線段用于測(cè)量輥頸錐面起始位置的尺寸，也可以適當(dāng)減小長(zhǎng)度，危險(xiǎn)截面在靠右側(cè)的圓弧段。在增加危險(xiǎn)截面尺寸后將會(huì)導(dǎo)致斜線段的長(zhǎng)度減小，實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中將直線段的尺寸減小至3.54mm并留出測(cè)量部位，這樣可以有效增加危險(xiǎn)截面的直徑從而降低應(yīng)力。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)危險(xiǎn)截面的R角部位尺寸增加至R130時(shí)斜線段的尺寸將會(huì)減小至11.38mm，此時(shí)斜線段由于太短，將不利于與密封唇口的接觸，而改為R120時(shí)斜線段的尺寸為18.38mm，可以滿足密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化的條件，見(jiàn)圖8R角部位的優(yōu)化尺寸圖。因此在分析時(shí)認(rèn)為危險(xiǎn)截面的R角部位改為R130是極限尺寸[4]。

在確定完危險(xiǎn)截面的R角部位的尺寸優(yōu)化方案后分別對(duì)不同尺寸大小的R角部位進(jìn)行有限元分析并得出相應(yīng)的應(yīng)力值，見(jiàn)表1危險(xiǎn)截面R角部位尺寸優(yōu)化后的應(yīng)力對(duì)比值。

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)隨著R角尺寸的增加（從R65mm增加至R120mm），S1（Y）從556.3MPa減小至438.2 MPa（減小21.2%），應(yīng)力減小程度明顯。特別是當(dāng)直線段從15mm減少至3.54mm時(shí)應(yīng)力減小明顯，這一點(diǎn)與前文分析相符，而當(dāng)直線段減少至3.54mm后，通過(guò)減小R角的尺寸時(shí)應(yīng)力是逐漸減小的。

3.實(shí)際改造應(yīng)用

在經(jīng)過(guò)對(duì)R角的有限元優(yōu)化分析后確定了將R角由R65改為R120的方案，同時(shí)優(yōu)化了直線段的尺寸。隨后針對(duì)前文提及的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并匹配了改造后的支撐輥及軸承座，改造完后的密封結(jié)構(gòu)從原來(lái)的動(dòng)密封改為靜密封，避免了密封長(zhǎng)期使用導(dǎo)致的R角磨損造成的應(yīng)力集加劇的情況。同時(shí)對(duì)新制支撐輥的制造工藝提出了更高的要求。目前改造后的支撐輥結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，狀況良好，可以滿足改造要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文以某寬厚板廠支撐輥為研究對(duì)象，針對(duì)使用情況及事故分析情況提出了優(yōu)化支撐輥輥頸處R角的尺寸結(jié)構(gòu)從而顯著降低應(yīng)力水的方案，從而提高了支撐輥的使用壽命。本文得出如下結(jié)論：

（1）在靜載荷作用下，支撐輥輥頸部位的R角存在應(yīng)力集中。在遠(yuǎn)離工作輥的R部位為三向受拉情況，而靠近工作輥的R角部位為三向受壓情況，此部位處于循環(huán)對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)。

（2）通過(guò)減小輥頸R角部位的直線段的長(zhǎng)度可顯著增加R角部位的危險(xiǎn)截面的直徑，從而顯著降低其應(yīng)力水平，但不能完全取消該直線段以避免輥頸錐面的起始處的尺寸難以測(cè)量的情況。

（3）通過(guò)增加輥頸R角的尺寸可有效降低其應(yīng)力水平，但需要考慮密封的后續(xù)改造，以保證密封性能。

參考文獻(xiàn)

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[2]王德俊，平安，徐灝，隨機(jī)疲勞載荷的處理及載荷譜編制準(zhǔn)則.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（04）：p.327-331.

[3]趙永翔，楊冰，張衛(wèi)華，隨機(jī)疲勞長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展率的新概率模型.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005（04）：p.6-9.

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（作者單位：湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司）