中板精轧机机架的应力分析

陈灏

摘要：随着社会的发展与进步，重视中板精轧机机架的应力分析对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍中板精轧机机架的应力分析的有关内容。

关键词 中板；精轧机；机架；刚度；强度；应力；荷载；

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

引言

轧机机架是轧钢机的重要非更换部件。轧机机架要承受轧制力，其结构和受力状况及使用工况都比较复杂。轧机机架的变形、刚度和强度直接影响到轧机的工作安全性和所轧制产品的尺寸规格与精度。对轧机进行准确的应力计算和分析具有重要的实际意义。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度，可满足产品尺寸精度的要求。闭式机架主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等，以获得较好的轧件质量。

一、中板精轧机机架的概述

轧机是钢铁板材生产线的主要设备，机架是轧机的重要部件，影响轧材板形精度的因素很多，其中，轧机系统垂直方向的间隙和弹性变形是主要因素。

机架是轧机的重要承载部件，在轧制过程中，被轧制的金属作用到轧辊上的全部轧制力，通过轧辊轴承、轴承座、压下螺丝及螺母传给机架，并由机架全部吸收不再传给地基，因此，机架必须具有足够的刚度和强度。在轧制过程中，机架的受力情况较复杂，作用在机架上的力包括轧制力、带材前后张力差引起的立柱上水平力、轧辊平衡装置在机架上下横梁的附加力、各种水平力形成的倾翻力矩在机架下支承面的反力等，其中轧制力最大。轧制过程中，在轧制力的作用下，轧机上一系列零件相应产生弹性变形。通常把这一系列受力零件产生的弹性变形的总和（工作机座的总变形）称为轧机的弹跳值，使轧件的厚度尺寸和断面形状发生变化。在轧钢生产中，工作机座的刚度对产品质量有很大影响 ，如果轧机没有足够大的刚性，在轧制过程中将会产生较大的弹跳值，或者当轧制压力由于种种原因发生变化时（如张力发生变化、轧件温度和机械性能不均匀等），此弹跳值也要发生变化，造成产品厚度尺寸和断面形状的改变，使板材厚度尺寸和断面形状达不到所要求的轧制精度。

二、有限元法简介

有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应（包括响应位移和响应应力）。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，所以在短短 50 多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。

有限元法是将连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为单元与单元之间只通过节点联结，力也只通过节点作用。在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组，再将所有单元的方程组，组织集成表示整个结构力学特性的代数方程组，并引入边界条件求解。应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程包括结构离散化、单元分析、整体分析和引入边界条件、求解方程四个步骤。

三、有限元法求解

3. 1 建立三维模型

应用有限元法对机械零件进行力学分析的基础是建立一个与零件实体基本相当的 1B1的三维模型。所以是基本相当而不用完全相同是由于实际零件常常比较复杂, 在建立模型过程中必须进行合理的简化。因为一些局部的细小形状或尺寸, 往往对所求解的答案并无重大影响,但会大大增加计算机的计算量, 甚至在划分网格时造成不必要的困难。但同时又不应该对关键部位简化, 以免影响答案的正确性或精度。中板精轧机闭式机架所建立的全模型如图 1。

图 1 中板精轧机闭式机架模型

3. 2 载荷设定与约束条件

载荷的设定要正确。有些零件在不同工作状态下, 所受的载荷也不同。因此就应该根据求解的目的设定载荷值。例如, 该轧机的轧制载荷的设计值为 20MN, 方向是沿着机架窗口的中心线, 向上通过压下螺母作用于机架的上横梁上,向下则通过下轧辊轴承座作用于下横梁中。由于轧机有左右两个机架, 它们的结构和受力可以看作为对称的, 因此每个机架的受力只是全部载荷的一半。又由于所研究的机架本身及受力情况也具有对称性。因此在它的左右对称面和前后对称面上都应被看作没有垂直于该面的位移。同时, 为了减少计算工作量和便于施加约束条件, 所以实际的运算模型只需取全模型的四分之一。对于运算模型, 受到的载荷应该是一个机架所受载荷的四分之一, 即每个模型的受力是 2.5MN。上述两个对称面及其特点就是它的两个约束条件。

图 2、图 3是运算模型的载荷图及约束条件。在这里, 并没有考虑其它的载荷, 例如咬入时在垂直方向及轧制方向的冲击载荷。如果求解目的不同, 那么就要根据情况加以更改。

图 2 运算模型上的载荷

图 3 运算模型的约束条件

3. 3 网格划分

网格的划分由软件完成。网格的类型和尺寸, 软件有推荐值。可以默认它, 也可以根据需要加以重新设定, 或局部设定。根据实际情况, 除了整体基本接受默认值外, 对立柱与上横梁连接处作了细化, 如图 4。四面体的边长约 100mm, 细化部分约为 80mm。

图 4 网格划分图

3. 4应力分布

在确定了以上条件后, 就可以用计算机进行运算。所获得的应力分布常常以云图方式表示

图 5 应力分布图

不同黑度对应了所在位置的应力值。在标尺的两端显示了应力的最大、最小值。标尺还标出了材料的屈服点的相应值。最大的应力位于两个立柱的中心面上, 压下螺母与上横梁的接触面及邻近地区, 达 46MPa左右。实际上是接触应力及其传递影响。如果采取措施, 适当增加一些接触面积, 应该能减小这个最大的应力值。

人们更关心的常常是立柱内侧的应力, 特别是与上横梁连接处。图6是立柱内侧自下而上相应位置的逐渐增大的应力值。与上横梁连接处 ( R150)达到最大值, 约 25. 5MPa左右。立柱外侧的应力都在 10MPa以下。由于 ZG35材料的强度极限为 500MPa, 而机架的安全系数一般取 10, 所以它的许用应力为50MP a, 通过有限元法求出的最大应力为 46M Pa,所以它的设计在强度方面是没有问题的。

图 6 立柱内侧应力变化

如果立柱与上横梁连接处的过渡圆弧半径减小, 则该处的应力会明显增大, 在极端情况下(不设置 R ) 甚至超过压下螺母与上横梁的接触面处的应力。所以, 在这里设计足够大的过渡半径是完全必要的。

3. 5 变形情况

图7是综合位移图。表示出了总的位移 (变形 )情况。如果需要某一个方向的位移, 也可以让计算机用类似的方法作出相应的单一方向的位移云图 。

图7 综合位移图

最大的垂直方向位移量在 0. 4 mm 左右, 水平方向位移两方向都有, 上下两端向外, 约 0. 07mm 。而立柱中段则向里有位移, 而且达到 0. 25mm 左右。又因为机架允许变形一般为 0. 5~ 1. 0mm, 所以在刚度方面是满足工作要求的。

结束语

现代轧钢工业对产品的质量要求越来越高，从而对轧机系统提出了高精度和高动态性能的技术要求。机架是轧机的重要承载部件，在轧制过程中，被轧制的金属作用到轧辊上的全部轧制力，通过轧辊轴承、轴承座、压下螺丝及螺母传给机架，并由机架全部吸收不再传给地基，因此，机架必须具有足够的刚度和强度。因此，重视中板精轧机机架的应力分析具有重要的意义。

参考文献

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