特大水平下调三辊卷板机底座有限元分析

郭永平，谷立臣，甄 诚

（1.长钢（集团）锻压机械制造有限公司 设计院，山西 长治046011；2.西安建筑科技大学 机电学院，陕西 西安710055）

0 前言

卷板机是将金属板材在冷、温或热态下利用三点成圆原理弯卷成筒形、弧形或锥形等工件的锻压成形通用设备。在卷板机设计中，因板材塑性变形情况复杂，板材变形和内部应力变化难以得到确切数值，故一般采用工程类比和设计经验进行，难免存在设备安全隐患，或者为安全考虑设计过于保守，使设备设计制造成本高。

水平下调式三辊卷板机结构特点为：上辊升降移动，两个下辊可单独也可一起水平移动，上下辊可以布置成非对称结构，可以对板端部进行预弯；而且上、下辊都可以为主驱动辊。水平下调式三辊卷板机上辊升降采用油缸下置驱动，即上辊升降油缸安装在设备的底座内。对于大型设备来说，油缸下置能降低设备重心，提高设备安全性，所以大型卷板设备多采用水平下调式结构。

1 有限元模型建立

1.1 模型简化

特大型水平下调式三辊卷板机结构庞大，左右底座受力基本相同，为减小计算难度只对左底座进行静态分析。针对水平下调式三辊卷板机结构和工作特点，对模型做如下简化：①只考虑在压板情况下底座的静态受力； ②地脚螺栓的固定看成刚度无限大；③假设焊接强度与钢板强度相同。水平下调式三辊卷板机压板时底座受力示意图如图1 所示，左底座模型图如图2 所示，有限元网格划分图如图3 所示，划分了34658 个有限单元。

图1 卷板机压板时底座受力图

1.2 约束及载荷

卷板机在压板和卷板过程中，底座是通过地脚螺栓固定在地面上的，地脚螺栓限制了底座底面三个方向的移动和转动六个自由度，因此在地脚螺栓孔处的约束为固定全约束。卷板机压板时，以底座为研究对象进行受力分析，底座受到上辊向上的拉力Fa和下辊向下的压力Fa的作用，上辊向上的拉力Fa通过安装在底座上的油缸上腔缸盖传递给焊接在底座上的缸体。水平下调式三辊卷板机可以实现板材的预弯，预弯时下辊相对于上辊为非对称布置，此时的上辊受力最大，为卷板机压板时的最恶劣工况，所以底座受力分析以此工况下受力进行分析。卷板机预弯时上下辊受力示意图如图4 所示。预弯时上辊最大受力Fa为50000kN，此力竖直方向分力作用于焊接在底座的缸体端面上； 左下辊受力Fb为27300kN，右下辊受力Fc为24400kN，分别分解为竖直方向和水平方向的力，作用于左底座与下辊机架接触面上。

图2 左底座模型图

图3 有限元网格划分图

图4 预弯时上下辊受力示意图

2 模拟结果分析

图5、图6 分别显示了左底座的应力和变形情况，整个底座应力和应变都不大，大部分应力处于钢板材料的安全应力范围内，小于板材材料的屈服极限。最大应力和应变均发生在底座下部靠近缸体地脚螺栓处，最大变形6.2mm，应力达到500MPa，局部出现应力集中现象，应力达到1155MPa，此处在满负荷预弯板材时有发生断裂的危险，存在安全隐患。因此，应对此处结构进行结构改进优化设计。

图5 左底座应力云图

图6 左底座应变云图

3 优化设计

根据左底座应力、应变图和模型图分析发现，左底座在结构设计时，缸体下部与侧板之间缺少纵向筋板，同时侧板为了留出地脚螺栓孔位置，在侧板上开了两个缺口，另外上辊升降油缸缸体下腔进油孔处在侧板和内支撑板上也开有缺口，这样就导致此处结构材料薄弱，出现变形和应力过大。综合以上分析，在缸体下部与侧板之间增加纵向筋板，在侧板中间增加底板和两个地脚螺栓，经过有限元模拟计算优化后的应力图如图7 所示。由图可见，最大变形为4mm，地脚螺栓处应力大部分为170MPa，局部应力集中已降至510MPa。地脚螺栓处应力和应力集中很大程度上得到了改善。

图7 优化设计后左底座应力云图

4 结束语

本文针对特大型水平下调式三辊卷板机预弯时底座受力情况进行分析，利用PRO/E 软件对底座进行建模，导入ANSYS 分析软件进行网格划分、载荷加载和求解。根据模拟结果，得出底座在预弯时结构的薄弱位置，对底座进行优化设计，提高特大型设备的可靠性。是对传统工程类比和经验设计的验证和补充，为特大型水平下调式卷板机设计提供参考和依据。

[1]邢伟荣.卷板机的现状与发展[J].锻压装备与制造技术，2010，45（2）.

[2]邢伟荣，等.水平下调式结构在大型三辊卷板机上的应用[J].锻压装备与制造技术，2006，41（5）.

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[4]龚发云.非对称式三辊弯板机卷板数学模型的研究[C].中国机械工程学会年会论文集.北京：中国机械工程学会，2005.

[5]邓凡平.ANSYS10.0 有限元分析[M].北京：人民邮电出版社，2007.