UCM冷轧机刚度有限元分析

伍 毅，周云节 ,朱 潇

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司第一钢轧总厂，安徽 马鞍山 243000)

UCM冷轧机刚度有限元分析

伍 毅1，周云节2,朱 潇1

(1.安徽工业大学机械工程学院，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司第一钢轧总厂，安徽 马鞍山 243000)

通过分析UCM冷轧机工作原理及性能特点，建立了UCM冷轧机工作机座三维模型及有限元模型。与以往模型相比，该模型充分考虑了由于窜辊、辊形、单侧驱动等因素带来的辊系不对称缺陷，极大提高了计算精度及结果可信度。以1 MN为步进，自3 MN施加轧制力至15 MN，得到13个工况下的压上缸行程，进而计算冷轧机刚度系数。将有限元计算刚度系数与现场实测数据计算的刚度系数做对比，误差为0.963%，误差极小。则有限元计算结果可为轧机的刚度设计提供可靠的科学依据。

UCM；冷轧机；有限元；刚度

0 前言

UCM 轧机是新一代具有更强板形控制能力的冷轧薄板轧机[1-3]，其在世界上得到广泛应用，其具有以下性能特点[4-7]：

(1)能在稳定和大压下量下轧制，具有好的带钢凸度和最小的边部降控制。轧机配备有带钢凸度控制功能和高的横向轧机刚度稳定性，通过工作辊正中间辊弯辊、中间辊正弯、中间辊窜动、轧辊调平等手段可从容轧制各种较宽的到较窄的，较薄的和较硬的带钢；

(2)机架中的工作辊和中间辊可在保留带钢的情况下实现自动换辊，生产率较高；

(3)机架顶部设置了斜楔和阶梯板相配合的调节装置，可以保证在使用不同辊径的轧辊时轧制水平恒定不变，并设备了位移传感器进行测量和控制；

(4)机架底部设置了液压压上装置，在压上油缸体上安装了压力马达阀用来提高厚度控制响应速度，并设置了位置传感器。

UCM轧机多样的板型控制手段使其在板形控制方面具有巨大优势。本文借助有限元软件ANSYS，对UCM冷轧机进行刚度分析，为将来轧机的优化和改造提供理论依据。

1 有限元模型建立

许多学者对轧机刚度进行了细致的研究，得到了许多有价值的结果[8,9]。但其建模时，多采用简化模型，即在单片机架上加载，等同其理论刚度。但实际上，由于中间辊横移，中间辊辊形不对称，辊系单侧驱动等多重因素影响，UCM冷轧机辊系处于严重非对称状态，其两侧机架刚度不可能完全一致[10,11]。通过整体建模分析，可全面、准确地计算UCM冷轧机刚度。

1.1 实体模型简化及有限元建立

但Sarah显然摸索到了适合自己的道路，并做得很成功。学艺术出身的她找到了将自己所学与葡萄酒融合的方法，明年Sarah将与合作的酒杯品牌推出自己设计的酒杯系列，甚至有可能在中国内地举办数次个人画展。正如Sarah说的：“大多数亚洲的女性葡萄酒大师都在经营着自己的事业，我们都是独立的个体并走在属于自己的道路上。”

本文根据设备的实际情况建立了UCM轧机三维模型，并且对模型进行了适当的简化。轧机牌坊、辊系根据设备的实际模型建模不做任何简化，将轴承座与轴承、压上缸与牌坊简化为一个整体，并且忽略设备中的液压系统。根据实际工况测量的数据可得，对宽度为1 575 mm的板材进行轧制时的最大轧制力14.6 MN。辊系尺寸为：工作辊直径Φ385 mm～Φ425mm，辊身长度1 720 mm；中间辊直径Φ440 mm～Φ490 mm，辊身有效长度1707.5 mm；支撑辊直径Φ1150 mm～Φ1300 mm，辊身长度1720 mm。在建立轧机辊系时，辊系按最小直径建模，中间辊窜辊量设定为0 mm。

对导入ANSYS中的轧机各部位材料模型进行定义。其材料属性如表1所示。

由于Solid187实体单元有中间节点，求解精度更高，且其为四面体单元，可划分各种复杂结构，故使用10节点的Solid187实体单元划分网格。轧机不同部位的网格疏密程度不同，轧辊、轴承座采取手动控制划分且网格较密，其余部位采取手动、自由相结合方式划分。特别注意对接触处及过渡圆角、倒角处进行局部细化，防止由于网格粗大引起的局部应力集中，导致应力值异常偏大。冷轧机工作机座有限元模型如图1所示，整个轧机模型划分出605 165个单元， 870 818个节点。

表1 材料属性

1.机架 2.支承辊 3.中间辊 4.工作辊 5.轴承座 6.压上缸图1 UCM轧机工作机座有限元模型Fig.1 Model of the UCM cold mill housing

1.2 接触分析

整个冷轧机分析模型共设置了44对接触对。接触单元选择CONTAC174，目标单元选择与之相配合的TARGET170单元。根据冷轧机接触特点，并结合实际工况，所有的接触对都采取柔体面-柔体面的接触类型，即允许存在接触变形。所涉及的接触部位及数量如表2。

1.3 施加载荷、边界条件及求解

根据现场压靠实验时，冷轧机加载实际状况，在下支承辊轴承座施加竖直向上的轧制力，在压上缸上表面施加等值反向的轧制力。以1 MN为步进，自3 MN加载至15 MN，以写载荷步的方式，一次完成计算。将地脚螺栓所有的自由度都进行约束，并约束轧辊驱动侧的周向及轴向自由度，最后依靠接触面间的摩擦力约束轴承座的自由度。冷轧机加载、约束如图2所示。

表2 接触部位及数量

图2 UCM轧机加载、约束Fig.2 Loading and constraint of the UCM cold mill

2 刚度计算结果及分析

读取下支承辊轴承座下表面中心及压上缸上表面的对应位置的位移，进行相应计算，结果见表3。

表3 冷轧机刚度计算结果

根据调取的现场数据，轧制力约为8 MN。故对轧制力为8 MN左右的刚度进行计算，得到轧机总刚度。

Kc=K1+K2=4.4585 MN/mm

(1)

式中，K1为轧机传动侧刚度，K1=1.9855 MN/mm；K2为轧机操作侧刚度，K2=2.473 MN/mm；Kc为轧机总刚度。

3 现场数据验证

调取现场轧制数据，如图3所示。图3上部为轧制力变化曲线，单位为1 kN。下侧为为了使轧件轧后厚度不变，轧机压下系统压下量变化曲线，单位为1 μm。

图3 现场记录曲线Fig.3 Curve of on-line roll force variation

当轧制力由7.656 MN上升到8.208 MN时，压下系统压下量由1.195 mm变化为1.320 mm，其刚度系数为[12]：

(2)

式中，P1、P2分别为在工作范围内的两个轧制力，P1=8.208 MN，P2=7.656 MN；S1、S2分别为与P1、P2相对应的辊缝位置，S1=1.320 mm,S2=1.195 mm；ΔP=0.552 MN，ΔS=0.125 mm。

现场刚度系数与数值计算刚度系数误差

4 结论

(1)按照本文的简化方式所建立的UCM冷轧机分析模型在计算刚度时，其力学模型更符合现场实际工况。

(2)使用有限元软件ANSYS计算了工作机座刚度，与现场数据对，误差为0.963%，误差极小。计算结果可为轧机的刚度设计提供可靠的科学依据。

(3)在分析设备力学行为及性能时，有限元法相对传统理论方法具有快捷，求解精度更高的优点。

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Rigidity finite element analysis of UCM cold mill

WU Yi1， ZHOU Yun-jie2， ZHU Xiao1

(1.School of Mechanical Engineering, AnHui University of Technology, Ma’Anshan 243000 China；2.The First Steel Rolling Plant of Ma Steel Co., Ltd., Ma’Anshan 243000 China)

Through analysis of operation theory and performance features of UCM cold mill. The finite element analytical model of the UCM cold mill housing was established. Compared with the previous models, asymmetric defect caused by the factors including shifting, roll contour and single side driving etc., are fully considered in this model. Greatly enhance precision and reliability of the results. The stroke of the pressure cylinder via was obtained by applying rolling force from 3MN to 15MN at the step of 1MN. Through the above results, rigidity factors of FEM calculation could be calculated. To compare the rigidity factors between FEM calculating and on-site test calculation, the error was 0.963%. So the FEM results can provide reliable scientific basis for the mill rigidity design.

UCM; cold mill; finite element method; rigidity

2015-06-23；

2015-09-05

国家自然科学基金资助项目(51375014)

伍毅(1965-)，副教授，硕士。研究方向为机械系统检测及冶金设备。

TG333.7;TH122

A

1001-196X(2016)03-0063-04