基于ANSYS的粗轧机齿轮箱体裂纹分析

任学平，夏志彬，2

（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头，014010；2.包钢轨梁厂机械动力运行部，内蒙古包头，014010）

基于ANSYS的粗轧机齿轮箱体裂纹分析

任学平1，夏志彬1，2

（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头，014010；2.包钢轨梁厂机械动力运行部，内蒙古包头，014010）

针对轨梁厂粗轧机齿轮座下箱体底座圆弧处产生裂纹的问题，为挖掘其与“咬钢”冲击之间的关系，先建立该轧机主传动系统的CAD模型，并导入ANSYS Workbench，利用其LS-DYNA模块完成了对BD1轧机轧制过程的数值模拟，分析了不同的“咬钢”速度对应的粗轧机齿轮箱应力及形变量，并判断其出现异常的原因，为设置合理的“咬钢”速度提供理论依据。

粗轧机；齿轮座；咬钢速度；有限元分析

0 引言

轨梁厂粗轧机箱体底座圆弧处产生裂纹，具有重大的安全生产隐患，对此利用相应软件和用有限元分析的方法对该轧机的“咬钢”状态进行分析，以期为设备的安全运行提供重要保障。

1 有限元分析

1.1 CAD建模及导入ANSYS

利用Pro/E软件建立的粗轧机主传动系统的CAD模型，并将其导入ANSYS Workbench中（图1）进行材料属性的设置、网格划分，模拟不同的“咬钢”速度对应的粗轧机齿轮箱应力及形变量。

1.2 材料属性设置

依表1材料属性进行参数的设置[1]，以此真实反映粗轧机各个零部件的变形及应力变化的情况。

表1 材料属性

1.3 网格划分

采用自动划分法[2]与尺寸控制相结合的方法对粗轧机齿轮箱关键位置进行网格细化，共划分了158234单元及44217节点，如图1所示。

图1 网格划分

1.4 设置边界条件及约束载荷

依表2的轧制条件为初始条件，利用ANSYS workbench软件对粗轧机进行显示动力学分析，其边际条件设置如下。

表2 轧制条件

（1）约束：分别在机架底部、齿轮座底端添加与大地连接的固定约束。

（2）载荷：所有零件加载竖直向下重力，沿x方向重轨速度v=2.5m/s，人字齿轮端转速n=-5.2rad/s，沿轧辊方向轧辊端4个轴承的轧制力F=1712N。

（3）接触：为符合实际情况定义人字齿轮轴端与齿轮座轴承有4处采用无摩擦接触，万向联轴器叉头与十字轴之间的接触有8处采用摩擦接触，轧辊与机架轴承之间4处采用无摩擦接触。动摩擦因数0.35，静摩擦因数0.25。

（4）求解：借助于LS-DYNA模块，按上述边界条件设置（图2），并进行求解。

图2 模型的边界条件

2 结果分析

2.1 实际的咬钢速度对粗轧机下箱体的影响

采用2.5m/s 的“咬钢”速度进行仿真，粗轧机下箱体的主应力云图如图3所示。下箱体进出钢两侧的圆弧处受到三向拉力作用，应力集中严重，F拉max=221.42MPa；然而，出钢侧下箱体底座圆弧处受到三向压力作用，F压min=211.39 MPa。由于粗轧机是可逆式轧机，该圆弧处受到对称循环应力的作用，故此处是危险点。

图3 实际咬钢速度下齿轮箱下箱体的最大主应力云图

2.2 不同“咬钢”速度对齿轮箱的影响

图4所示2.1m/s、2.2m/s、2.3m/s、2.4m/s“咬钢”速度下齿轮座圆弧处的应力分布。

图4 不同“咬钢”速度下箱体圆弧处的应力分布曲线

V咬=2.4m/s时，应力呈 “凸”字分布，最大等效应力出现在圆弧处中间部位。最小应力值出现在230mm处， 141.375Mpa，低于实际“咬钢”速度下的最小等效应力，最大等效应力为162.89Mpa，高于齿轮座许用强度，故2.4m/s的“咬钢”速度不满足设计要求。

V咬=2.3m/s时，应力呈“一”字分布，最大等效应力出现在靠近主传动端的圆处，应力值变化平缓，为145.97Mpa，接近于材料的屈服极限146.88MPa，无法满足现场生产需求。

V咬=2.2m/s时，应力呈“一”字分布，最大等效应力出现在靠近主传动端的圆弧处，为144.18Mpa，接近于材料的屈服极限，也不满足现场生产需求的。

V咬=2.1m/s时，应力曲线变化平缓，最大等效应力为128.64MPa，在靠近电机侧的圆弧处，小于材料的屈服极限，满足现场生产需求的。

3 结论

通过上述仿真试验易知，“咬钢”速度越低，应力曲线越平缓，分布越平稳，且应力较为集中的位置多为靠近主传动端的圆弧处；当“咬钢”速度为2.1m/s时应力值的大小、分布不仅满足材料的性能要求，同时兼顾现场生产需求

[1]刘亚丽.2800热粗轧机主传动系统改造方案研究[D].重庆大学,2006.

[2]冯艳飞.基于ANSYS对950轧机机架有限元分析研究[D].硕士学位论文，内蒙古：内蒙古科技大学,2012.

[3]郭喜平,方伟欣.重轨矫直速度对矫后残余应力的影响分析[J].锻压技术,2015,03:58-61.

Crack analysis of gear box of roughing mill based on ANSYS

Ren Xueping1, Xia Zhibin1,2
(1.School of mechanical engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou Inner Mongolia,014010;2.Department of mechanical and power engineering, Baotou Baogang rail and beam plant,Baotou Inner Mongolia,014010)

the problem of cracks in rail mill gear box under the seat base arc, for the mining and relationship between the impact of biting “, CAD model was established on the main drive system of the rolling mill, and imported into ANSYS Workbench, using the LS-DYNA module to complete the numerical simulation of the BD1 rolling process. Analysis of the different” biting “speed corresponding to the rolling mill gear box stress and deformation, and determine the causes of the abnormal, to set reasonable”biting“provides a theoretical basis for speed.

roughing mill; gear seat; biting speed; finite element analysis