2150万能轧机机架强度有限元分析

2018-08-14郑云龙涂川李继宏曹帅马成斌鞠德强

鞍钢技术 2018年4期

郑云龙，涂川，李继宏，曹帅，马成斌，鞠德强

（鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁鞍山114021）

鞍钢2150热连轧生产线是我国自行研制设计开发的热轧带钢生产线，装机程度达到世界先进水平。为满足该生产线轧制工艺需要，在粗轧区布置了一架万能轧机，实现了板坯每道次压下与侧边的连轧，大大提高了轧线的生产效率。机架作为轧机的关键部件，其力学性能直接影响轧机寿命和带钢生产质量。因此，文中对2150热连轧轧机机架进行了深入的研究，为今后轧机的设计、制造和改造等提供一定的理论依据和参考资料。

1 万能轧机机架有限元模型的建立

2150万能轧机机架由一个主机架（水平辊机架）和两个位于其前后的立辊机架组成，这三个轧机机架各自具有用于固定用的地脚螺栓，两个立辊机架分别与主机架靠一组定位螺栓把合，因此三个机架不属于刚性连接，需分别建模进行分析，其机架结构如图1所示。

图1 2150万能轧机机架结构

1.1 万能轧机机架模型的建立

利用ANSYS软件进行有限元分析时，模型简化是一个关键性问题。建立模型时既要如实反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态[1]。在建立万能轧机机架有限元模型时，根据机架的结构和承载特点需要对真实模型作以下简化：

（1）考虑到主机架几何形状和载荷的对称性，故取其一侧牌坊建立三维有限元模型；

（3）由于万能轧机机架上的油孔和螺纹孔对主机架的分析影响很小，故将其忽略。

2150万能轧机主机架和立辊轧机机架在ANSYS前处理器中直接建立的三维模型如图2所示。

图2 机架三维模型

1.2 材料设置与单元网格划分

采用智能网格控制，对模型中机架的强度和刚度进行分析，智能网格控制能在弯曲和临界区域进行细化，生成合理的自由网格，使网格的粗细比例恰当，既满足解题的精度要求又节省计算空间。

2 边界约束及载荷的处理与计算

2.1 边界条件的约束处理

文中只研究承受轧制力时机架的力学特性，根据机架实际地脚螺栓约束情况，为有限元模型进行约束。由于主机架地脚螺栓主要限制主机架水平方向位移，而地基限制主机架垂直方向位移，因此，对主机架地脚螺栓孔的内表面施加X、Z两个方向的零位移约束；对主机架与地基的接触面施加Y方向的零位移约束。立辊机架地脚螺栓主要限制主机架水平方向位移，地基限制了立辊机架垂直方向位移，因此，对立辊机架地脚螺栓孔的内表面施加X、Z两个方向的零位移约束；对立辊机架与地基的接触面施加Y方向的零位移约束。

2.2 外载荷的施加

轧机机架在轧制过程中的受力很复杂，不仅需要承受轧制力，还要承受由其他因素引起的水平方向力，机架主要受力如下：

（1）通过支撑辊轴承座、压下螺丝等作用在机架横梁上的轧制力；

（2）各种水平力在机架上形成的倾翻力矩（包括不正常传动时所引起的倾翻力矩）在机架下支撑面上引起的反力；

（3）轧辊平衡装置所引起的作用于机架横梁上的附加力；

（4）由于万向接轴的倾斜传动引起的作用于主机架立柱上的周向冲击力；

如果仅需知道μ是否为Bessel测度而无需知道其界, 只需知道F*是否有意义即可。因此有下面的推论。

（5）轧辊辊颈摩擦力矩通过轴承座在机架上引起的反力；

（6）坯料咬入时由加减速引起的作用在机架上的水平惯性力；

（7）由带材前后张力差引起的作用于机架上的水平力；

（8）机架自身所受的重力。

将机架上各项受力进行比较，轧制力值最大，其它各项受力均远小于轧制力，因此，忽略其它各项力的影响，仅取实际最大轧制力为外载荷，即：以主机架承受4 000 t轧制力和立辊机架承受300 t轧制力作为外载。机架的约束情况和受力情况如图3所示。

图3 机架加载情况

3 求解结果分析

当上述工作完成之后便可以通过后处理器求得一些相关数据。主机架空间变形情况如图4（a）、主机架沿Y轴方向的位移云图（对主机架轧制精度影响最大的方向）如图4（b）、主机架等效应力云图如图4（c）所示。立辊机架空间变形情况如图5（a）、立辊机架沿X轴方向的位移云图（对立辊机架轧制精度影响最大的方向）如图5（b）、立辊机架等效应力云图如图5（c）所示。

图中不同颜色代表不同数值，浅色代表较小数值，深色代表较大数值，颜色从浅色到深色代表数值逐渐增大。

图4 主机架变形情况

图5 立辊机架变形情况

由图4（a）可以分析出，主机架受力后有一定幅度的变形，即：上横梁向上拉伸、立柱向机架内侧弯曲，靠近机架下横梁处变形较小。图4（b）显示主机架沿Y轴方向的变形情况，该方向对主机架轧制精度影响最大，当轧制力为4 000 t时，它的最大变形达到0.805 mm，出现在上横梁压下螺母承载面，并且整个主机架的变形值以上横梁压下螺母承载面为中心，呈径向递减发散趋势，由图4（c）分析可知，当轧制力达到4 000 t时，主机架窗口内侧转角处应力较大，而最大应力出现在上横梁压下螺母镗孔承压面转角处，此时最大应力达到83.7 MPa。

从图5（a）可以看出，立辊机架受力后也有一定幅度的变形，即：四根横梁呈向上拱起、两侧牌坊向外侧倾倒的趋势。图5（b）显示主机架沿X轴方向的变形情况，该方向对立辊机架轧制精度影响较大，当轧制力为300 t时，它的最大变形为0.074 5 mm。由图5（c）分析可知，当立辊轧机轧制力最大时，其压下螺母孔承压面应力较大，而立辊机架牌坊与底座连接面的外侧应力值为最大，最大应力值为18.2 MPa。

从以上模拟结果可以看出，2150万能轧机机架包括主轧机机架和立辊轧机机架两部分，无论主轧机达到最大轧制力还是立辊轧机达到最大轧制力，其各自变形量均小于对粗轧机最大变形量的要求。当主轧机轧制力达到最大时，主机架的最大应力发生在压下螺母孔承压面转角上，且机架窗口转角的内侧应力较大，与实际情况基本一致。2150万能轧机的主机架与立辊机架均为ZG25的铸钢件，其强度极限为450 MPa，当主轧机机架或立辊轧机机架达到最大应力时，其安全系数均足够。由分析可知，主机架上横梁压下螺母镗孔承压面转角处是机架最薄弱的地方[2]，正是这一点限制了轧制力的提高，在改进设计中应特别重视该处结构尺寸的合理设计，以保证整体机架强度安全可靠。此外，由立辊轧机的应力分析可知，在设计其他立辊轧机机架或对该立辊轧机进行设备改造时，不仅要考虑压下螺母孔台阶面的强度情况，还要考虑牌坊与底座连接处的强度，进而保证整个立辊轧机的强度安全可靠。