陳灝

摘要：隨著社會的發(fā)展與進步，重視中板精軋機機架的應力分析對于現(xiàn)實生活中具有重要的意義。本文主要介紹中板精軋機機架的應力分析的有關內(nèi)容。

關鍵詞 中板；精軋機；機架；剛度；強度；應力；荷載；

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

軋機機架是軋鋼機的重要非更換部件。軋機機架要承受軋制力，其結(jié)構(gòu)和受力狀況及使用工況都比較復雜。軋機機架的變形、剛度和強度直接影響到軋機的工作安全性和所軋制產(chǎn)品的尺寸規(guī)格與精度。對軋機進行準確的應力計算和分析具有重要的實際意義。根據(jù)軋鋼機型式和工作要求，軋鋼機機架分為閉式和開式兩種。閉式機架是一個整體框架，具有較高強度和剛度，可滿足產(chǎn)品尺寸精度的要求。閉式機架主要用于軋制力較大的初軋機、板坯軋機和板帶軋機等，以獲得較好的軋件質(zhì)量。

一、中板精軋機機架的概述

軋機是鋼鐵板材生產(chǎn)線的主要設備，機架是軋機的重要部件，影響軋材板形精度的因素很多，其中，軋機系統(tǒng)垂直方向的間隙和彈性變形是主要因素。

機架是軋機的重要承載部件，在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機架，并由機架全部吸收不再傳給地基，因此，機架必須具有足夠的剛度和強度。在軋制過程中，機架的受力情況較復雜，作用在機架上的力包括軋制力、帶材前后張力差引起的立柱上水平力、軋輥平衡裝置在機架上下橫梁的附加力、各種水平力形成的傾翻力矩在機架下支承面的反力等，其中軋制力最大。軋制過程中，在軋制力的作用下，軋機上一系列零件相應產(chǎn)生彈性變形。通常把這一系列受力零件產(chǎn)生的彈性變形的總和（工作機座的總變形）稱為軋機的彈跳值，使軋件的厚度尺寸和斷面形狀發(fā)生變化。在軋鋼生產(chǎn)中，工作機座的剛度對產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響 ，如果軋機沒有足夠大的剛性，在軋制過程中將會產(chǎn)生較大的彈跳值，或者當軋制壓力由于種種原因發(fā)生變化時（如張力發(fā)生變化、軋件溫度和機械性能不均勻等），此彈跳值也要發(fā)生變化，造成產(chǎn)品厚度尺寸和斷面形狀的改變，使板材厚度尺寸和斷面形狀達不到所要求的軋制精度。

二、有限元法簡介

有限元法是一種采用電子計算機求解結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)力學特性等問題的數(shù)值解法。在機械結(jié)構(gòu)的動力學分析中，利用彈性力學有限元法建立結(jié)構(gòu)的動力學模型，進而可以計算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動力響應（包括響應位移和響應應力）。由于有限元法具有精度高、適應性強以及計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點，所以在短短 50 多年間已廣泛應用于機械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領域，已成為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計中的一種重要工具。

有限元法是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)先人為地分割成許多單元，并認為單元與單元之間只通過節(jié)點聯(lián)結(jié)，力也只通過節(jié)點作用。在此基礎上，根據(jù)分片近似的思想，假定單元位移函數(shù)，利用力學原理推導建立每個單元的平衡方程組，再將所有單元的方程組，組織集成表示整個結(jié)構(gòu)力學特性的代數(shù)方程組，并引入邊界條件求解。應用有限元法求解彈塑性問題的分析過程包括結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析和引入邊界條件、求解方程四個步驟。

三、有限元法求解

3. 1 建立三維模型

應用有限元法對機械零件進行力學分析的基礎是建立一個與零件實體基本相當?shù)?1B1的三維模型。所以是基本相當而不用完全相同是由于實際零件常常比較復雜, 在建立模型過程中必須進行合理的簡化。因為一些局部的細小形狀或尺寸, 往往對所求解的答案并無重大影響,但會大大增加計算機的計算量, 甚至在劃分網(wǎng)格時造成不必要的困難。但同時又不應該對關鍵部位簡化, 以免影響答案的正確性或精度。中板精軋機閉式機架所建立的全模型如圖 1。

圖 1 中板精軋機閉式機架模型

3. 2 載荷設定與約束條件

載荷的設定要正確。有些零件在不同工作狀態(tài)下, 所受的載荷也不同。因此就應該根據(jù)求解的目的設定載荷值。例如, 該軋機的軋制載荷的設計值為 20MN, 方向是沿著機架窗口的中心線, 向上通過壓下螺母作用于機架的上橫梁上,向下則通過下軋輥軸承座作用于下橫梁中。由于軋機有左右兩個機架, 它們的結(jié)構(gòu)和受力可以看作為對稱的, 因此每個機架的受力只是全部載荷的一半。又由于所研究的機架本身及受力情況也具有對稱性。因此在它的左右對稱面和前后對稱面上都應被看作沒有垂直于該面的位移。同時, 為了減少計算工作量和便于施加約束條件, 所以實際的運算模型只需取全模型的四分之一。對于運算模型, 受到的載荷應該是一個機架所受載荷的四分之一, 即每個模型的受力是 2.5MN。上述兩個對稱面及其特點就是它的兩個約束條件。

圖 2、圖 3是運算模型的載荷圖及約束條件。在這里, 并沒有考慮其它的載荷, 例如咬入時在垂直方向及軋制方向的沖擊載荷。如果求解目的不同, 那么就要根據(jù)情況加以更改。

圖 2 運算模型上的載荷

圖 3 運算模型的約束條件

3. 3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分由軟件完成。網(wǎng)格的類型和尺寸, 軟件有推薦值?？梢阅J它, 也可以根據(jù)需要加以重新設定, 或局部設定。根據(jù)實際情況, 除了整體基本接受默認值外, 對立柱與上橫梁連接處作了細化, 如圖 4。四面體的邊長約 100mm, 細化部分約為 80mm。

圖 4 網(wǎng)格劃分圖

3. 4應力分布

在確定了以上條件后, 就可以用計算機進行運算。所獲得的應力分布常常以云圖方式表示

圖 5 應力分布圖

不同黑度對應了所在位置的應力值。在標尺的兩端顯示了應力的最大、最小值。標尺還標出了材料的屈服點的相應值。最大的應力位于兩個立柱的中心面上, 壓下螺母與上橫梁的接觸面及鄰近地區(qū), 達 46MPa左右。實際上是接觸應力及其傳遞影響。如果采取措施, 適當增加一些接觸面積, 應該能減小這個最大的應力值。

人們更關心的常常是立柱內(nèi)側(cè)的應力, 特別是與上橫梁連接處。圖6是立柱內(nèi)側(cè)自下而上相應位置的逐漸增大的應力值。與上橫梁連接處 ( R150)達到最大值, 約 25. 5MPa左右。立柱外側(cè)的應力都在 10MPa以下。由于 ZG35材料的強度極限為 500MPa, 而機架的安全系數(shù)一般取 10, 所以它的許用應力為50MP a, 通過有限元法求出的最大應力為 46M Pa,所以它的設計在強度方面是沒有問題的。

圖 6 立柱內(nèi)側(cè)應力變化

如果立柱與上橫梁連接處的過渡圓弧半徑減小, 則該處的應力會明顯增大, 在極端情況下(不設置 R ) 甚至超過壓下螺母與上橫梁的接觸面處的應力。所以, 在這里設計足夠大的過渡半徑是完全必要的。

3. 5 變形情況

圖7是綜合位移圖。表示出了總的位移 (變形 )情況。如果需要某一個方向的位移, 也可以讓計算機用類似的方法作出相應的單一方向的位移云圖 。

圖7 綜合位移圖

最大的垂直方向位移量在 0. 4 mm 左右, 水平方向位移兩方向都有, 上下兩端向外, 約 0. 07mm 。而立柱中段則向里有位移, 而且達到 0. 25mm 左右。又因為機架允許變形一般為 0. 5~ 1. 0mm, 所以在剛度方面是滿足工作要求的。

結(jié)束語

現(xiàn)代軋鋼工業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，從而對軋機系統(tǒng)提出了高精度和高動態(tài)性能的技術要求。機架是軋機的重要承載部件，在軋制過程中，被軋制的金屬作用到軋輥上的全部軋制力，通過軋輥軸承、軸承座、壓下螺絲及螺母傳給機架，并由機架全部吸收不再傳給地基，因此，機架必須具有足夠的剛度和強度。因此，重視中板精軋機機架的應力分析具有重要的意義。

參考文獻

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