武心朋

(中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東青島 266555)

短應(yīng)力線軋機(jī)中球面墊與調(diào)整螺母接觸有限元分析

武心朋

(中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東青島 266555)

介紹了短應(yīng)力線軋機(jī)中球面墊與調(diào)整螺母在接觸位置經(jīng)常出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，分析了球面墊與調(diào)整螺母之間的接觸問題的原理及其接觸狀態(tài)下的受力狀況。通過改變球面墊與調(diào)整螺母之間的潤(rùn)滑狀態(tài)和增大接觸面半徑的優(yōu)化方案，減小接觸面的最大等效應(yīng)力和接觸摩擦應(yīng)力，延長(zhǎng)使用壽命。

短應(yīng)力線軋機(jī);球面墊;調(diào)整螺母;接觸

0 前言

目前我國(guó)小型棒材車間精軋機(jī)幾乎都采用了短應(yīng)力線軋機(jī)。球面墊與調(diào)整螺母是短應(yīng)力線軋機(jī)拉桿裝配中最重要的兩個(gè)零部件，起支撐和調(diào)整輥縫大小的作用。調(diào)整螺母是通過止動(dòng)栓與軋輥軸承座連接在一起，因此調(diào)整螺母不能相對(duì)于軸承座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)拉桿在外力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)整螺母就能帶動(dòng)軸承座上下升降，從而實(shí)現(xiàn)輥縫間隙的調(diào)整。調(diào)整螺母是短應(yīng)力線軋機(jī)中受力比較大的零件之一，其在調(diào)整輥縫大小時(shí)與拉桿螺絲之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生摩擦現(xiàn)象，故其選用耐磨鑄青銅材料制作。球面墊與調(diào)整螺母配合調(diào)心主要起一個(gè)鉸接點(diǎn)的作用，當(dāng)軸承座軸向調(diào)整或安裝存在誤差使拉桿被迫歪斜時(shí)，球面墊就能允許拉桿有一個(gè)小范圍的擺動(dòng)，以減小軸承受到的邊緣載荷，從而提高軸承的壽命，球面墊要滿足硬度和表面耐磨性方面的要求，故材料選用40Cr。

短應(yīng)力線軋機(jī)在生產(chǎn)過程中，頻繁出現(xiàn)了球面墊與調(diào)整螺母磨損的問題。本文利用有限元理論，結(jié)合ANSYS軟件，對(duì)短應(yīng)力線軋機(jī)中重要承載件球面墊和調(diào)整螺母進(jìn)行接觸狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變分析，得到零件的受力狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終合理地確定該零件的結(jié)構(gòu)尺寸，在保證軋機(jī)的工藝性能的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)更合理，性能更高。

1 球面墊與調(diào)整螺母三維建模

(1)定義球面墊與調(diào)整螺母的尺寸參數(shù)。首先確定球面墊的基本尺寸參數(shù):直徑185 mm，球面半徑155mm，球面墊厚度29 mm等;然后確定調(diào)整螺母的尺寸參數(shù)為:直徑186 mm，球面半徑155 mm，調(diào)整螺母厚度160 mm，調(diào)整螺母的螺紋尺寸為Tr130×8-LH-7H等。如圖1所示。

圖1 球面墊與調(diào)整螺母的尺寸參數(shù)Fig.1Size parameters of spherical pad and adjusting nut

(2)球面墊與調(diào)整螺母模型的建立。在ANSYS Workbench環(huán)境中，做接觸有限元分析時(shí)必須將球面墊與調(diào)整螺母放在同一個(gè)分析界面中。首先按照球面墊與調(diào)整螺母的尺寸參數(shù)建立三維模型，在建立三維模型的過程中，球面墊的球面與調(diào)整螺母的球面需要留出0.5 mm的間隙，否則模型建立后無法進(jìn)行接觸分析。模型建立后如圖2所示。

圖2 球面墊與調(diào)整螺母接觸模型Fig.2Contact model of spherical pad and adjusting nut

(3)定義球面墊與調(diào)整螺母材料屬性。將球面墊與調(diào)整螺母放在同一個(gè)分析界面中，需要單獨(dú)對(duì)其材料進(jìn)行屬性的定義。從材料庫(kù)中，將球面墊的材料定義為40Cr，再將調(diào)整螺母的材料定義為ZCuAl10Fe3。

(4)對(duì)球面墊與調(diào)整螺母材料劃分網(wǎng)格。分別選中球面墊和調(diào)整螺母，在分析樹中選擇劃分網(wǎng)格(Mesh)項(xiàng)，設(shè)置單元格尺寸為5 mm，采用自由網(wǎng)格劃分方式，這樣就在同一個(gè)界面中得到2個(gè)零件的網(wǎng)格模型。最終生成的網(wǎng)格效果圖如圖3所示。從圖中可以看出，球面墊的球面網(wǎng)格劃分很細(xì)密，能夠使分析的效果更加準(zhǔn)確。

圖3 球面墊與調(diào)整螺母網(wǎng)格劃分模型Fig.3Mesh model of spherical pad and adjusting nut

2 球面墊與調(diào)整螺母接觸有限元分析

(1)設(shè)置球面墊與調(diào)整螺母的接觸選項(xiàng)。在ANSYS Workbench軟件中，接觸類型有Bonded (綁定)、No Separation(不分離)、Rough(粗糙)、Frictionless(光滑無摩擦)及Frictional(摩擦)五種。其特點(diǎn)見表1。球面墊與調(diào)整螺母之間看做Frictional(摩擦)接觸方式，將球面墊的球面設(shè)定為接觸面，而調(diào)整螺母的球面設(shè)定為目標(biāo)面。摩擦系數(shù)定義為0.3，初始接觸間隙為0.5 mm。

表1 五種接觸類型的接觸特點(diǎn)Tab.1Characteristics of five contact types

(2)施加載荷與約束。根據(jù)設(shè)計(jì)過程中球面墊與調(diào)整螺母的位置與作用，將載荷施加在調(diào)整螺母的上表面上，而將約束定義在球面墊的下表面與圓柱表面上。在操作界面中，施加載荷即軋制壓力325 kN，施加在調(diào)整螺母的上表面上，方向沿軸心往球面墊方向。球面墊與調(diào)整螺母的球面作為約束面，使得兩個(gè)面之間的接觸面作為摩擦約束面。球面與調(diào)整螺母的接觸受力模型就建立了。

(3)設(shè)置求解項(xiàng)并顯示求解結(jié)果。在操作界面中，首先設(shè)置求解項(xiàng)Equivalent Stress(等效應(yīng)力)，同時(shí)，作為接觸分析，還要增加接觸摩擦應(yīng)力分析。進(jìn)行求解后，得到Equivalent Stress (等效應(yīng)力)分析云圖如圖4所示。從圖中可以看出，接觸狀態(tài)下，最大等效應(yīng)力發(fā)生接觸面位置，最大應(yīng)力為642.16 MPa。其受力狀態(tài)遠(yuǎn)超過材料的強(qiáng)度極限，這應(yīng)該是磨損的主要原因。

根據(jù)對(duì)接觸面應(yīng)力的分析，通過增加接觸面位置的硬度和強(qiáng)度，改變磨損狀況。接觸摩擦應(yīng)力分析云圖如圖5所示，可以看到接觸摩擦應(yīng)力(Frictional Stress)的最大應(yīng)力值為250.15 MPa。從圖中可以看出，最大應(yīng)力僅在接觸面的很小的部分發(fā)生，在實(shí)際工況中影響比較小。

圖4 等效應(yīng)力分析圖Fig.4Analysis chart of equivalent stress

圖5 接觸摩擦應(yīng)力分析云圖Fig.5Analysis chart of contact friction stress

3 球面墊與調(diào)整螺母優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)通過改變接觸面的潤(rùn)滑狀態(tài)的優(yōu)化。在實(shí)際工況中，由于金屬與金屬之間的無潤(rùn)滑摩擦是不允許的，大部分情況都是增加潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑摩擦，所以在球面墊與調(diào)整螺母之間增加潤(rùn)滑劑，減小摩擦系數(shù)，對(duì)接觸面的工作條件能夠得到改善。將調(diào)整螺母與球面墊之間接觸面的摩擦系數(shù)改為0.1，再進(jìn)行有限元接觸分析。改摩擦系數(shù)后的應(yīng)力分析云圖和接觸摩擦應(yīng)力分析云圖分別如圖6、7所示。通過2個(gè)應(yīng)力分析云圖，可以看到最大等效應(yīng)力為591.41MPa，接觸摩擦應(yīng)力最大為226.92 MPa，相對(duì)于無潤(rùn)滑狀態(tài)下的應(yīng)力，都小了很多。

圖6 接觸應(yīng)力分析云圖Fig.6Analysis chart of contact stress

圖7 接觸摩擦應(yīng)力分析云圖Fig.7Analysis chart of contact friction stress

(2)通過改變接觸面半徑的優(yōu)化。首先，分別將球面墊與調(diào)整螺母的球面半徑增大，由原來的155 mm改為160 mm，其它結(jié)構(gòu)尺寸，不做改變。摩擦系數(shù)選擇有潤(rùn)滑時(shí)的系數(shù)0.1。對(duì)兩個(gè)零件重新建模，進(jìn)行接觸分析，得到球面半徑增大后的應(yīng)力分析云圖和接觸摩擦應(yīng)力分析云圖分別如圖8、9所示。從圖中可以看出，最大等效應(yīng)力為281.59 MPa，與球面半徑為155 mm時(shí)的最大等效應(yīng)力591.41 MPa相比，減小了310 MPa;同時(shí)，接觸摩擦應(yīng)力最大為147.58 MPa，與球面半徑為155 mm時(shí)的接觸摩擦應(yīng)力226.92 MPa相比較，減少了約80 MPa，優(yōu)化結(jié)果非常理想。

圖8 接觸應(yīng)力分析云圖Fig.8Analysis chart of contact stress

圖9 接觸摩擦應(yīng)力分析云圖Fig.9Analysis chart of contact friction stress

球面墊與調(diào)整螺母的球面半徑由原來的155 mm改為150 mm，其它結(jié)構(gòu)尺寸，不做改變，摩擦系數(shù)選擇有潤(rùn)滑時(shí)候的系數(shù)0.1。對(duì)兩個(gè)零件重新建模，進(jìn)行接觸分析，得到球面半徑減小后的應(yīng)力分析云圖和接觸摩擦應(yīng)力分析云圖分別如圖10、11所示。

從圖中可以看出，最大等效應(yīng)力為780.46 MPa，與球面半徑為155 mm時(shí)的最大等效應(yīng)力591.41 MPa相比，增加了189 MPa，無法滿足零件材料的強(qiáng)度要。同時(shí)，接觸摩擦應(yīng)力最大為176.62 MPa，與球面半徑為155 mm時(shí)的接觸摩擦應(yīng)力226.92 MPa相比較，減少了約50 MPa。

圖10 接觸應(yīng)力分析云圖Fig.10Analysis chart of contact stress

圖11 接觸摩擦應(yīng)力分析云圖Fig.11Analysis chart of contact friction stress

4 結(jié)束語

中冶東方工程技術(shù)有限公司研發(fā)的短應(yīng)力線軋機(jī)，已經(jīng)在長(zhǎng)治鋼廠等棒線材生產(chǎn)線投產(chǎn)使用。在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了球面墊與調(diào)整螺母磨損的問題。利用ANSYS Workbench軟件建立球面墊與調(diào)整螺母的參數(shù)化三維模型，分別定義材料屬性，合理的劃分網(wǎng)格，按照實(shí)際的工況施加載荷，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS Workbench軟件中接觸分析功能，求出零件的受力最大部位，對(duì)其結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐證明，優(yōu)化改進(jìn)后，零件的使用壽命明顯延長(zhǎng)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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Finite element analysis on spherical pad and adjusting nuts contact of short-stress line mill

WU Xin-peng
(BERIS Engineering and Research Corporation，Qingdao 266555，China)

This article introduces that spherical pad and adjusting nuts in short-stress mill are easily worn out in their contact position.Theory and force condition of spherical pad and adjusting nuts contact are analyzed.An optimization method，by improving lubrication condition and increasing contact surface radius between spherical pad and adjusting nuts，is implemented.In this way，the max equivalent stress and friction stress of contact surface are decreased，its service life is prolonged.

short-stress line mill;spherical pad;adjusting nut;contact

TG333

A

1001-196X(2014)06-0061-04

2014-05-23;

2014-07-28

武心朋(1982-)，男，工程師，主要從事冶金設(shè)備研究設(shè)計(jì)工作。