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基于有限元的轧机机架的机械性能分析_图文

发布时间:

第34卷第1期
V01.34 No.1

饭 尼技 £
FORGING&STAMPlNG TECHNOLOGY

2009年2月 Feb. 2009

基于有限元的轧机机架的机械性能分析

盛蕾。刘军营。高磊
(山东理工大学机械工程学院,山东淄博250049)

摘要:在对板簧轧机机架的结构形式进行深入分析的基础上,建立了轧机机架的三维模型。以ANSYSll.1有限元

软件作为分析工具,对两种不同形式的轧机机架进行三维模型的有限元模拟,计算了机架的应力和位移,得到了机

架的应力图与位移图,得出机架各单元和各节点的位移量及应力值。分析结果表明,有中间横梁机架的y向位移

明显小于无中间横梁的机架结构,且设备刚度提高了18.77%,为轧机机架的设计、改造、以及提高轧制精度提了

供理论依据和参考数据。

关键词:轧机机架;有限元分析;ANSYS;轧制精度

中图分类号:TG333;0242

文献标识码:A

文章编号:1000-3940(2∞9)01_0125_05

eI咖ent AnaIvsis of nK曲anicaI behavior of IIliU f}aIIle based on fiIlite

method

S皿巳NG I崩,LIU Jumying,GAo I七i

(Sch∞l of Machinery Engineering,Shandong UTliversity of Technology,Zi_bo 255049,Chim)

fr锄e Abstmct:Finite element analysis was adopted based on the research on

structure of the r011ing lTlilL Three_di—

mensiorlal nlodel of twr0 different bnds of structures of the mill franle、^陀re built and simulated on the basis of AN—

displac锄ent SYSll.1.The stress and

value of each element were obtained through fimte elenlent analySis.The result

shows t11at the y_disDlacement of the frarrle with intemediate be锄is嗣maller than that of the frame without intemedi—

ate beam,and the equivalent rigidity of mll rrlill is improved by 18.77%.And that also provides the theoretical basis

111il】fr锄e and reference data for the design and improv唧ent of the

and the rolljng precision

Key啪rds:rniU franle;finite element amlysis;ANSYS;r01ling precision

轧机机架是轧制设备重要的基础部件,轧辊轴
收稿日期:2008一07—28;修订日期:2008∞9—01 基金项目:山东省自然科学基金资助项目(Y2008F54) 作者简介:盛蕾(1982一),女,硕士研究生 电子信箱:slca6140@126.com

承座和轧辊调整装置以及其它装置都安装在机架上, 机架直接承受轧制力。工作时,轧制力通过轧辊轴 承、轴承座、压下螺丝及螺母传给机架,其强度和 变形直接影响设备的可靠性和产品的轧制精度,因 此机架必须有足够的强度和刚度,以保证其应力分


6 ∞∞ 5∞ 哇∞ 3∞

(1,I一\毯瓒稃簿瞒骣 l ∞∞
0∞

、\ ‘\ 重台点

打开时 ,一J 户,

J一,

J, ≯≮

./

‘\




\ 关闭时
、L






lO

15

ZU

轧制力/×103 kN

图7轧制力与辊缝打开及关闭速度关系

F喀7 RDll force_dependent traveling speed difference

for opening and closing

间分别为20.08和19.98 ms。液压压下系统要求反 应的速度较快,且不能有超调,本轧机HGC响应 时间要求在20~40 ms,如大于或小于该调节时间 则修改HGC的调节器参数中的Kr,Ki值改小或改 大,需要重新做试验。由此可以看出,此系统是稳

万方数据

定的且符合要求,在有辊系负载的条件下所做的阶 跃响应曲线符合轧制条件的要求。

4 结论

对济钢冷轧板厂的液压压下辊缝控制系统进行 了动态阶跃响应分析,对这套系统的动态特性有了 较深的了解,为现阶段的设备标定提供了良好的技 术支持。定期做HGC动态响应有利于提高设备控 制精度,有利于减少带钢同板差,提高产品质量, 为今后进一步研究和改进这套系统奠定了基础。

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锻 压 技术

第34卷

布均匀、变形尽可能小。 传统的设计方法以材料力学和光测弹性力学为
主,应用材料力学只能求出简单结构的某些局部应 力,光测弹性力学虽可求出整个机架的应力分布情 况,但其成本较高且精度较差;而应用有限单元法 则一方面可在调整机架结构参数和计算方案的情况 下求出整个机架的应力场和变形场,使轧机设计由 经验设计变成精确设计;另一方面可获得机架的准 确变形,并为轧机机架的设计和改造以及轧制精度 的提高提供理论依据和参考数据。

1 设备刚度对板簧成形精度的影响

设备刚度直接影响成形工件的尺寸精度。在轧 制时由于轧制力的作用,板簧轧制设备产生一定的 弹性变形。在某些轧钢机上,工作设备的弹性变形 量可达2~6 mm。这对于成品轧机,特别是宽度较 大而厚度较薄的板带轧机,设备的弹性变化对轧机 调整和轧件尺寸精度有很大的影响。轧机机架的变 形有一部分是由于机架的拉伸变形造成的。
由于设备主体的弹性变形与轧制力有关,如果 在轧制过程中轧制力有波动,则在原始辊缝保持恒 定的条件下,轧机主体的弹性变形及轧辊有载辊缝 也有相应的波动。这就使轧件沿长度方向的厚度发 生变化,产生了纵向厚度偏差。因此在现代板带轧 机上,设置了厚度自动控制装置,使轧机能在轧制 过程中调整辊缝,控制轧件纵向厚度偏差。
在轧制过程中,金属受轧辊作用而产生塑性变 形,轧机机架和轧辊受金属的反作用力则产生弹性 变形,使轧辊的辊缝发生变化从而影响轧件尺寸。 因此,为了控制成品轧件的精度,并为轧机调整和 工艺规程的安排创造有利条件,必须对机座弹性变 形在数值上加以确定和控制。

2 弹跳方程

弹跳方程是分析各种厚度控制系统的基本工具, 通过它不仅可以弄清各种因素对轧件厚度的影响, 还可以提出各种厚度控制方案。根据所测数据,可 以绘制出弹跳曲线,当轧制力P达到一定数值后, 设备弹性变形与轧制力就成直线关系口],此直线的 斜率tan口,一般称为设备刚度系数C,即:

c-tam一筹

(1)

式中:C为设备刚度系数(kN·mm-1);△P为弹

跳曲线直线部分的轧制力变化(kN);△,为弹跳曲

线直线部分的机座弹性变形的变化(mm)。

由于轧制力一般都比弹跳曲线上非直线段的最

大轧制力高,故设备体的弹跳曲线也可以用图1中 的直线段表示。此时,轧制后的轧件厚度^可*似

地用以下公式表示:

^≈s。+号

(2)

式中:s0为轧辊原始辊缝(mm);P为轧制力 (kN)。


毒P
R 磊 霹

图1设备弹性变形曲线

defo删tion Fig.1 E1astic

cur、,e of rnill

式(2)称为设备体的弹跳方程,反映了轧件厚 度与设备体弹性变形及辊缝之间的关系。从式(2) 可以看出,辊缝的设定值与实际值的差值就是工件 的制造误差,其中设备产生的误差是主要成分,并 且与轧制力成正比关系。

3 轧机机架的不同结构形式

板簧成形设备中的*轧成形主设备如图2所示, 两种机架都采用了四立柱型结构,具有结构简单、 紧凑、刚度高、加工和装配工艺性好的特点。其中

M Im-M

f‘

。l

翮f

|I幽

(a)

(b)

图2轧机机架的两种结构
(a)有中间横梁机架 (b)无中间横粱机架 Fig.2 Two di“erent kinds of fr锄e structur酷
(a)lⅥi11 fr锄e、^,ith inte肌ediate be锄 (b)IⅥill fr锄e、Ⅳithout intemediate be姐1

万方数据

第1期

盛蕾等:基于有限元的轧机机架的机械性能分析

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图2a为有中间横梁的*轧成形主设备,中间梁上有 4个通孑L,套在4根立柱上,可以沿立柱上下滑动, 液压缸活塞带动中间梁,中间横梁带动上轧辊做上 下移动;图2b为无中间横梁的*轧成形主设备,液 压缸活塞直接带动上轧辊上下移动。在相同的轧制 力下不同形式的主体设备会产生不同的设备变形, 从而影响轧制精度。
4 两种机架结构有限元模型建立
随着现代科学技术的发展,特别是计算机的普 遍应用,有限元法、优化设计、可靠性设计、计算 机辅助设计等现代设计方法,逐步应用到机架设计 中。有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计 算方法,能用于工程设计中复杂结构的静力学和动 力学分析,并能精确计算形状复杂零件的应力分布 和变形,成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析 工具。对大中型机架采用弹性力学有限元法进行强 度和刚度分析计算,可以准确地求出整个机架的应 力场和变形场,也可以反映出机架局部应力与应变, 找出机架的最薄弱部位,提高了计算的准确性,是 比较理想和精确的计算方法。 4.1三维模型的建立
图2为四立柱型轧机的机架结构示意图,为了 精确揭示机架的应力、变形情况,在建模时考虑到 机架几何形状与载荷的对称性,可取1/4机架进行 分析,这样不但可以减小计算规模和计算成本,而 且在施加几何约束时可以获得更好和更真实的效 果[1]。有限元模型采用四面体单元,对没有中间横 梁的主机体划分了45713个单元,9657个节点;对 有中间横梁的主机体划分了70858个单元,14466 个节点。如图3所示。

图3两种轧机机架结构有限元网格的划分

(a)有中间横粱机架 (b)无中间横梁机架

Fig.3

FEM m鹤}Iing of different l‘inds of frame structur鹊
(a)lⅥjll fr枷e、而th intemediate bealn
b锄 (b)Mill frame、^ithout inte肌ediate

万方数据

4.2机架载荷和约束处理 4.2.1载荷处理
机架在工作过程中,其受力情况较为复杂,有 多种力同时作用在机架上:机架上下横梁上所受的 轧制力;坯料咬人时由加速引起的作用在机架立柱 上的水*惯性力;各种水*力所形成的倾翻力矩 (包括不正常传动时所引起的倾翻力矩)在机架下支 撑面上引起的反力等。在所述各种力中,轧制力最 大,对机架强度及刚度的影响也最大,其他各力的 方向与轧制力的方向不同,而且其数量级远远小于 轧制力,因此在计算过程中可以忽略其影响。轧制 力由工艺设计要求提出,作用在机架上的轧制力可 以简化为垂直于上下梁的*面载荷作用力L2],其受 力情况如图4所示。

图4用式结构机架 Fig.4 General、,iew of closed frame
4.2.2约束情况 按机架的虚拟装配情况及轧制过程中的受力情
况分析,对机架模型采取以下几个方面的约束:(1) 由于只选取1/4的机架作为模型进行有限元分析, 在机架的截面位置上,未选取的1/4机架对模型有 着对称的位移约束;(2)机架地脚螺栓处为刚性约 束,在此处设置z,y,z方向的刚性约束。 4.3机架应力分析
四立柱式轧机机架材料为优质碳素结构钢,载 荷980 kN(辊缝方向),弹性模量2.1×1011 Pa,泊 松比O.32,屈服极限应力2.482×108 Pa。机架各 部分均处于三向应力状态,采用最大拉应力们作为 计算应力。根据强度理论,其三维等效应力为:

ars.^/亟型逆丛生≯生丝-[旦逆(3)





式中:们,cr2,∞为该点的3个主应力。 有限元模型建立后,根据实际载荷状况进行有
限元计算,得出了机架的具体应力与变形值。图5

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锻压技术

为无中间横梁机架在轧制力作用下的等效应力图和第 一主应力图;图6为其局部应力视图;图7为有中间 横梁机架在轧制力作用下的等效应力图和第一主应力 图;图8为其局部应力视图。

第34卷

图5无中间横梁机架Von Mis酷应力图(a)和

Fig.5

第一主应力图(b)

Von Mises streSs(a)and first p—ncipal stress(b)of

f衄e、^,ithout the

intermediate beam

图6无中间横梁机架Vron Mises应力最大处(a)和 第一主应力最大处(b)
Fig.6 von Mises stress(a)肌d first prindpal stress(b)of fr锄e、Ⅳithout intemediate be锄

图8有中间横梁机架Von Mises应力最大处(a)和 第一主应力最大处(b)
R昏8 v(mh伍s鹤str螂(a)al】dfirst脚pal stre鹤(b)of
frame with intennediate be锄
从1/4机架等效应力图及第一主应力口,分布图 的情况看,可得出以下规律:
(1)在轧制力作用下,两种不同结构的轧机机 架总体应力趋势都是外侧应力小于中间应力;
(2)两种不同结构轧机机架的第一主应力基本 上都是拉应力,即们>o;
(3)从图5~8中可以看出,两种不同结构轧机 机架的最大Von Mises应力和最大第一主应力均出 现立柱与上横梁或下横梁的连接部分;
(4)有中间横梁轧机机架的最大当量应力值为 136 MPa,远小于轧机机架材料的屈服极限应力 248.2 MPa,所以结构满足强度要求。 4.4机架的位移分析
机架主要受到来自向上和向下的轧制力,使得 机架产生纵向变形,从而影响辊缝的大小,造成制 造精度误差。图9即为机架在轧制力作用下沿y方 向承载面上点的位移。

图7有中间横粱机架VonMises应力图(a)和

h伍s髂str器s(a)andfir吼脚pal F毽7 Ma菇姗瑚Von

第一主应力图(b)

stre鼹(b)of

fr棚e、耐thout illtermediate be锄

万方数据

图9两种轧机机架结构y方向位移偏移量 (a)无中间横梁机架 (b)有中间横梁机架 Fig.9 Maximl啪Von Mises stre豁(a)眦d缸吕t p血cipal stress(b)of fr枷e、^rith intemediate be咖
取两种机架结构各横梁上特殊点(最大位移处)

第1期

盛蕾等:基于有限元的轧机机架的机械性能分析

的位移值,计算得到各横梁*均最大位移值如表1~ 5所示。

表1无中间横梁机架上承载面上的特殊点沿

l,方向位移值(10-3 m)

Table 1 Certain nod罄’y-dispIa嘲啪t of upperloaded

b咖(10_3 fa∞of mm ho吣ing with伽t intel加ediate

m)

节点号 29

31

32

33

34

35

30 *均值

位移值o.24803 o.25366 Q 25988 Q26513 0.2697l Q27363 O.27692 o.26385

表2无中间横梁机架下承载面上的特殊点沿y方向 位移值(10-4 ml
Table 2 Certain nod嚣’l乙dispJao凹舱nt of lower l册【ded face of mⅢho吣iI喀without inte瑚1ediate b翰m(10_4 m)

节点号 5614

5619

5620

5621

5622

5618

*均值

位移值一o.97604一o.94999一o.94172一o.93374一o.93374一n 93591一o.78957

表3有中间横梁机架上承载面上的特殊点沿l,方向 位移值(10q m)
ThMe 3 Certain I埘i鹪’弘djspla阳n髓t of upper loaded face of mm ho峪ing with inte咖ediate b翰m(10q m)

节点号

33

36

35

34

30

*均值

位移值o.14161 o.14600 o.15216 o.15907 o.16613 o.152994

表4有中间横梁机架中间横梁承载面上的特殊点沿

y方向位移值(10“m)

r吣’卜displ嘣粕ent TabIe 4 C盯tain

of lIIiddIe I∞ded face

of llliH ho璐jllg with illte珊ediate be咖(10一4 m)

表5有中间横梁机架下承载面上的特殊点沿 y方向位移值(10-4 m)
T铀le 5 Q譬’taill nod姻’y-displac瞰衄t of lowrer loaded face of mill ho邺in2 with ill蛔mlediate be眦l(101 m)

节点号

3481

3485

3486

3487

3484*均值

位移植一o.62804一o.59375—0.57917一o.57161一o.56876一o.58827

对于无中间横梁机架,液压缸直接固定于上横 梁,并带动上轧辊运动,取其上横梁与下横梁特殊 点y向位移的*均值之和,即可得到无中间横梁机 架y向整体变形,也是对辊缝所产生的最大影响; 对于有中间横梁机架,由表3和表4可知,中间横 梁的变形远大于上横梁的变形,由于中间横梁带动 上轧辊,即其对于辊缝的影响更大,故取中间横梁

与下横梁特殊点y向位移的*均值相加,即可得到 有中间横梁机架y向整体变形。因此,无中间横梁 轧机在y方向上,机架受轧制力时的变形对轧件尺 寸的影响为:
△】一O.26385+0.078957一O.34281 mm 则机架的刚度系数为: K】一P/4△】一980/(4×O.34281)一714.6816 k洲·mHf_1
有中间横梁轧机在y方向上,机架受轧制力时 的变形对轧件尺寸的影响为:
△2=O.226752+0.0588266—0.285579 mm 则机架的刚度系数为:
K2一P/盐一9酬(4×0.2885579)一鼢0497斟·耐
由此可见,带有中间横梁机构的机架对轧件尺 寸的影响要小于没有中间横梁的机架结构,且刚度 系数有很大提高。
5 结论
运用ANSYS软件对两种结构形式的板簧轧机机 架进行了有限元数值分析,根据得到的Von Mses应 力图和第一主应力图可知:在相同的轧制力作用下, 有中间横梁机架的上横梁与立柱连接处的应力集中明 显小于无中间横梁的机架结构;由分析得到的横梁上 特殊点的位移值可知:有中间横梁机架的y向位移明 显小于无中间横梁的机架结构,且设备刚度由 714.8616 kN·mm一1提高到了849.0497 kN·mm~。 轧件的尺寸精度可得到明显提高。
根据以上分析而采用的带有中间横梁的四立柱 式轧机已经应用于实际生产中。经过生产实际运行, 并对轧制的成品板簧厚度进行测量,其厚度满足制 造精度的要求,该产品已经批量制造并投放生产。

参考文献:

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