短应力线轧机轧辊的有限元计算及分析窦剑琳1,贾惠玲2(1.中冶东方工程技术有限公司,内蒙古 包头 014010;2 内蒙古科技大学,内蒙古 包头 014010)摘 要:短应力线轧机是一种高刚度无牌坊轧机,轧辊是该轧机的主要承载件,其结构参数是否合理直接影响着轧机的性能,进而影响产品的精度,文章参照实际轧制规程,用有限元理论结合使用ANS YS有限元分析软件计算出轧辊在最大轧制压力下产生的应力及变形,最终验证了其承载能力及弹性变形均在允许的范围以内。
关键词:短应力线轧机;刚度;有限元;应力中图分类号:TG333 17 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2008)03-0039-03Finite Element Analysis of the Roll of the Short Stress Path Rolling MillDOU Jian-lin1,JIA Hui-ling2(1.Beris Engineering and Research Corp.,Baotou014010,Nei Monggol,China;2.Inner Mongolia University o f Science and Technology,Baotou014010,Nei Monggol,China)Abstract:The short stress path rolling mill is a kind of high rigidity no stand mill.The roller is the i mportant loading compo nent.Based on the fi nite elemen t theory,the stress distributes of the roller under the biggest draught pressure are calculated with the finite element analysis software.T he loading ability and the elastic deformation are in the allowable range.Key words:short stress path rolling mill;rigidi ty;finite element theory;s tress近年来,许多国家的轧机设计及生产厂家均推出了各种类型的短应力线轧机,虽然在外形及内部结构略有不同,但其功能和原理基本是相同的。
1997年中冶东方工程技术有限公司承担了长治钢厂小型全连续棒材生产线的设计任务,该生产线汲取我国现有的各棒线材生产线之长,并根据厂方的实际情况和具体要求设计而成,达到了20世纪90年代国际先进水平。
轧辊及轴承座是轧机的主要承载件,在轧制力作用下,轧辊和轴承座均会产生弹性变形,它们的受力及变形情况直接影响着轧机的性能及产品的质量,对它们的强度及弹性变形进行计算和分析是十分必要的。
1 小型棒材车间基本工艺参数(1)产品及年产量:轧机年生产 16~ 40mm 的圆钢及带肋钢筋60万t,生产钢种为普碳钢和低合金钢。
(2)原料:车间生产所用原料为150mm 150mm 12000mm连铸坯,连铸坯单重为2049kg。
(3)轧制速度:轧机最大轧制速度18m/s。
(4)精轧机力能参数见表1。
第34卷第3期2008年6月包 钢 科 技Science&Technology of Baotou Steel(Group)CorporationVol.34,No.3June,2008收稿日期:2008-04-22作者简介:窦剑琳(1966-),女,河北省献县人,高级工程师,从事冶金设备设计工作。
表1 精轧机力能参数轧机规格/mm 机架号轧辊直径/mm最大最小辊身长度/mm 轧辊调整量/mm 径向轴向机架横移行程/mm 传动速比最大轧制压力/kN 最大轧制力矩/(kN m)配用电机电压/V 功率/kW 转速/(r min -1) 320 320 320 320 320 32011H 350 29060070!3!250 2.742019660850800/150012V 350 29060070!3!250 2.228013660850800/150013H 350 29060070!3!250 1.932015660850800/150014H/V 350 29060070!3!250 1.6220126601000800/150015H 350 29060070!3!250 1.3420156601000800/150016H/V35029060070!3!2501 0290126601000800/15002 轧辊的弹性变形计算轧辊是对轧件进行轧制加工的工具,工作机座的其他组件和机构都是为装置和调整轧辊以及引导轧件正确地进出轧辊而设计的。
轧辊的结构由辊身(轧辊的工作部分)、辊径(安装轴承部分)及传动辊头等三部分组成,一般中小型型钢轧机的轧辊的传动辊头为十字梅花形。
轧辊是轧钢车间主要的、经常耗用的工具,其质量好坏直接影响钢材的质量及产量。
因此对轧辊的性能,即强度、耐磨性和一定的耐热性的要求是很严格的。
而对轧辊性能的要求因轧机类型和所轧钢材种类的不同也有很大差别,如果不了解这些差别,也就不能选择适用的轧辊。
轧辊工作表面的硬度是轧辊主要质量指标之一,因为硬度对轧辊使用寿命起决定作用。
故轧机的轧辊可以按照其表面硬度及其材质分为4种类型,即:软面轧辊(HB150~250),半硬面轧辊(HB250~400),硬面轧辊(HB400~600),特硬面轧辊(HB600~800)[1]。
一般的来说,小型型钢轧机采用半硬面或硬面轧辊,该轧机轧辊材料为镍钼球墨铸铁,弹性模量E =1 54 103N/mm 2,泊松比为 =0.3,强度极限 b =600MPa,单侧轴承座承受最大轧制力为420kN 。
该轧机为圆棒材型钢轧机,轧辊辊身配置有孔型,其配置原则如下。
2.1 孔型沿辊身长度方向配置应遵循的原则[2](1)尽量使轧件在各机架中的轧制时间均衡。
从均衡出发,应当在第一个机架的轧辊上多配置一些孔型,在后面的机架上配置的孔型数应递减。
(2)成品孔型与成品前孔型应单独配置,即不配置在同一架的同一轧制线上或在同一个机架的轧辊上,这样以利于调整轧辊孔型。
(3)备用孔型数应以成品孔型为最多,成品前孔型次之,再前孔型数更次之,以保证成品的表面质量,同时可减少换辊次数。
2.1.2 孔型的间距即辊环宽度的确定(见图1)确定辊环宽度,同时应考虑辊环的强度以及安装和调整轧辊附件的操作条件。
图1 孔型的间距∀辊环宽度的确定(1)辊环强度:它取决于轧辊的材质和轧槽的深度。
钢轧辊的辊环宽度b Z #0.5h k 或B Z #0.5h k ,铸铁辊的辊环宽度b Z #h k 或B Z #h k 。
(2)考虑轧辊附件的安装与调整方便,它取决于导板的厚度或导板箱的尺寸以及调整螺丝的长度和操作所需的位置大小。
在确定辊环宽度时应同时考虑上述问题。
边辊环的宽度,如表2所示。
表2 各种型钢轧机边辊环的宽度mm轧机初轧机轨梁与大型三辊开坯中小型边辊环宽度b b#50~100#100~150#60~150#50~10040包钢科技 第34卷根据以上原则及实际轧制规程中孔型尺寸在短应力线高刚度轧机轧辊辊身上均匀配置5个孔型,为方便区分,按从左到右的顺序,分别将其称为∃%&∋(号孔型,边辊环宽度为100mm,结构如图2所示。
最左端的轴颈上装有联轴器,最右端的轴颈上装有止推轴承,靠近辊身两端的轴颈上分别装有四列短圆柱滚子轴承。
由于圆柱滚子轴承的支承作用,计算轧辊受轧制力所引起的弯曲应力和变形时,最左端和最右端的辊颈对结果几乎没有影响。
具体到ANSYS 里,为避免网格划分时因单元数目太多增加计算时间,在建立分析模型时,对轧辊进行了简化,省去了最左端和最右端的辊颈,这样简化后的轧辊结构关于XOY面对称。
图2 轧辊模型3 中间孔型轧制时轧辊的弹性分析因轧辊为左右对称结构,当轧制力加在轧辊中间孔上时,其所受载荷也关于XOY 平面对称,故可取1/2模型进行计算。
由于对称面的转角为0),可将中截面视为固定端,在该面上施加全约束,这时需等效地将1/2轧制力施加于辊颈中部,且方向与轧制力相反。
带有倒角和孔型等结构的轧辊几何形状不规则,故选用10结点四面体单元Solid92对其进行网格划分,该单元具有中节点,比较适合边缘形状复杂的模型。
采用自由网格划分方式,共划分为53050个单元,84342个结点[3]。
有限元模型如图3所示。
图3 轧辊有限元模型经过数值求解后,得到轧辊的Von-Mises 应力分布如图4所示。
由图可知在轧辊的孔型处以及轧辊与辊径的过渡区应力较高,且最大应力位于中截面的最高点(即轧制力作用点),其值为241.3MPa,远小于轧辊材料的强度极限600MPa,所以轧辊满足强度要求。
图4 轧辊的Von-Mises 应力分布轧辊受轧制力作用后,其Y 方向的变形如图5所示。
有限元模型将中截面视为固定端,而实际上中截面有Y 向位移,且该截面处Y 向位移最大,由图示可知其值为0.679mm,最大位移值很小,可见所设计轧辊满足刚度要求。
图5 轧辊Y 向变形图4 结束语本文分析了短应力线轧机的主要承载件∀轧辊的受力情况。
首先建立了不同工况下轧辊的有限元模型。
计算了孔型轧制时轧辊上的最大应力和变形,经分析可知所设计轧辊满足强度和刚度要求。
参 考 文 献[1] 邹家祥.轧钢机现代设计理论[M] 北京:冶金工业出版社,1991:[2] 钟廷珍.短应力线轧机的理论与实践[M ] 北京:冶金工业出版社,1998[3] 傅永华.有限元分析基础[M] 武汉:武汉大学出版社,200341第3期 短应力线轧机轧辊的有限元计算及分析。