楊 丹

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北武漢430081)

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地下卷取機(jī)入口槽型板有限元分析①

楊 丹②

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北武漢430081)

建立了地下卷取機(jī)入口槽型板的有限元模型，并根據(jù)實(shí)際工況施加約束和載荷，對(duì)槽型板進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果表明：槽型板板體與油缸支臂的連接處是應(yīng)力的最大部位，且為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，是槽型板的危險(xiǎn)部位。如果槽型板長(zhǎng)期處于最大卷取規(guī)格的載荷條件下，此處就會(huì)發(fā)生疲勞損傷。最后對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出了一定的建議。

地下卷取機(jī) 槽型板 有限元 疲勞損傷

1 前言

地下卷取機(jī)是熱軋線的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，槽型板作為地下卷取機(jī)帶鋼卷入時(shí)的導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，將帶鋼導(dǎo)向卷筒，然后通過助卷輥將帶鋼進(jìn)行卷取[1]，其強(qiáng)度和變形將影響到整個(gè)設(shè)備的可靠性及正常運(yùn)行。槽型板長(zhǎng)期在高溫下承受帶鋼沖擊載荷的作用，實(shí)際工況十分惡劣，現(xiàn)在由于大規(guī)格、高附加值、高強(qiáng)度寬厚板生產(chǎn)需求的增多，時(shí)常發(fā)生損壞現(xiàn)象。為掌握槽型板的承載能力，建立槽型板的三維有限元模型，并根據(jù)實(shí)際工況加入約束和載荷，對(duì)槽型板進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，找出槽型板應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，評(píng)估其安全性，并提出改進(jìn)措施。

2 槽型板受力分析

通過對(duì)鋼帶卷取工藝的分析，如圖1所示，帶鋼對(duì)槽型板的沖擊力分為兩個(gè)部分，第一部分為從夾送輥到槽型板這段距離的帶鋼所具有的動(dòng)量對(duì)槽型板的沖擊，第二部分為鋼板在沖擊到槽型板之時(shí)，夾送輥對(duì)帶鋼的夾送力通過帶鋼傳遞給槽型板的，這個(gè)沖擊力由上下夾送輥的扭矩所確定。

對(duì)第一部分的沖擊力進(jìn)行分析，根據(jù)沖量定理：

F·t=m(va-v0)

(1)

式中F—槽型板對(duì)帶鋼的作用力；t—帶鋼對(duì)槽型板的沖擊時(shí)間；m—從夾送輥到槽型板沖擊部位這段帶鋼的質(zhì)量；

va—帶鋼沖擊到槽型板之前的速度；

v0—帶鋼沖擊到槽型板之后的速度。

物體在某一方向上動(dòng)量的改變量等于它在這一方向所受到的沖量，將帶鋼對(duì)槽型板的沖擊力分為兩個(gè)方向，一個(gè)為垂直于槽型板方向，一個(gè)為平行于槽型板方向，如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際尺寸建立的CAD圖形中量得帶鋼從夾送輥到槽型板沖擊部位的長(zhǎng)度為2405mm，以最大卷取強(qiáng)度的HG785D材質(zhì)的帶鋼計(jì)算它的沖擊載荷。鋼帶的密度為ρs=7.85g/cm3，厚度為h=16mm，寬度為b=1820mm。那么這段距離的帶鋼的質(zhì)量就為：m=ρs×h×b×l=550kg,帶鋼在進(jìn)入夾送輥時(shí)的速度為：v=2.45m/s,通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱[2-3]，硬質(zhì)非金屬材質(zhì)低速?zèng)_擊下的時(shí)間一般為0.02～0.03s左右，由于帶鋼的卷取溫度為550℃，具有一定的柔軟性，并且?guī)т摰倪\(yùn)行速度也不算太快，因此取沖擊時(shí)間為t=0.005～0.01s。

可求得第一部分槽型板對(duì)帶鋼垂直方向的作用力Fv1=46087N；第一部分槽型板對(duì)帶鋼水平方向的作用力Fρ1=5623N。

對(duì)第二部分的沖擊力進(jìn)行分析，在鋼板沖擊到槽型板之時(shí)，夾送輥對(duì)鋼帶起到的是夾送的作用，會(huì)產(chǎn)生夾送力，而夾送力會(huì)通過鋼帶傳遞到槽型板上。夾送力可根據(jù)實(shí)際測(cè)得的上夾送輥的扭矩信號(hào)求得。

圖2 卷取高強(qiáng)度厚鋼卷時(shí)上夾送輥的扭矩記錄曲線

由圖2所示，夾送輥在反向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)帶鋼進(jìn)行夾送卷取時(shí)的扭矩為20kN·m左右，以這個(gè)扭矩計(jì)算其夾送力，得到這兩部分沖擊力之和為：Fv=5368N，F(xiàn)P=2650N。

3 模型的建立

根據(jù)某廠提供的槽型板的三視圖，按照原尺寸利用PROE建立出它的三維模型。整個(gè)槽型板都是采用的S235JRG2普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材料，對(duì)應(yīng)于國(guó)內(nèi)的Q235B，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到375-500MPa，屈服強(qiáng)度在345MPa。彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。

槽型板在兩個(gè)地方受到約束，一個(gè)是前端軸承位置，一個(gè)是連接油缸頂桿的位置，這兩個(gè)地方如圖4所示，在這兩個(gè)位置分別建立局部坐標(biāo)系，約束它們的徑向位移，允許軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。然后在鋼板對(duì)槽型板可能的沖擊位置施加載荷，根據(jù)前面計(jì)算的載荷，采用均布的方式施加到有限元模型中的節(jié)點(diǎn)上去，得到施加約束和載荷后的有限元模型如圖3、4所示。

圖3 槽型板施加約束和載荷后的有限元模型背面

圖4 施加約束和載荷后的有限元模型側(cè)面

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)施加約束和載荷后的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算后，得到如圖5、6所示的等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值為187.913MPa，出現(xiàn)在槽型板板體與油缸支臂的連接處，此處也與槽型板實(shí)際經(jīng)常出現(xiàn)損傷的位置相符合。從圖中可以看出其它位置的應(yīng)力都很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，因此，可著重對(duì)板體與油缸支臂的連接處進(jìn)行局部分析。

圖5 等效應(yīng)力分布圖側(cè)面

圖6 等效應(yīng)力分布圖背面

圖7 最大等效應(yīng)力處局部放大圖

圖8 第一方向主應(yīng)力局部放大圖

圖9 第二方向主應(yīng)力局部放大圖

圖7顯示了最大應(yīng)力處的局部放大圖，要根據(jù)此處的三向主應(yīng)力來確定其校核強(qiáng)度(相當(dāng)x,y,z方向)。由圖8～10可看出，此處位置受三向壓應(yīng)力，根據(jù)強(qiáng)度理論，在三向受壓應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)按其等效應(yīng)力來校核強(qiáng)度。因此，按等效應(yīng)力187.913MPa校核強(qiáng)度。

圖10 第三方向主應(yīng)力局部放大圖

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

槽型板在每個(gè)帶鋼進(jìn)入夾送輥后導(dǎo)入到卷取機(jī)的時(shí)候受到一次沖擊，因此它的受力實(shí)際上是一種脈動(dòng)疲勞問題，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核[4]。

(2)

(3)

因此，考慮尺寸因數(shù)影響的疲勞極限為：

(4)

由前述對(duì)應(yīng)力狀態(tài)分析知，在轉(zhuǎn)角處按等效應(yīng)力187.913MPa校核強(qiáng)度，大于175.5MPa。如果槽型板長(zhǎng)期處于最大卷取規(guī)格的載荷條件下，就會(huì)發(fā)生疲勞損傷。

5 結(jié)論與建議

1)槽型板最大應(yīng)力出現(xiàn)在槽型板板體與油缸支臂的連接處，最大主應(yīng)力為187.913MPa，此處屬于形狀突變的區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且受三向壓應(yīng)力，應(yīng)按等效應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2)根據(jù)強(qiáng)度校核可知，在轉(zhuǎn)角處的等效應(yīng)力大于疲勞強(qiáng)度，槽型板如果長(zhǎng)期工作在此強(qiáng)度下，會(huì)發(fā)生疲勞損傷。

3)建議改進(jìn)槽型板支臂結(jié)構(gòu)，以降低其應(yīng)力集中部位的應(yīng)力；也可考慮采用壓力容器板等較高強(qiáng)度的材料來制作槽型板，以增強(qiáng)其疲勞強(qiáng)敵，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械(第三版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[2]張海,張以都.沖擊破碎機(jī)沖擊時(shí)間的因次分析及數(shù)值仿真研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2006,Vol.17(6):563-566.

[3]陳洪凱,唐紅梅.泥石流兩相沖擊力及沖擊時(shí)間計(jì)算方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,Vol.19(3):19-23.

[4]趙少汴,王忠保編著.抗疲勞設(shè)計(jì)-方法與數(shù)據(jù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[5]徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

·業(yè)界動(dòng)態(tài)·

西門子熱能回收系統(tǒng)利用電弧爐廢氣產(chǎn)生蒸汽

西門子冶金技術(shù)部開發(fā)了一種能夠從電弧爐的高溫廢氣中回收熱能的系統(tǒng)。系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要回收的熱能數(shù)量確定規(guī)格，并可以集成到現(xiàn)有的廢氣冷卻系統(tǒng)中。為了最大限度增加蒸汽產(chǎn)生量，可以用該系統(tǒng)完全取代電爐煉鋼廠的普通廢氣冷卻系統(tǒng)。

廢氣的溫度往往高達(dá)1,800°C。為了讓這部分?jǐn)?shù)量可觀的熱能得到利用，西門子開發(fā)了一種蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，能夠集成到現(xiàn)有的電弧爐廢氣冷卻系統(tǒng)中，或者可以將其完全取代。該系統(tǒng)的組成包括一臺(tái)鍋爐(含汽包)、管路、水箱、鍋爐給水泵組以及配套的傳感器。一組給水泵向鍋爐供水，并且保證必要的壓力。

Finite Element Analysis for the Entry Chute Table of Down-Coiler

Yang Dan Xiao Han Wang Tao Zhao Sanxing

(College of Mechanical Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081)

The paper established the finite element model of the entry chute table of down-coiler, which is simulated analysis the stress by FEM method after applying the load and bondage in constraint according the actual working conditions. The results show that the junction of the entry chute table body and cylinder arm is the most dangerous position of the entry chute table where there is the maximum stress areas and in three-dimensional compressive stress state. If entry chute table always work under maximum load conditions, fatigue damage occurs. Finally, some subject is put forward on the improvement of the structure.

Down-coiler Entry chute table Finite element Fatigue damage

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105284)；武漢科技大學(xué)?；鹳Y助項(xiàng)目(2012XZ005)

楊丹，男，1982年出生，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，博士，講師 肖 涵 王 濤 趙三星

TG333.24

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.008

2013-10-27)