龐沙沙 ，成海寶，王紅斌，展京樂，趙鐵勇，李學(xué)通，杜鳳山，倪偉明

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

0 前言

LG730 大型兩輥環(huán)孔型冷軋管機(jī)是目前世界上最大規(guī)格伺服控制型兩輥冷軋管機(jī)，機(jī)架保證軸承座及軋輥等部件正常運作，所以它是軋管機(jī)設(shè)備最重要的基礎(chǔ)性零部件［1－3］。機(jī)架足夠的剛度和強(qiáng)度是保證軋管機(jī)可靠性及使用壽命的最重要因素［4］。

在零件剖面的幾何形狀突然變化處，局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力的現(xiàn)象叫做應(yīng)力集中［5］。軋管機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置即為其危險位置，如何優(yōu)化機(jī)架危險位置結(jié)構(gòu)，對于改善機(jī)架應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高機(jī)架強(qiáng)度至關(guān)重要。一般情況下通過采用大的圓角設(shè)計及特殊曲線形狀均可以緩解應(yīng)力集中［6］。然而實際設(shè)計中還要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)及受載情況確定最利于改善應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 優(yōu)化方案分析

為了提高機(jī)架的強(qiáng)度，對現(xiàn)有LG730 冷軋管機(jī)機(jī)架危險位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對比優(yōu)化前后機(jī)架應(yīng)力分布狀況，探究能夠改善機(jī)架強(qiáng)度的優(yōu)化方案。各方案的結(jié)構(gòu)見圖1。其中(a)為初始設(shè)計，采用了R15 的圓角連接;(b)為方案一，采用大的凹槽，凹槽朝向機(jī)架左右兩側(cè);(c)為方案二，采用類似方案一的大凹槽，凹槽朝向機(jī)架底部;(d)為方案三，在方案二的基礎(chǔ)上將凹槽向下的深度加大，而不改變凹槽的朝向;(e)為方案四，與初始方案的差別在于上下兩面的距離增大了12 mm，過渡圓角設(shè)計是R15。經(jīng)有限元分析初始設(shè)計方案中危險位置處的最大等效應(yīng)力值為138 MPa，最大主應(yīng)力為175.8 MPa［4］。

圖1 各方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of each case

2 危險位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一

圖2為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一的機(jī)架危險位置等效應(yīng)力分布，從中能夠看到機(jī)架在結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，最大等效應(yīng)力是244.2 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 增大到192.9 MPa，應(yīng)力增大39.8%。

圖2 優(yōu)化方案一中危險位置等效應(yīng)力分布Fig.2 Key location equivalent stress distribution of case 1

方案一機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖3，其中最大主應(yīng)力發(fā)生在機(jī)架危險位置處，其值為219.7 MPa，最小主應(yīng)力為－198.4 MPa。危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計增大25.0%?？梢姺桨敢徊荒芨纳茩C(jī)架危險位置應(yīng)力分布。

圖3 優(yōu)化方案一中的機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.3 Frame max./min.principal stress distribution of case 2

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二

圖4 所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二中機(jī)架等效應(yīng)力分布情況，從圖中能夠看到機(jī)架最大等效應(yīng)力為218.7 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 減小到132.4 MPa，降低了約4%。

圖4 優(yōu)化方案二中的等效應(yīng)力分布圖Fig.4 Frame equivalent stress distribution of case 2

方案二機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖5，其中最大主應(yīng)力是165.8 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為147.3 MPa，最小主應(yīng)力為－137.7 MPa。危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計降低了16.2%?？梢姺桨付蟠蠼档土藱C(jī)架危險位置處的應(yīng)力值，對改善機(jī)架危險位置處的應(yīng)力分布是有效的。

圖5 優(yōu)化方案二中機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.5 Frame max./min.principal stress of program 2

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案三

圖6 是危險位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案三中的機(jī)架等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出機(jī)架最大等效應(yīng)力為263.1 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 減小到124.2 MPa，降低了約10%。

圖6 優(yōu)化方案三中的機(jī)架等效應(yīng)力分布Fig.6 Frame equivalent stress distribution of case 3

方案三機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖7，從圖中可以看出，機(jī)架最大主應(yīng)力為174.6 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為137.8 MPa，最小主應(yīng)力為－213.6 MPa。其中危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計值降低了21.6%。由此可見方案三也能夠很好地改善機(jī)架危險位置處的應(yīng)力分布。

圖7 改進(jìn)方案三中的機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.7 Frame max./min.principal stress distribution of program 3

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案四

危險位置優(yōu)化方案四中機(jī)架等效應(yīng)力分布情況見圖8，從圖中可以看出機(jī)架最大等效應(yīng)力為145.9 MPa;而危險位置等效應(yīng)力為113 MPa，與初始設(shè)計相比降低了18.1%。

圖9 所示為方案四機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出機(jī)架最大主應(yīng)力為144.4 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為126.1 MPa，最小主應(yīng)力為－108.8 MPa。其中危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計方案降低了28.3%?？梢姺桨杆暮芎玫貎?yōu)化了機(jī)架危險位置處的設(shè)計。

圖8 優(yōu)化方案四中的機(jī)架等效應(yīng)力分布Fig.8 Frame equivalent stress distribution of case 4

圖9 改進(jìn)四中的機(jī)架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.9 Frame max./min.principal stress distribution of case 4

6 分析結(jié)果

針對機(jī)架危險位置的應(yīng)力分布，對危險位置處的圓角結(jié)構(gòu)提出了四種改進(jìn)方案，經(jīng)分析除方案一外，其他方案均能有效改善危險位置處的應(yīng)力分布狀況?，F(xiàn)將各個方案的分析結(jié)果整理成表1。機(jī)架的危險位置位于牌坊與上橫梁的接觸圓角處，其示意圖見圖10。

表1 機(jī)架危險位置結(jié)構(gòu)各設(shè)計方案應(yīng)力對比Tab.1 stress contract of dangerous location

從表1 可以看出，優(yōu)化方案一加劇了機(jī)架危險位置處的應(yīng)力集中，而另外三個方案都能夠很好地改善機(jī)架危險位置處的應(yīng)力分布狀況，所以在危險位置處較之采用現(xiàn)有的圓角設(shè)計，朝向機(jī)架下方的一定深度的凹槽能夠有效改善該位置處的應(yīng)力狀況。

圖10 機(jī)架危險位置示意圖Fig.10 Key location schematic diagram of the rolling-mill housing

7 結(jié)論

(1)機(jī)架危險位置是影響其強(qiáng)度的關(guān)鍵位置，采用簡單的圓角設(shè)計對于該位置處的應(yīng)力分布并不是最好的，對機(jī)架危險位置結(jié)構(gòu)采用一定深度的凹槽設(shè)計，其應(yīng)力分布結(jié)果均優(yōu)于圓角設(shè)計;

(2)方案一為在朝向機(jī)架兩側(cè)開凹槽，分析表明該結(jié)構(gòu)不能改善機(jī)架應(yīng)力分布狀況;

(3)方案二和方案三均是在朝向機(jī)架底部開凹槽，方案三的深度大于方案二，可見一定深度范圍內(nèi)向下的凹槽越深越利于提高機(jī)架強(qiáng)度;

(4)方案四采用與初始設(shè)計相同的圓角過渡，只是牌坊與上橫梁底部的間隙擴(kuò)大，該方案使危險位置處的等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別降低了18.1%和28.3%，可見增大牌坊與上橫梁底部間隙能夠大大改善機(jī)架危險位置處的應(yīng)力分布狀況。

［1］彭的新.淺談三輥軋管機(jī)的發(fā)展(I)［J］.鋼管，1993(3):5－10.

［2］邱永泰.關(guān)于二輥斜軋管機(jī)的討論［J］.鋼管，2010，39(4):1－5.

［3］周志楊，馮原，李勝袛，等.有限元數(shù)值模擬方法在連軋管孔型設(shè)計中的應(yīng)用［J］，寶鋼技術(shù)，2008(5):20－21.

［4］成海寶，龐沙沙，裴衛(wèi)民.等.LG－730 冷軋管機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析［J］.重型機(jī)械，2014(4):61－65.

［5］丁年雄.機(jī)械加工工藝詞典［M］(一版).北京:學(xué)苑出版社，1990，184－185.

［6］王薇.基于ANSYS 的整體式輪槽精銑刀強(qiáng)度分析與優(yōu)化［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2013.