谷瑞杰，梁建筑，穆騰飛，荊云海，周少凡，蘇振華

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032;3.新疆天山水泥股份有限公司塔什店分公司，新疆 庫爾勒 841011;4.湖北航天技術(shù)研究院計量測試技術(shù)研究所，湖北 孝感 432000)

0 前言

隨著航天事業(yè)大型運載火箭、大型電力設(shè)備和重型機械行業(yè)的發(fā)展，超大型高品質(zhì)無縫環(huán)件的需求量越來越大。環(huán)件徑軸向軋制成形(圖1)是使環(huán)件連續(xù)通過距離不斷減小的軋輥間隙，從而使得環(huán)件壁厚和高度逐漸減小，而環(huán)件半徑不斷長大的連續(xù)局部塑性成形過程［1－3］，該成形工藝較普通的環(huán)件自由鍛造成形來說精度高得多，而且對設(shè)備噸位要求小，生產(chǎn)效率也很高，目前已經(jīng)成為生產(chǎn)超大型環(huán)件的最佳加工方法［4－6］。

超大型徑軸向軋環(huán)機主機由徑向軋制裝置、軸向軋制裝置、底座、定心機構(gòu)和托輥等部分組成。本研究中徑向軋制裝置采用了先進的梁柱式組合結(jié)構(gòu)(圖2)，該結(jié)構(gòu)中間機架固定，主軋輥裝在固定機架前面，徑向軋制油缸倒裝在固定機架后面。固定機架后端的動梁和前端的芯輥上下支撐梁通過拉桿連接，環(huán)件軋制時，徑向軋制油缸力作用于動梁上，通過動梁和拉桿帶動芯輥向主軋輥移動，從而產(chǎn)生環(huán)件徑向軋制的進給運動［7］。

圖1 環(huán)件徑軸向軋制成形原理圖Fig.1 Sketch of ring radial－axial rolling

圖2 超大型軋環(huán)機徑向軋制裝置Fig.2 Radial rolling equipment of extra－large ring rolling mill

超大型軋環(huán)機徑向軋制裝置工作時，主軋輥承受的軋制力作用于固定機架上，固定機架同時還承受油缸的反作用力。本文首先建立超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架受力分析有限元模型，采用有限元模擬方法對超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架進行受力分析，獲得強度可以滿足使用要求的固定機架結(jié)構(gòu)，為超大型軋環(huán)機徑向軋制裝置的開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架有限元模型的建立

超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架有限元模型建立的主要工作包括幾何模型建立、網(wǎng)格單元劃分、材料參數(shù)設(shè)置、接觸約束施加、邊界條件和載荷施加等。其中的幾何模型建立、網(wǎng)格單元劃分、材料參數(shù)設(shè)置等工作與動梁有限元模型［7］建立的工作一樣，此處不在贅述。

超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架由主軋輥安裝梁、油缸安裝梁及底座和兩個中間聯(lián)接梁組裝在一起，各個部件之間通過螺釘連接。由于螺釘連接區(qū)域很小，其局部變形對固定機架的整體變形不會產(chǎn)生影響，因此在徑向軋制固定機架受力分析有限元建模時，對各個部件之間的連接進行了簡化，直接將各個部件之間的接觸面粘接在一起(圖3)。

圖3 徑向軋制固定機架部件間接觸約束施加Fig.3 Contact constrains of parts of radial rolling fixed frame

為了限制固定機架在受力分析有限元模擬計算時的整體平動和轉(zhuǎn)動，在固定機架有限元模型中需要約束其三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度。本研究中固定機架安裝在底座上，其安裝位置在主軋輥安裝梁下面兩側(cè)和油缸安裝梁底座兩側(cè)，固定機架和底座通過水平鍵和垂直鍵定位，再用螺釘把在一起，在本有限元模型中將固定機架的邊界條件約束施加在主軋輥安裝梁和油缸安裝梁底座兩側(cè)的鍵槽處(圖4)。

本研究中的固定機架主軋輥安裝梁在主軋輥上下支撐套筒上承受環(huán)件徑向軋制作用力，同時油缸安裝梁后面承受油缸的反作用力，固定機架的載荷施加如圖4 所示。本模型中的環(huán)件徑向軋制作用力平均分解到主軋輥上下支撐套筒上，載荷通過承力圓筒面的控制點施加，還考慮了環(huán)件徑向軋制的切向分力。油缸反作用力通過油缸安裝梁后面承力圓環(huán)面的壓力施加。

2 超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架受力分析

圖4 徑向軋制固定機架邊界條件和載荷施加Fig.4 Boundary condition and load of radial rolling fixed frame

采用本文所建立的超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架有限元模型對其進行受力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終得到的徑向軋制固定機架裝配件的應(yīng)力如圖5 所示。徑向軋制固定機架裝配件的最大應(yīng)力值約為100MPa，位于主軋輥上支撐的左右限位塊上，限位塊為力學(xué)性能很好的鍛件，其強度完全可以滿足要求。

圖5 徑向軋制固定機架等效應(yīng)力云圖Fig.5 Effective stress of fixed frame of radial rolling equipment

圖6為徑向軋制固定機架主軋輥安裝梁等效應(yīng)力云圖。從該圖可以看出，主軋輥安裝梁大部分區(qū)域應(yīng)力值較低，在主軋輥安裝上下圓柱套附近區(qū)域和聯(lián)接梁支撐面附近區(qū)域應(yīng)力值較高，應(yīng)力值最大的地方位于聯(lián)接梁支撐面邊界上，最大應(yīng)力值約為70MPa，主軋輥安裝梁強度完全可以滿足要求。

圖7為徑向軋制固定機架油缸安裝梁等效應(yīng)力云圖。從該圖可以看出，油缸安裝梁大部分區(qū)域應(yīng)力值較低，在其中心圓柱筒附近區(qū)域應(yīng)力值較高，應(yīng)力值最大的地方位于聯(lián)接梁支撐面靠近中心圓柱筒邊界上，最大應(yīng)力值略超出80 MPa，但是僅僅是在極小區(qū)域由于應(yīng)力集中所致，油缸安裝梁的強度可以滿足要求。

圖6 徑向軋制固定機架主軋輥安裝梁等效應(yīng)力云圖Fig.6 Effective stress of main roller beam of radial rolling fixed frame

圖7 徑向軋制固定機架油缸安裝梁等效應(yīng)力云圖Fig.7 Effective stress of oil cylinder beam of radial rolling fixed frame

圖8為徑向軋制固定機架油缸安裝梁底梁等效應(yīng)力云圖。從該圖可以看出，油缸安裝梁底梁所有區(qū)域應(yīng)力值都較低，其最大應(yīng)力也不到20 MPa，其強度完全可以滿足要求。

圖8 徑向軋制機架油缸安裝梁底梁等效應(yīng)力云圖Fig.8 Effective stress of back bottom beam of radial rolling fixed frame

圖9為徑向軋制固定機架上、下聯(lián)接梁等效應(yīng)力云圖。從該圖可以看出，上、下聯(lián)接梁有較大區(qū)域應(yīng)力值較高，但是其最大應(yīng)力值也只有60 MPa 多點，因此其強度完全可以滿足要求。

圖9 徑向軋制機架上、下聯(lián)接梁等效應(yīng)力云圖Fig.9 Effective stress of two joint beams of radial rolling fixed frame

綜上所述，經(jīng)過受力分析和優(yōu)化設(shè)計的超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架結(jié)構(gòu)合理，徑向軋制固定機架各組成部分強度可以滿足使用要求。本研究中所開發(fā)的徑向軋制固定機架在實際工程中獲得了成功應(yīng)用，經(jīng)過實際工程檢驗達到了預(yù)期的使用效果。

3 結(jié)論

本研究采用專業(yè)的有限云模擬軟件ABAQUS建立了超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架受力分析有限元模型，采用該模型對超大型軋環(huán)機徑向軋制固定機架進行了受力分析，獲得了徑向軋制固定機架各組成部分應(yīng)力分布基本規(guī)律，徑向軋制固定機架經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，其各組成部分強度均可滿足使用要求，為超大型軋環(huán)機徑向軋制裝置的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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