郭永平，谷立臣，甄 誠

（1.長鋼（集團(tuán)）鍛壓機(jī)械制造有限公司 設(shè)計(jì)院，山西 長治046011；2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安710055）

0 前言

卷板機(jī)是將金屬板材在冷、溫或熱態(tài)下利用三點(diǎn)成圓原理彎卷成筒形、弧形或錐形等工件的鍛壓成形通用設(shè)備。在卷板機(jī)設(shè)計(jì)中，因板材塑性變形情況復(fù)雜，板材變形和內(nèi)部應(yīng)力變化難以得到確切數(shù)值，故一般采用工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，難免存在設(shè)備安全隱患，或者為安全考慮設(shè)計(jì)過于保守，使設(shè)備設(shè)計(jì)制造成本高。

水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：上輥升降移動，兩個下輥可單獨(dú)也可一起水平移動，上下輥可以布置成非對稱結(jié)構(gòu)，可以對板端部進(jìn)行預(yù)彎；而且上、下輥都可以為主驅(qū)動輥。水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)上輥升降采用油缸下置驅(qū)動，即上輥升降油缸安裝在設(shè)備的底座內(nèi)。對于大型設(shè)備來說，油缸下置能降低設(shè)備重心，提高設(shè)備安全性，所以大型卷板設(shè)備多采用水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)。

1 有限元模型建立

1.1 模型簡化

特大型水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，左右底座受力基本相同，為減小計(jì)算難度只對左底座進(jìn)行靜態(tài)分析。針對水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，對模型做如下簡化：①只考慮在壓板情況下底座的靜態(tài)受力； ②地腳螺栓的固定看成剛度無限大；③假設(shè)焊接強(qiáng)度與鋼板強(qiáng)度相同。水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)壓板時(shí)底座受力示意圖如圖1 所示，左底座模型圖如圖2 所示，有限元網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示，劃分了34658 個有限單元。

圖1 卷板機(jī)壓板時(shí)底座受力圖

1.2 約束及載荷

卷板機(jī)在壓板和卷板過程中，底座是通過地腳螺栓固定在地面上的，地腳螺栓限制了底座底面三個方向的移動和轉(zhuǎn)動六個自由度，因此在地腳螺栓孔處的約束為固定全約束。卷板機(jī)壓板時(shí)，以底座為研究對象進(jìn)行受力分析，底座受到上輥向上的拉力Fa和下輥向下的壓力Fa的作用，上輥向上的拉力Fa通過安裝在底座上的油缸上腔缸蓋傳遞給焊接在底座上的缸體。水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)可以實(shí)現(xiàn)板材的預(yù)彎，預(yù)彎時(shí)下輥相對于上輥為非對稱布置，此時(shí)的上輥受力最大，為卷板機(jī)壓板時(shí)的最惡劣工況，所以底座受力分析以此工況下受力進(jìn)行分析。卷板機(jī)預(yù)彎時(shí)上下輥受力示意圖如圖4 所示。預(yù)彎時(shí)上輥?zhàn)畲笫芰a為50000kN，此力豎直方向分力作用于焊接在底座的缸體端面上； 左下輥受力Fb為27300kN，右下輥受力Fc為24400kN，分別分解為豎直方向和水平方向的力，作用于左底座與下輥機(jī)架接觸面上。

圖2 左底座模型圖

圖3 有限元網(wǎng)格劃分圖

圖4 預(yù)彎時(shí)上下輥受力示意圖

2 模擬結(jié)果分析

圖5、圖6 分別顯示了左底座的應(yīng)力和變形情況，整個底座應(yīng)力和應(yīng)變都不大，大部分應(yīng)力處于鋼板材料的安全應(yīng)力范圍內(nèi)，小于板材材料的屈服極限。最大應(yīng)力和應(yīng)變均發(fā)生在底座下部靠近缸體地腳螺栓處，最大變形6.2mm，應(yīng)力達(dá)到500MPa，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力達(dá)到1155MPa，此處在滿負(fù)荷預(yù)彎板材時(shí)有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)，存在安全隱患。因此，應(yīng)對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 左底座應(yīng)力云圖

圖6 左底座應(yīng)變云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)左底座應(yīng)力、應(yīng)變圖和模型圖分析發(fā)現(xiàn)，左底座在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，缸體下部與側(cè)板之間缺少縱向筋板，同時(shí)側(cè)板為了留出地腳螺栓孔位置，在側(cè)板上開了兩個缺口，另外上輥升降油缸缸體下腔進(jìn)油孔處在側(cè)板和內(nèi)支撐板上也開有缺口，這樣就導(dǎo)致此處結(jié)構(gòu)材料薄弱，出現(xiàn)變形和應(yīng)力過大。綜合以上分析，在缸體下部與側(cè)板之間增加縱向筋板，在側(cè)板中間增加底板和兩個地腳螺栓，經(jīng)過有限元模擬計(jì)算優(yōu)化后的應(yīng)力圖如圖7 所示。由圖可見，最大變形為4mm，地腳螺栓處應(yīng)力大部分為170MPa，局部應(yīng)力集中已降至510MPa。地腳螺栓處應(yīng)力和應(yīng)力集中很大程度上得到了改善。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后左底座應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文針對特大型水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)預(yù)彎時(shí)底座受力情況進(jìn)行分析，利用PRO/E 軟件對底座進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS 分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、載荷加載和求解。根據(jù)模擬結(jié)果，得出底座在預(yù)彎時(shí)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，對底座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高特大型設(shè)備的可靠性。是對傳統(tǒng)工程類比和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和補(bǔ)充，為特大型水平下調(diào)式卷板機(jī)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

[1]邢偉榮.卷板機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（2）.

[2]邢偉榮，等.水平下調(diào)式結(jié)構(gòu)在大型三輥卷板機(jī)上的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（5）.

[3]任育紅.水平下調(diào)式三輥卷板工藝及設(shè)備研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[4]龔發(fā)云.非對稱式三輥彎板機(jī)卷板數(shù)學(xué)模型的研究[C].中國機(jī)械工程學(xué)會年會論文集.北京：中國機(jī)械工程學(xué)會，2005.

[5]鄧凡平.ANSYS10.0 有限元分析[M].北京：人民郵電出版社，2007.