王紅穎，趙炳利，王 東

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

電梯T型導(dǎo)軌殘余應(yīng)力的有限元分析

王紅穎，趙炳利，王 東

(燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

針對(duì)電梯T型導(dǎo)軌的輥式矯直法，提出了一種新的矯直模型。利用軟件進(jìn)行建模并在ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析，將該模型與傳統(tǒng)的輥式矯直模型進(jìn)行對(duì)比，得出新模型的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變新模型個(gè)別輥的輥徑，探討由于磨損導(dǎo)致輥徑的變化對(duì)殘余應(yīng)力和矯直質(zhì)量的影響，從而得出新模型的優(yōu)化方向，為電梯T型導(dǎo)軌的輥式矯直法研究提供一定的理論依據(jù)。

電梯T型導(dǎo)軌；輥式矯直；殘余應(yīng)力；矯直質(zhì)量；有限元分析

0 前言

電梯T型導(dǎo)軌作為引導(dǎo)電梯轎廂運(yùn)行的導(dǎo)向裝置，在電梯轎箱和重裝置升降中起導(dǎo)向作用，被廣泛應(yīng)用于建筑中。電梯T型導(dǎo)軌用兩輥軋機(jī)或四輥萬(wàn)能軋機(jī)軋制成型[1]。近年來(lái)，隨著高層建筑的逐年遞增及電梯運(yùn)行速度的增加，T型電梯導(dǎo)軌的數(shù)量、品種不斷增加，用戶(hù)對(duì)其要求也越來(lái)越高。T型電梯導(dǎo)軌面的平直度是影響電梯水平振動(dòng)的重要因素。由于熱軋并矯直后的T型電梯導(dǎo)軌的精度難以直接達(dá)到使用要求，為保證電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性、舒適型、無(wú)噪聲和無(wú)顫動(dòng)，須對(duì)T型導(dǎo)軌進(jìn)行校直，所以需要采用刨床或拉床加工。

涉及電梯導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[2,3]，定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，導(dǎo)軌是按交貨長(zhǎng)度進(jìn)行定尺矯直[4]和刨床加工。隨著科技進(jìn)步及加工方法的變化，目前已向長(zhǎng)尺矯直、拉床加工方向轉(zhuǎn)變，矯直后再進(jìn)行定尺，加工余量越來(lái)越少，精度要求越來(lái)越高。對(duì)于長(zhǎng)尺矯直，由于軋制及冷卻不均等原因，采用傳統(tǒng)矯直輥分布結(jié)構(gòu)，常常出現(xiàn)咬入困難等問(wèn)題?；趭A緊輥的矯直機(jī)能有效克服難于咬入及自動(dòng)喂料等問(wèn)題。常見(jiàn)的電梯導(dǎo)軌矯直問(wèn)題屬于等截面梁彎曲的問(wèn)題。扁鋼矯直壓下規(guī)程及孔型優(yōu)化[5]確定了一種帶夾送輥的矯直機(jī)結(jié)構(gòu)，該機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)在撫順某鋼廠(chǎng)使用三年，該矯直機(jī)也與文獻(xiàn)[6，7]提出的矯直理論相一致。針對(duì)傳統(tǒng)輥式矯直法的矯直力、矯直質(zhì)量、殘余應(yīng)力，有較多的參考文獻(xiàn)[8-10]可以查找。基于有限元[11]的方法，本文比較兩種矯直方案中矯直力的變化、矯直質(zhì)量和殘余應(yīng)力，再通過(guò)改變矯直輥直徑，得出矯直輥直徑對(duì)矯直質(zhì)量和殘余應(yīng)力的影響，為輥式矯直電梯導(dǎo)軌提供調(diào)整依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

新型矯直機(jī)是在入口段設(shè)置了夾緊輥，如圖1a所示，該模型與某公司在訂購(gòu)的矯直設(shè)備相同；現(xiàn)用的矯直電梯導(dǎo)軌的矯直機(jī)是10輥的矯直機(jī)，不設(shè)置夾緊輥，如圖1b所示。首先，用Solidworks軟件建立三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元分析。取待矯直的T型導(dǎo)軌型號(hào)為T(mén)125，長(zhǎng)度取為2 000 mm。在模型結(jié)構(gòu)中將導(dǎo)軌放在入口矯直輥的前端，這樣能減少計(jì)算時(shí)間。在圖1的模型中，假設(shè)來(lái)料是平直的軋件，即矯直前的鋼材原始曲率為零。

圖1 矯直模型Fig.1 Straightening model

1.2 物理模型

模型選用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，采用單點(diǎn)積分以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。軋件材料選取Q235A，單元選用雙線(xiàn)性各向同性材料，其材料參數(shù)如表1所示。考慮到矯直輥環(huán)受到矯直軸的支撐作用，將矯直輥環(huán)設(shè)置為剛性體，其材料參數(shù)如表2所示。將矯直輥以及鋼板密度放大100倍，以此加快計(jì)算速度。

表1 電梯導(dǎo)軌的材料參數(shù)

表2 矯直輥的材料參數(shù)

1.3 約束、初始條件和加載求解

在矯直過(guò)程中,對(duì)矯直輥施加繞Z軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)約束矯直輥X、Y、Z方向的平動(dòng)和繞X、Y軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)組件的方式約束導(dǎo)軌底板Z方向上的平動(dòng)；導(dǎo)軌的前進(jìn)主要靠矯直輥與導(dǎo)軌接觸面的摩擦帶動(dòng)，設(shè)定矯直輥與導(dǎo)軌的接觸方式為自動(dòng)表面-表面接觸，接觸類(lèi)型為剛體-變形體接觸。仿真過(guò)程中，矯直輥與導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)取0.3、動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)取0.2，電梯導(dǎo)軌的矯直速度為取0.5m/s，分別對(duì)鋼板和矯直輥施加X(jué)向速度和繞Z軸線(xiàn)的角速度。求解時(shí)間根據(jù)兩個(gè)模型的具體尺寸求得，輸出文件設(shè)定為200個(gè)子步，設(shè)定矯直輥與導(dǎo)軌上下表面的接觸反力為矯直過(guò)程中的矯直力。

2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

2.1 殘余應(yīng)力的對(duì)比

在金屬的塑性成型過(guò)程中，由于加熱、變形、冷卻不均勻，都會(huì)在工件內(nèi)出現(xiàn)宏觀級(jí)、微觀級(jí)和原子級(jí)的附加應(yīng)力。當(dāng)外力消失后，在變形體內(nèi)所留下來(lái)的附加應(yīng)力——?dú)堄鄳?yīng)力。電梯導(dǎo)軌在完成矯直變形后，由于矯直過(guò)程中彈塑性變形產(chǎn)生了新的應(yīng)力變化，當(dāng)矯直力消失后，在軋件內(nèi)部殘留下的附加應(yīng)力即為矯后殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力大到一定程度，會(huì)造成軋件翹曲(彎曲)等缺陷。

根據(jù)文獻(xiàn)[5-10]可知，軋件殘余應(yīng)力主要因素是壓下量、矯直溫度、矯直速度等，且壓下量、矯直溫度和矯直速度與殘余應(yīng)力大概呈線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)有限元模型模擬所確定的平均殘余應(yīng)力值和模型所用的矯直參數(shù)，用 Origin 軟件進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，由此得到軋件平均殘余應(yīng)力的計(jì)算模型為：

σ=-23.1449+1.0256δ1+4.10562δ2+

0.02395T+9.76071ε

式中，σ為平均殘余應(yīng)力/MPa；δ1為矯直機(jī)前兩輥壓下量/mm；δ2為矯直機(jī)后兩輥壓下量/mm；T為矯直溫度/℃；ε為矯直速度/(rad·s-1)。

在ANSYS后處理軟件中，提取兩個(gè)模型的殘余應(yīng)力，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 殘余應(yīng)力分布云圖Fig.2 Residual stress distribution nephogram

通過(guò)觀察圖2可以看出：由于電梯導(dǎo)軌的頭部、尾部矯直時(shí)為自由端，所受到的力矩較小，接觸應(yīng)力較小，導(dǎo)致電梯導(dǎo)軌頭尾端殘余應(yīng)力也較小，而導(dǎo)軌中部受到較大的力矩作用，接觸應(yīng)力比較大，因此導(dǎo)致電梯導(dǎo)軌中部殘余應(yīng)力較大。在某一相同壓下量條件下，提取矯直后等效應(yīng)力曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，圖2a中不同位置點(diǎn)的殘余應(yīng)力為9.7～158 MPa,圖2b中的殘余應(yīng)力為9.8～171 MPa。由此推出，兩者相比，新型矯直模型具有較小的最大殘余應(yīng)力和最大最小殘余應(yīng)力的差值，且殘余應(yīng)力分布也較為均勻，矯直后發(fā)生彎曲的可能性較小，因此具有更好的矯直質(zhì)量。

2.2 導(dǎo)軌端部矯直質(zhì)量對(duì)比

圖3是兩種模型的電梯導(dǎo)軌軌端的局部放大圖，該圖截取自殘余應(yīng)力云圖。

圖3 導(dǎo)軌端部矯直質(zhì)量Fig.3 Straightening quality at the rail end

從圖3中可以明顯看出，有夾緊輥的矯直模型的端部矯直質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)行的矯直模型。雖然圖3a中電梯導(dǎo)軌端部的殘余應(yīng)力比圖3b中電梯導(dǎo)軌端部的殘余應(yīng)力大，但是從整根電梯導(dǎo)軌的殘余應(yīng)力分析可以知道，這并不能決定矯直質(zhì)量。

3 輥徑變化對(duì)矯直的影響

3.1 輥徑變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響

以圖1a的模型作為研究對(duì)象，矯直機(jī)的3#、4#輥徑減少量分別為0.1%、0.075%和3#、4#輥徑減少量分別為0.2%、0.15%時(shí)，電梯導(dǎo)軌殘余應(yīng)力的分布如圖4所示。

通過(guò)分析圖4，可以發(fā)現(xiàn)與圖2a具有相同的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，導(dǎo)軌頭尾兩端殘余應(yīng)力較小，導(dǎo)軌中部的殘余應(yīng)力較大。在某一壓下量條件下，經(jīng)提取矯直后的殘余應(yīng)力等值曲線(xiàn)，圖4a及圖4b中的殘余應(yīng)力在9.7～170 MPa之間。兩者殘余應(yīng)力分布情況相似，殘余應(yīng)力值也沒(méi)有明顯的區(qū)別。根據(jù)以上情況，可以推測(cè)出這兩種直徑變化情況下對(duì)殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯影響，但是不能推測(cè)出直徑變化不會(huì)改變殘余應(yīng)力，因?yàn)榕c原模型相比，這兩個(gè)模型的最大殘余應(yīng)力有一定程度的降低。

3.2 輥徑變化對(duì)導(dǎo)軌端部矯直質(zhì)量的影響

圖5是兩種模型端部的局部放大圖，該圖截取圖4中的自殘余應(yīng)力云圖。

圖4 輥徑變化后的殘余應(yīng)力分布云圖Fig.4 The residual stress distribution nephogram caused by roller diameter changes

圖5 導(dǎo)軌端部矯直質(zhì)量Fig.5 Straightening quality at the rail end

從圖5中可以明顯看出，輥徑減少量為0.1%、0.075%時(shí)的矯直模型的端部矯直質(zhì)量?jī)?yōu)于輥徑較少量為0.2%、0.15%時(shí)的矯直模型，二者端部殘余應(yīng)力的分布相似。與原模型相比，這兩個(gè)模型的端部矯直質(zhì)量均有明顯降低，由此可見(jiàn)，矯直輥微量磨損造成的輥徑變化對(duì)殘余應(yīng)力影響不大。

4 結(jié)論

通過(guò)以上模擬和分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)設(shè)有夾緊輥的矯直模型與不設(shè)夾緊輥的矯直模型相比，無(wú)論是在殘余應(yīng)力還是導(dǎo)軌端部矯直質(zhì)量方面，設(shè)有夾緊輥的矯直模型都具有很大的優(yōu)勢(shì)；

(2)在設(shè)有夾緊輥及其他條件不發(fā)生變化的前提下，通過(guò)改變3#、4#輥的輥徑，對(duì)模擬結(jié)果的殘余應(yīng)力對(duì)比，三種情況下殘余應(yīng)力分布比較相近，最小殘余力值也相差不大。但隨著輥徑變化增大，矯直平直度也降低；

(3)通過(guò)模擬分析，輥徑變化并非對(duì)殘余應(yīng)力和矯直質(zhì)量都有益，但輥徑的減少還是會(huì)在某種程度上產(chǎn)生積極影響。因此我們要根據(jù)實(shí)際需要，具體問(wèn)題具體分析，正確處理輥徑磨損的問(wèn)題。

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Finite element analysis of guide rails for lift-T-type residual stress

WANG Hong-ying，ZHAO Bing-li， WANG Dong

(Mechanical Engineering Academy, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In view of the guide rails for lift-t-type roller straightening method，this paper proposes a new model of straightening. First of all, a model is created by the software and the model is imported into ANSYS for finite element analysis; then, the model is compared with the traditional roller straightening model and the superiority of the new model can be summarized. Based on this, by changing the individual roller diameter of the new model, the influence of roller diameter changes which is caused by the abrasion loss of straightening roll on the residual stress and the straightening quality is studied, and thereby the optimal solution is gained. This solution can provide certain theory evidence for the research of guide rails for lift-T-type roller straightening method.

guide rails for lift-T-type; roller straightening; residual stress; the straightening quality; finite element analysis

2016-01-11；

2016-02-05

王紅穎(1990-)，女，在讀研究生, 主要研究方向：型鋼矯直精度研究。

趙炳利(1962-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD，計(jì)算機(jī)圖學(xué)，型鋼矯直機(jī)研究。

TG333;TH122

A

1001-196X(2016)04-0066-04