伍 毅，周云節(jié) ,朱 瀟

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243000)

UCM冷軋機(jī)剛度有限元分析

伍 毅1，周云節(jié)2,朱 瀟1

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243000)

通過分析UCM冷軋機(jī)工作原理及性能特點(diǎn)，建立了UCM冷軋機(jī)工作機(jī)座三維模型及有限元模型。與以往模型相比，該模型充分考慮了由于竄輥、輥形、單側(cè)驅(qū)動(dòng)等因素帶來的輥系不對(duì)稱缺陷，極大提高了計(jì)算精度及結(jié)果可信度。以1 MN為步進(jìn)，自3 MN施加軋制力至15 MN，得到13個(gè)工況下的壓上缸行程，進(jìn)而計(jì)算冷軋機(jī)剛度系數(shù)。將有限元計(jì)算剛度系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的剛度系數(shù)做對(duì)比，誤差為0.963%，誤差極小。則有限元計(jì)算結(jié)果可為軋機(jī)的剛度設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

UCM；冷軋機(jī)；有限元；剛度

0 前言

UCM 軋機(jī)是新一代具有更強(qiáng)板形控制能力的冷軋薄板軋機(jī)[1-3]，其在世界上得到廣泛應(yīng)用，其具有以下性能特點(diǎn)[4-7]：

(1)能在穩(wěn)定和大壓下量下軋制，具有好的帶鋼凸度和最小的邊部降控制。軋機(jī)配備有帶鋼凸度控制功能和高的橫向軋機(jī)剛度穩(wěn)定性，通過工作輥正中間輥彎輥、中間輥正彎、中間輥竄動(dòng)、軋輥調(diào)平等手段可從容軋制各種較寬的到較窄的，較薄的和較硬的帶鋼；

(2)機(jī)架中的工作輥和中間輥可在保留帶鋼的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換輥，生產(chǎn)率較高；

(3)機(jī)架頂部設(shè)置了斜楔和階梯板相配合的調(diào)節(jié)裝置，可以保證在使用不同輥徑的軋輥時(shí)軋制水平恒定不變，并設(shè)備了位移傳感器進(jìn)行測(cè)量和控制；

(4)機(jī)架底部設(shè)置了液壓壓上裝置，在壓上油缸體上安裝了壓力馬達(dá)閥用來提高厚度控制響應(yīng)速度，并設(shè)置了位置傳感器。

UCM軋機(jī)多樣的板型控制手段使其在板形控制方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。本文借助有限元軟件ANSYS，對(duì)UCM冷軋機(jī)進(jìn)行剛度分析，為將來軋機(jī)的優(yōu)化和改造提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

許多學(xué)者對(duì)軋機(jī)剛度進(jìn)行了細(xì)致的研究，得到了許多有價(jià)值的結(jié)果[8,9]。但其建模時(shí)，多采用簡(jiǎn)化模型，即在單片機(jī)架上加載，等同其理論剛度。但實(shí)際上，由于中間輥橫移，中間輥輥形不對(duì)稱，輥系單側(cè)驅(qū)動(dòng)等多重因素影響，UCM冷軋機(jī)輥系處于嚴(yán)重非對(duì)稱狀態(tài)，其兩側(cè)機(jī)架剛度不可能完全一致[10,11]。通過整體建模分析，可全面、準(zhǔn)確地計(jì)算UCM冷軋機(jī)剛度。

1.1 實(shí)體模型簡(jiǎn)化及有限元建立

但Sarah顯然摸索到了適合自己的道路，并做得很成功。學(xué)藝術(shù)出身的她找到了將自己所學(xué)與葡萄酒融合的方法，明年Sarah將與合作的酒杯品牌推出自己設(shè)計(jì)的酒杯系列，甚至有可能在中國(guó)內(nèi)地舉辦數(shù)次個(gè)人畫展。正如Sarah說的：“大多數(shù)亞洲的女性葡萄酒大師都在經(jīng)營(yíng)著自己的事業(yè)，我們都是獨(dú)立的個(gè)體并走在屬于自己的道路上。”

本文根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況建立了UCM軋機(jī)三維模型，并且對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。軋機(jī)牌坊、輥系根據(jù)設(shè)備的實(shí)際模型建模不做任何簡(jiǎn)化，將軸承座與軸承、壓上缸與牌坊簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，并且忽略設(shè)備中的液壓系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際工況測(cè)量的數(shù)據(jù)可得，對(duì)寬度為1 575 mm的板材進(jìn)行軋制時(shí)的最大軋制力14.6 MN。輥系尺寸為：工作輥直徑Φ385 mm～Φ425mm，輥身長(zhǎng)度1 720 mm；中間輥直徑Φ440 mm～Φ490 mm，輥身有效長(zhǎng)度1707.5 mm；支撐輥直徑Φ1150 mm～Φ1300 mm，輥身長(zhǎng)度1720 mm。在建立軋機(jī)輥系時(shí)，輥系按最小直徑建模，中間輥竄輥量設(shè)定為0 mm。

對(duì)導(dǎo)入ANSYS中的軋機(jī)各部位材料模型進(jìn)行定義。其材料屬性如表1所示。

由于Solid187實(shí)體單元有中間節(jié)點(diǎn)，求解精度更高，且其為四面體單元，可劃分各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故使用10節(jié)點(diǎn)的Solid187實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。軋機(jī)不同部位的網(wǎng)格疏密程度不同，軋輥、軸承座采取手動(dòng)控制劃分且網(wǎng)格較密，其余部位采取手動(dòng)、自由相結(jié)合方式劃分。特別注意對(duì)接觸處及過渡圓角、倒角處進(jìn)行局部細(xì)化，防止由于網(wǎng)格粗大引起的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力值異常偏大。冷軋機(jī)工作機(jī)座有限元模型如圖1所示，整個(gè)軋機(jī)模型劃分出605 165個(gè)單元， 870 818個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 材料屬性

1.機(jī)架 2.支承輥 3.中間輥 4.工作輥 5.軸承座 6.壓上缸圖1 UCM軋機(jī)工作機(jī)座有限元模型Fig.1 Model of the UCM cold mill housing

1.2 接觸分析

整個(gè)冷軋機(jī)分析模型共設(shè)置了44對(duì)接觸對(duì)。接觸單元選擇CONTAC174，目標(biāo)單元選擇與之相配合的TARGET170單元。根據(jù)冷軋機(jī)接觸特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工況，所有的接觸對(duì)都采取柔體面-柔體面的接觸類型，即允許存在接觸變形。所涉及的接觸部位及數(shù)量如表2。

1.3 施加載荷、邊界條件及求解

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓靠實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷軋機(jī)加載實(shí)際狀況，在下支承輥軸承座施加豎直向上的軋制力，在壓上缸上表面施加等值反向的軋制力。以1 MN為步進(jìn)，自3 MN加載至15 MN，以寫載荷步的方式，一次完成計(jì)算。將地腳螺栓所有的自由度都進(jìn)行約束，并約束軋輥驅(qū)動(dòng)側(cè)的周向及軸向自由度，最后依靠接觸面間的摩擦力約束軸承座的自由度。冷軋機(jī)加載、約束如圖2所示。

表2 接觸部位及數(shù)量

圖2 UCM軋機(jī)加載、約束Fig.2 Loading and constraint of the UCM cold mill

2 剛度計(jì)算結(jié)果及分析

讀取下支承輥軸承座下表面中心及壓上缸上表面的對(duì)應(yīng)位置的位移，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 冷軋機(jī)剛度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)調(diào)取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，軋制力約為8 MN。故對(duì)軋制力為8 MN左右的剛度進(jìn)行計(jì)算，得到軋機(jī)總剛度。

Kc=K1+K2=4.4585 MN/mm

(1)

式中，K1為軋機(jī)傳動(dòng)側(cè)剛度，K1=1.9855 MN/mm；K2為軋機(jī)操作側(cè)剛度，K2=2.473 MN/mm；Kc為軋機(jī)總剛度。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)軋制數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖3上部為軋制力變化曲線，單位為1 kN。下側(cè)為為了使軋件軋后厚度不變，軋機(jī)壓下系統(tǒng)壓下量變化曲線，單位為1 μm。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)記錄曲線Fig.3 Curve of on-line roll force variation

當(dāng)軋制力由7.656 MN上升到8.208 MN時(shí)，壓下系統(tǒng)壓下量由1.195 mm變化為1.320 mm，其剛度系數(shù)為[12]：

(2)

式中，P1、P2分別為在工作范圍內(nèi)的兩個(gè)軋制力，P1=8.208 MN，P2=7.656 MN；S1、S2分別為與P1、P2相對(duì)應(yīng)的輥縫位置，S1=1.320 mm,S2=1.195 mm；ΔP=0.552 MN，ΔS=0.125 mm。

現(xiàn)場(chǎng)剛度系數(shù)與數(shù)值計(jì)算剛度系數(shù)誤差

4 結(jié)論

(1)按照本文的簡(jiǎn)化方式所建立的UCM冷軋機(jī)分析模型在計(jì)算剛度時(shí)，其力學(xué)模型更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

(2)使用有限元軟件ANSYS計(jì)算了工作機(jī)座剛度，與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)，誤差為0.963%，誤差極小。計(jì)算結(jié)果可為軋機(jī)的剛度設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

(3)在分析設(shè)備力學(xué)行為及性能時(shí)，有限元法相對(duì)傳統(tǒng)理論方法具有快捷，求解精度更高的優(yōu)點(diǎn)。

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Rigidity finite element analysis of UCM cold mill

WU Yi1， ZHOU Yun-jie2， ZHU Xiao1

(1.School of Mechanical Engineering, AnHui University of Technology, Ma’Anshan 243000 China；2.The First Steel Rolling Plant of Ma Steel Co., Ltd., Ma’Anshan 243000 China)

Through analysis of operation theory and performance features of UCM cold mill. The finite element analytical model of the UCM cold mill housing was established. Compared with the previous models, asymmetric defect caused by the factors including shifting, roll contour and single side driving etc., are fully considered in this model. Greatly enhance precision and reliability of the results. The stroke of the pressure cylinder via was obtained by applying rolling force from 3MN to 15MN at the step of 1MN. Through the above results, rigidity factors of FEM calculation could be calculated. To compare the rigidity factors between FEM calculating and on-site test calculation, the error was 0.963%. So the FEM results can provide reliable scientific basis for the mill rigidity design.

UCM; cold mill; finite element method; rigidity

2015-06-23；

2015-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375014)

伍毅(1965-)，副教授，碩士。研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)檢測(cè)及冶金設(shè)備。

TG333.7;TH122

A

1001-196X(2016)03-0063-04