王學(xué)文，蘭勇

四輥光整機牌坊的設(shè)計與研究

王學(xué)文1，蘭勇2

(1．鞍鋼蒂森克虜伯汽車鋼有限公司，遼寧大連116600;2.鞍鋼集團工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山114021)

針對熱鍍鋅板的光整工藝要求，對四輥光整機牌坊進行結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，并應(yīng)用Ansys軟件對光整機牌坊進行應(yīng)力、應(yīng)變和位移的有限元分析，通過分析得出:最大應(yīng)力值出現(xiàn)在上橫梁圓柱體與立柱上部的過渡圓角處，最大應(yīng)力值小于材料的屈服極限，滿足強度要求。單個機架在6 000 kN軋制力作用下，機架Y方向的總變形為0.98 mm，機架X方向的總變形為立柱在M2作用下的彎曲變形，造成立柱中部內(nèi)彎1.213 mm，滿足牌坊剛性要求。

牌坊;有限元分析;光整機

temper mill

0 前言

隨著現(xiàn)代鍍鋅鋼板對表面質(zhì)量和機械性能的要求不斷提高，熱鍍鋅線四輥光整機采用濕光整形式，本項目旨在可提高帶鋼的平直度，獲得所需要的帶鋼表面粗糙度，消除或部分消除帶鋼屈服平臺。以生產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)高強鋼為主。設(shè)備安裝于鍍鋅線預(yù)留光整機位置。在本設(shè)計中消化并移植了國外先進的技術(shù)，采用先進的濕光整技術(shù)，結(jié)合光整機設(shè)備國產(chǎn)化要求牌坊要有大承載能力和較高穩(wěn)定性的實際情況，在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造方法等方面進行了多項技術(shù)創(chuàng)新，使該設(shè)備達(dá)到國際先進水平。

1 光整機牌坊裝配的設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 牌坊裝配設(shè)備組成

牌坊裝配設(shè)備由牌坊及支撐輥軌道裝配、工作輥軌道、壓上油缸、軋輥平衡及彎輥塊、軋制線標(biāo)高調(diào)整、鎖緊裝置、接軸托架裝配、平臺、集油槽、排煙罩、潤滑配管及潤滑、電氣元件及機上配線組成。

1.2 技術(shù)規(guī)格

(1)牌坊及支撐輥軌道裝配。牌坊材質(zhì): ZG20Mn;牌坊斷面:520 mm×480 mm;支撐輥軌道:焊接件;上橫梁:焊接件。工作輥軌道裝配軌道材質(zhì):42CrMo;

(2)壓上液壓缸。規(guī)格:600/560×370，2個;最大軋制力:12 MN;工作壓力:最大25 MPa;位置傳感器:絕對位置型(精度0.002 mm);壓力傳感器:2個;安裝位置:牌坊窗口底部。

(3)軋輥平衡及彎輥塊。上支撐輥平衡:油缸安裝在連接塊頂部，以平衡上支撐輥;彎輥力:最大正彎輥力為1 MN;最大負(fù)彎輥力為1 MN;彎輥塊材質(zhì):42CrMo。

(4)軋制線標(biāo)高調(diào)整。結(jié)構(gòu)形式:電機雙出軸驅(qū)動，蝸輪蝸桿減速機及螺母絲杠傳動形式。編碼器:設(shè)在操作側(cè)蝸桿的非傳動側(cè)，用于標(biāo)高調(diào)整的位置自動控制;調(diào)節(jié)行程:255 mm;潤滑方式:定期加注干油。

(5)鎖緊裝置。由支撐輥鎖板、工作輥鎖板組成。均由液壓缸驅(qū)動。油缸:50/36×60，6個。

(6)接軸托架裝配。安裝用于換輥時支撐傳動接軸的光整機端。焊接結(jié)構(gòu)。

2 牌坊的ANSYS分析計算

在ANSYS12.0的平臺上，采用有限元靜力學(xué)分析方法，對光整機牌坊受力進行應(yīng)力與變形分析。

2.1 材料屬性

材料ZG20Mn

彈性模量2.1e+011 N/m2

泊松比0.32

抗拉強度4.57 e+08 N/m2

屈服強度2.57 e+08 N/m2

2.2 單元選擇

建立模型之后，要對它進行有限元的前處理，而前處理的好壞往往關(guān)系著進一步求解和結(jié)果的情況。

計算中選用的計算單元是SOLID187，這種單元是一種三維10節(jié)點實體元素單元。由10個節(jié)點定義，每個節(jié)點3個自由度。特別是對于不規(guī)則形狀，不會在精度上有任何損失，具有位移協(xié)調(diào)形狀，而且可以在空間的任何方向上進行研究。本文對機架的靜力研究中，機架上的載荷是正壓力作用，所以選擇SOLID187單元可以很好的滿足分析的需要。

2.3 實體網(wǎng)格劃分

本文研究的機架是計算機自動進行網(wǎng)格劃分，計算機自動進行智能劃分經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的模型如圖1所示。

圖1 劃分網(wǎng)格后牌坊Fig.1Housing after dividing grid arch

2.4 邊界條件及載荷的施加

(1)約束條件。機架的約束方式如圖2所示，在底座下端面左側(cè)邊線上施加X方向、Y方向和Z方向的約束，在底座下端面右側(cè)邊線上施加Y方向和Z方向的約束以限制Y、Z方向模型的平動。

圖2 機架上約束Fig.2The instructions constraints on the rack

(2)載荷的施加。機架主要承受軋制力的反作用力，作用在機架上下兩個圓環(huán)面上，軋制力為12 MN，則單片機架受力為6 MN，施加載荷情況如圖3所示。

圖3 施加載荷圖Fig.3Applied load figure

2.5 應(yīng)力場分析

圖4機架靜態(tài)應(yīng)力場分析的圖解。

圖4 靜態(tài)應(yīng)力場分析Fig.4The static stress field analysis

最大應(yīng)力值出現(xiàn)在上橫梁圓柱體與立柱上部的過渡圓角處，約為135 MPa(見表1)。橫梁圓柱體內(nèi)孔的最大應(yīng)力值為99.6 MPa，立柱內(nèi)側(cè)面最大應(yīng)力值為27 MPa。

表1 靜力應(yīng)力場分析結(jié)果Tab.1Static stress field analysis results

從表1可以看到最大應(yīng)力值為135 MPa，與表3.1材料屬性表中的屈服強度257 MPa相比，材料屈服強度是最大應(yīng)力值的約1.9倍，故安全系數(shù)為1.9，所以機架安全。

2.6 應(yīng)變場分析

表2是靜力應(yīng)變場分析的結(jié)果。圖5是機架靜力應(yīng)變場分析的圖解。通過機架靜力應(yīng)變場應(yīng)變結(jié)果的分析，從圖3.5可以直觀的看到應(yīng)力在機架的分布情況，得到最大、最小應(yīng)變值。從圖3.5中可以確定最大應(yīng)變出現(xiàn)在上橫梁圓柱體與立柱上部的過渡圓角處，約為0.646，橫梁圓柱體內(nèi)孔的最大應(yīng)變值為0.475，立柱內(nèi)側(cè)面最大應(yīng)變值為0.13。

表2 靜力應(yīng)變場分析結(jié)果Tab.2Static strain field analysis results

圖5 靜態(tài)應(yīng)變場分析Fig.5Static stress field analysis

2.7 位移場分析

圖6是機架Y方向靜力位移場分析的圖解。表3是靜力位移場分析的結(jié)果。

圖6 靜力位移場分析Fig.6Static stress displacement field analysis

表3 靜力位移場分析結(jié)果Tab.3Static stress displacement field analysis results

通過機架靜力位移場結(jié)果的分析，可以看到Y(jié)方向位移在機架上的分布情況，得到位移的最大、最小點的位置及位移量。機架的變形主要為Y方向和X方向的變形。由于模型在底座下端面限制Y方向的運動，所以Y方向的變形在底座下端面以上為正，底座下端面以下為負(fù)。通過機架Y方向靜力位移場結(jié)果的分析，可知Y方向的最大位移出現(xiàn)在上、下橫梁中部，從圖6中可以確定機架Y方向最大位移量為0.980 mm。

圖7是機架X方向靜力位移場分析的圖解。表4是靜力位移場分析的結(jié)果。

圖7 X方向靜力位移場分析Fig.7X direction static displacement field analysis

表4 靜力位移場分析結(jié)果Tab.4Static stress displacement field analysis results

機架的變形主要為Y方向和X方向的變形。由于模型在下底座左端面處限制X方向的運動，所以X方向的變形在底座左端面以右為正，底座左端面以左為負(fù)。通過機架X方向靜力位移場結(jié)果的分析，可知X方向的最大位移出現(xiàn)在左、右立柱中部，從圖7中可以確定機架X方向最大位移量為1.213 mm。

3 結(jié)束語

(1)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在上橫梁圓柱體與立柱上部的過渡圓角處，約為135 MPa，上橫梁圓柱體內(nèi)孔的最大應(yīng)力值為99.6 MPa，立柱內(nèi)側(cè)面最大應(yīng)力值為27 MPa。最大應(yīng)力值135 MPa，材料屈服強度257 MPa，材料屈服強度是最大應(yīng)力值得1.9倍，故安全系數(shù)為1.9，所以機架安全。

(2)在橫梁與立柱交會處的過渡圓角處，均存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但應(yīng)力值并沒有超過材料的屈服強度。

(3)機架的變形主要為Y方向和X方向的變形。由于坐標(biāo)原點位于下橫梁圓孔上表面圓心處，所以與X、Y坐標(biāo)正方向的變形一致為正，與X、Y坐標(biāo)負(fù)方向的變形一致為負(fù)。單個機架在6 MN軋制力作用下，機架Y方向的總變形為0.98 mm，機架X方向的總變形為立柱在M2作用下的彎曲變形，造成立柱中部內(nèi)彎1.213 mm，滿足牌坊剛性要求。

［1］成大先．機械設(shè)計手冊［M］．北京:化工工業(yè)出版社，2002．

［2］周國盈．帶鋼精整設(shè)備［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1979．

［3］李九齡．帶鋼連續(xù)熱鍍鋅M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1987．

［4］鄒家祥．軋鋼機械［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2005．

［5］李朝慶，陳德初．有限元結(jié)構(gòu)分析的邊界條件處理［J］．鋼鐵科學(xué)與工程學(xué)報，1980(1):23－26．

［6］(蘇)采利科夫．軋制原理手冊［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1989．

［7］Walter Ottersbach．現(xiàn)代熱鍍鋅［J］．MPT冶金設(shè)備和技術(shù)，1994:130－139．

［8］王業(yè)科．光整機及其在熱鍍鋅生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］．軋鋼，2002:119(4)．

［9］許秀飛．帶鋼熱鍍鋅技術(shù)問答［M］．北京:化工工業(yè)出版社，2007．

［10］李小玉．軋制工藝潤滑［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1981．

Design and research for the housing of four rollers temper mill

WANG Xue-wen1，LAN Yong2
(1．TKAS Auto Steel Company Limited，Dalian 116600，China; 2．Ansteel Engineering technology corporation limited，Anshan 114021，China)

Four rollers temper mill is designed according to the process requirement of hot dip galvanizing，the stress，strain and displacement of the housing are calculated by FEM．The analysis results showed the maximum stress on the transition corner between upper cylinder beam and vertical column，the maximum stress is less than the yield stress of material，which satisfied the strength standard．When the rack under 6 000 kN rolling force，the displacement of Y axis of rack is 0.98mm，the displacement of X axis of rack is bending deformation under the column M2，the column is inner bending 1.213mm，satisfied the stiffness standard of housing．

housing;finite element analysis;

TG333

A

1001－196X(2017)01－0047－04

2016－08－11;

2016－09－13

王學(xué)文(1981－)，工學(xué)碩士，工程師，主要從事設(shè)備維護管理，能源管理，項目管理，設(shè)備改造、優(yōu)化等工作。