李博宇

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210004）

0 引言

萬能軋機(jī)是一種由一對水平輥和一對立輥組成的型材軋機(jī)，軋制H形鋼時(shí)，孔形由布置在同一鉛垂面的上、下水平輥和左、右立輥組成。4個(gè)軋輥可以在2個(gè)方向上加工所要求的H形鋼斷面尺寸，實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的同時(shí)軋制[1]。

H形鋼萬能軋機(jī)實(shí)現(xiàn)軋制功能的關(guān)鍵部件是水平輥裝配和立輥裝配，二者的整體強(qiáng)度和整體剛度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。某鋼廠小H形鋼生產(chǎn)線萬能軋機(jī)趨于老化，且因生產(chǎn)條件及產(chǎn)品要求的改變，萬能軋機(jī)的實(shí)測軋制力較原始設(shè)計(jì)值有大幅提高，因此，在軋制過程中出現(xiàn)的水平輥及立輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導(dǎo)衛(wèi)梁拉斷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。另外，該萬能軋機(jī)的軋輥必須利舊處理，生產(chǎn)現(xiàn)場的行車起吊重量和軋機(jī)外形最大尺寸也有相應(yīng)限制。對此，決定采用理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方法，對原有軋機(jī)進(jìn)行改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 水平輥和立輥力學(xué)模型的建立

萬能軋機(jī)軋制過程中，軋輥需要克服軋件的變形抗力，所以在軋輥上產(chǎn)生了軋制力[2]。該軋制力分布于軋件包絡(luò)軋輥的弧面上，方向沿接觸面的法向，且為非均布面載荷，力學(xué)模型見圖1。其中，水平輥力學(xué)模型為垂直水平軸線方向剖切視角，立輥力學(xué)模型為垂直立輥軸線方向俯視視角。

圖1 水平輥和立輥力學(xué)模型

由圖1可知，萬能軋機(jī)軋輥上的等效軋制力并不垂直或水平分布。而萬能軋機(jī)的水平輥軋制力和立輥軋制力的測量，均是通過水平輥或立輥的軸承座測得，即實(shí)測軋制力為等效軋制力的一部分。進(jìn)一步分析可知，實(shí)測軋制力為等效軋制力的主要分量。對力學(xué)模型進(jìn)行簡化，將軋制力按均布面載荷考慮，力學(xué)模型見圖2。考慮水平輥和立輥受力狀態(tài)的簡化具有一致性，圖2只用一個(gè)模型替代。

圖2 水平輥和立輥簡化力學(xué)模型

由圖2可知，配對軋輥的軋制力均指向各自的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，故萬能軋機(jī)軋制過程中，水平軋輥和立軋輥的受力狀態(tài)均可按純彎曲考慮[3]。

2 水平輥和立輥裝配幾何模型的初步改進(jìn)

針對某鋼廠小H形鋼萬能軋機(jī)在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題，改造從加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度入手，同時(shí)結(jié)合該型號(hào)萬能軋機(jī)水平輥和立輥軋制力原始設(shè)計(jì)值及現(xiàn)場檢測值。軋機(jī)原始設(shè)計(jì)主要參數(shù)及軋制力值見表1。

表1 萬能軋機(jī)原始設(shè)計(jì)主要參數(shù)

該軋機(jī)出現(xiàn)軋輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導(dǎo)衛(wèi)梁拉斷等現(xiàn)象后，專業(yè)測量機(jī)構(gòu)對軋機(jī)的水平輥和立輥軋制力進(jìn)行了檢測。測量值分別為：水平輥軋制力最大值8000 kN，立輥軋制力最大值3000 kN。與表1對比可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測量的軋制力遠(yuǎn)大于原始設(shè)計(jì)值，因此，必須加強(qiáng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)。水平輥裝配主要增大壓下螺絲（拉桿）的幾何尺寸，螺絲規(guī)格由TR165×10增大到TR195×10。立輥裝配考慮增加拉桿數(shù)量，即將單側(cè)2根增加為單側(cè)4根。但受空間及重量限制，初步將原2根Φ100 mm拉桿改為4根Φ80 mm拉桿。同時(shí)，根據(jù)立輥裝配的應(yīng)力線傳遞路徑可知，原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軋制力傳遞給導(dǎo)衛(wèi)梁。為改善導(dǎo)衛(wèi)梁的受力條件，將導(dǎo)衛(wèi)梁與機(jī)架的連接拉桿延長至貫通導(dǎo)衛(wèi)梁，這樣，軋制力最終將由機(jī)架拉桿和機(jī)架承擔(dān)，避免導(dǎo)衛(wèi)梁被拉斷，初步擬定導(dǎo)衛(wèi)梁拉桿直徑80 mm。綜合考慮水平輥的利舊、現(xiàn)場行車的起吊重量限制以及軋機(jī)最大外形幾何尺寸的限制，水平輥和立輥的初步改進(jìn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 萬能軋機(jī)初步改進(jìn)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

表2僅列出了方便表達(dá)的幾項(xiàng)主要參數(shù)，對于水平輥軸承座、機(jī)架、立輥機(jī)架等部件在幾何模型中亦做加強(qiáng)處理。根據(jù)表2參數(shù)、結(jié)構(gòu)對稱性和相應(yīng)的簡化方案，建立水平輥裝配和立輥裝配幾何模型（圖3、圖4），模型僅取原結(jié)構(gòu)的1/2，用于有限元分析。

3 有限元分析與進(jìn)一步優(yōu)化

將萬能軋機(jī)水平輥和立輥裝配的簡化模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)置、接觸及連接關(guān)系的簡化、分析步設(shè)置、網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置等，最后提交求解器進(jìn)行計(jì)算。

圖3 水平輥裝配幾何模型

圖4 立輥裝配幾何模型

在幾何模型簡化中，因滾動(dòng)軸承不容易處理，將其簡化為滑動(dòng)軸承，內(nèi)圈與軸之間的連接用綁定約束模擬，外圈與軸承座之間的連接用接觸屬性定義。

在有限元模型建立過程中，有2點(diǎn)需要特別注意：①接觸及連接關(guān)系的簡化。主要用綁定約束和接觸對模擬連接和接觸，其中壓下螺絲和壓下螺母的連接使用綁定約束，并且忽略螺紋，因?yàn)槁菁y處應(yīng)力及變形不是模擬的重點(diǎn)。②邊界條件的簡化原則。水平輥裝配邊界條件的簡化相對簡單，立輥裝配中立輥拉桿和機(jī)架拉桿必須考慮螺栓預(yù)緊力，在有限元軟件中應(yīng)用螺栓載荷的方法模擬預(yù)緊力[4]。另外，在預(yù)緊力施加的分析步中，需要在機(jī)架與導(dǎo)衛(wèi)梁的接觸面上添加位移約束，在外載荷完全施加的分析步中解除該位移約束。

3.1 水平輥裝配的有限元分析

水平輥裝配的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。水平輥裝配最大應(yīng)力為250.4 MPa，在水平輥輥頸上；最大變形為0.967 mm，在水平輥上。水平輥?zhàn)畲笞冃魏徒Y(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力均滿足廠家要求，因此，水平輥裝配不需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 水平輥裝配應(yīng)力

圖6 水平輥裝配位移

3.2 立輥裝配的有限元分析

立輥裝配的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。立輥裝配最大應(yīng)力為453.5 MPa，在立輥拉桿上；最大變形為2.796 mm，在立輥上。立輥?zhàn)畲笞冃魏徒Y(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力均不滿足廠家要求，因此，立輥裝配需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 立輥裝配的進(jìn)一步優(yōu)化及分析驗(yàn)證

將立輥拉桿在立輥裝配分析圖中單獨(dú)顯示，如圖9、圖10所示。立輥拉桿最大應(yīng)力為453.5 MPa，最大變形為1.518 mm。因此，需要從改變立輥拉桿結(jié)構(gòu)形式和增大立輥拉桿直徑兩方面入手，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。立輥拉桿原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖11、圖12。

圖7 立輥裝配應(yīng)力

圖8 立輥裝配位移

圖9 立輥拉桿應(yīng)力

圖10 立輥拉桿位移

圖11 立輥拉桿原結(jié)構(gòu)

圖12 立輥拉桿優(yōu)化結(jié)構(gòu)

立輥拉桿原結(jié)構(gòu)為“螺栓式”，即拉桿的一端為拉桿帽，另一端在裝配時(shí)用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿優(yōu)化結(jié)構(gòu)為“雙頭螺柱式”。即拉桿的一端為螺母和拉桿通過螺紋連接，另一端在裝配時(shí)用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿原結(jié)構(gòu)在拉桿帽與拉桿過度處增加了退刀圓角，加大了應(yīng)力集中現(xiàn)象；優(yōu)化結(jié)構(gòu)是螺母直接與拉桿通過螺紋連接，不存在退刀圓角，大大降低應(yīng)力集中程度。另外，立輥拉桿直徑由80 mm增大到90 mm，導(dǎo)衛(wèi)梁拉桿直徑由80 mm增大到90 mm。

將優(yōu)化后的立輥裝配幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件驗(yàn)證分析。立輥裝配的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見圖13、圖14。由圖示可知，立輥裝配最大應(yīng)力236.9 MPa，在立輥芯軸上；最大變形1.014 mm，在立輥上。立輥?zhàn)畲笞冃魏徒Y(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力均滿足廠家要求，優(yōu)化結(jié)果可以接受。

圖13 立輥裝配優(yōu)化應(yīng)力

圖14 立輥裝配優(yōu)化位移

上述分析均根據(jù)對稱原則，選擇裝配體的1/2進(jìn)行分析，故水平輥裝配和立輥裝配中軋輥的變形均為單側(cè)變形，計(jì)算整體變形時(shí)，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上翻倍即可。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)型鋼生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，結(jié)合改造設(shè)計(jì)的局限，分析并建立萬能軋機(jī)水平輥和立輥的力學(xué)模型。

（2）應(yīng)用有限元軟件對水平輥裝配和立輥裝配進(jìn)行裝配體仿真分析，計(jì)算得到H形鋼萬能軋機(jī)水平輥和立輥分別在8000 kN和3000 kN軋制力下的應(yīng)力和位移，并對應(yīng)力集中構(gòu)件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（3）提出萬能軋機(jī)水平輥裝配和立輥裝配有限元模擬時(shí)，接觸及連接關(guān)系的處理方法以及邊界條件的簡化原則。

（4）驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。