王赤 隋靜博 王蕾 張杰君

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京 100176）

1 前言

帶鋼在平整軋制的過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)工作輥兩端在帶鋼之外接觸的現(xiàn)象，稱為工作輥端部壓靠［1，2］。特別是在平整軋制薄窄帶鋼的時(shí)候，經(jīng)常出現(xiàn)在常規(guī)設(shè)定值的軋制力下，實(shí)際獲得的帶鋼延伸率遠(yuǎn)低于所需值的工況，其實(shí)在這種情況下已經(jīng)發(fā)生了輥端壓靠現(xiàn)象。工作輥端部接觸會(huì)消耗掉本應(yīng)該作用在帶鋼上的一部分軋制力，導(dǎo)致帶鋼實(shí)際所得的延伸率低于所需值。所以建立平整軋制時(shí)工作輥端部模型，分析影響端部壓靠的因素，對(duì)消除工作輥端部壓靠、提高軋制效率有著重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。

目前求解工作輥輥端壓靠的主要方法有影響函數(shù)法和通用有限元，它們各有優(yōu)勢(shì)，在不同的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用［3，4］。本文涉及的是一種利用通用有限元來研究工作輥壓靠的方法，分析了不同因素對(duì)工作輥壓靠的影響，為平整工藝提供了可以借鑒的理論依據(jù)。

2 模型建立

有限單元法目前是離線仿真計(jì)算工作輥輥端壓靠的主流手段，因?yàn)樵谲堓伵c軋件的變形計(jì)算方面，有限單元法是目前最精確的仿真計(jì)算手段。

常用的通用軟件有ANSYS、MARC等，許多學(xué)者運(yùn)用通用有限元進(jìn)行了仿真研究［5-7］，取得了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。有限單元法對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和存儲(chǔ)空間大小均要求很高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。本文選擇ANSYS軟件進(jìn)行工作輥輥端壓靠分析，通過仿真計(jì)算可以得到典型工況下的軋制力分布與承載輥縫的形狀。

2.1 實(shí)體模型與網(wǎng)格劃分

平整機(jī)的靜力學(xué)有限元模型包括上下支承輥、上下工作輥和軋件，如圖1所示。軋輥內(nèi)部的網(wǎng)格劃分稀疏，軋輥表層及輥間接觸區(qū)域劃分較細(xì)。對(duì)于帶凸度的軋輥輥形或特殊曲線的輥形，先創(chuàng)建一些關(guān)鍵點(diǎn)，然后生成樣條曲線，旋轉(zhuǎn)樣條曲線形成的面為輥身表面，通過設(shè)定關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)就可以給定軋輥輥形［8］。

2.2 載荷與約束

軋輥軸承和輥頸間存在復(fù)雜的接觸關(guān)系，不考慮軋輥軸承和輥頸間的載荷偏移，軸承合力作用點(diǎn)位于軸承中心線，軋制力、彎輥力用集中力作用在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)來表示。上支承輥兩側(cè)軸端的軸承中心線位置上，根據(jù)厚度控制方式中的位置控制給約束，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上施加豎直方向的約束。

2.3 接觸

支承輥與工作輥之間設(shè)置接觸對(duì)、工作輥與帶鋼之間設(shè)置接觸對(duì)，上下工作輥之間設(shè)置接觸對(duì)。

初始接觸條件的困難在于，在靜力分析中，當(dāng)物體沒有足夠的約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng)，可能引起錯(cuò)誤而終止計(jì)算。在僅僅通過接觸來約束剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須保證在初始幾何體中，接觸對(duì)是接觸的，換言之，要建立模型以便接觸對(duì)是“剛好接觸”的。本文的處理方式是根據(jù)計(jì)算精度的需要設(shè)置合理的ICONT和CNOF以滿足剛好接觸的條件［8］。

FTOLN為拉格朗日算法指定容許的最大滲透范圍，如果程序發(fā)現(xiàn)滲透大于此值時(shí)，即使不平衡力和位移增量已經(jīng)滿足了收斂準(zhǔn)則，總的求解仍被當(dāng)作不收斂處理。為了保證在計(jì)算薄軋件時(shí)收斂（H=0.2mm），工作輥表層單元厚度為2mm，F(xiàn)TOLN的值設(shè)置為-0.0005。

3 模擬結(jié)果

通過分析不同工況下的仿真結(jié)果，就可以得出不同因素對(duì)工作輥壓靠的影響大小，這些因素包括幾何因素和工藝條件。幾何因素包括輥身長(zhǎng)度、輥徑、帶鋼寬度和厚度等，工藝條件包括軋制力、彎輥力等。

3.1 仿真工況

根據(jù)產(chǎn)品大綱中的帶鋼寬度范圍適當(dāng)調(diào)整帶鋼寬度并選擇3種具代表性的寬度，輥徑只考慮支承輥、工作輥都為最大輥徑的配合與都為最小輥徑的配合這兩種情況，計(jì)算工況見表1。

表1 不同因素的組合

作用在軋件上的軋制力稱為有效軋制力FS，有效軋制力FS、壓靠力FC、工作輥彎輥力BFW的總和為總軋制力F。壓靠力FC與總軋制力F的比定義為壓靠比η。

總軋制力F和壓靠比η如公式（1）、（2）所示：

3.2 工作輥彎輥力

工作輥彎輥力對(duì)端部壓靠的影響如圖2所示，工作輥彎輥力為-35t、0t、50t時(shí)分別對(duì)應(yīng)的壓靠比η為22.6%、6.9%、0.0%。隨著彎輥力的增加，壓靠比在逐漸減小，說明增加彎輥力可以減小工作輥端部壓靠［9］。當(dāng)模擬工況使用最大正彎輥力50t時(shí)，端部壓靠為比為零，此時(shí)端部壓靠力FC亦為零，端部壓靠消除。適當(dāng)?shù)恼龔澼伭梢韵瞬繅嚎康默F(xiàn)象。

圖2 工作輥彎輥對(duì)端部壓靠的影響

3.3 總軋制力

總軋制力對(duì)端部壓靠的影響如圖3所示，總軋制力為0.4t／mm、0.5t／mm、0.6t／mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)的壓靠比η為3.0%、6.9%、9.5%。隨著軋制力的增加，壓靠比在逐漸增大，并且壓靠力的變化與軋制力的變化近似成正比。說明此時(shí)端部壓靠力FC亦逐漸增大，故增加總軋制力不僅不能減小端部壓靠的現(xiàn)象，反而更加加劇工作輥端部壓靠的發(fā)生。

圖3 總軋制力對(duì)端部壓靠的影響

3.4 帶鋼寬度與厚度

帶鋼度對(duì)端部壓靠的影響如圖4所示，帶鋼寬度為880mm、1040mm、1200mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)的壓靠比η為11.2%、6.9%、2.2%。帶鋼厚度對(duì)端部壓靠的影響如圖5所示，帶鋼厚度為0.2mm、0.25mm、0.3mm 時(shí) 分 別 對(duì) 應(yīng) 的 壓 靠 比η 為6.9%、2.5%、0.0%。此模擬工況的結(jié)論表明，薄窄的帶鋼更容易發(fā)生壓靠現(xiàn)象。

圖4 帶鋼寬度對(duì)端部壓靠的影響

圖5 帶鋼厚度對(duì)端部壓靠的影響

3.5 軋輥輥徑

軋輥輥徑對(duì)端部壓靠的影響如圖6所示，大輥徑配合和小輥徑配合分別對(duì)應(yīng)的壓靠比η為6.9%、8.4%，說明小輥徑更容易發(fā)生壓靠現(xiàn)象，但是相對(duì)上述其它因素來說，軋輥輥徑對(duì)壓靠的影響相對(duì)較弱，大小輥的壓靠比差別不大。

圖6 軋輥輥徑對(duì)端部壓靠的影響

4 結(jié)論

（1）利用有限元軟件，建立了計(jì)算工作輥端部壓靠的靜力學(xué)有限元模型，既能考慮輥系的彈性變形又考慮了軋件的塑性變形，可以分析不同因素對(duì)軋件厚度、軋件凸度和工作輥壓靠的影響。

（2）從仿真結(jié)果可以看出，生薄窄的帶鋼時(shí)，工作輥輥端更容易發(fā)生壓靠現(xiàn)象。軋制力增加，工作輥輥端壓靠現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，而工作輥輥徑大小對(duì)壓靠的影響相對(duì)較小。施加適當(dāng)?shù)墓ぷ鬏佌龔澚梢詼p小或消除工作輥輥端的壓靠。

（3）當(dāng)軋件更薄時(shí)，工作輥輥端壓靠現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。出于減小輥耗、延長(zhǎng)工作輥和工作輥軸承的使用壽命的考慮，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)使用合適的工作輥輥形，在端部形成間隙，避免在軋制工程中發(fā)生端部壓靠。實(shí)際生產(chǎn)過程中，使用合適的工作輥正彎輥力，使工作輥輥端壓靠保持在一個(gè)合理的、可以接受的水平。