基于PRO/E和ANSYS的熱軋H型鋼萬能軋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

王春香 劉欣玉 劉瑞 賈尚武

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，安徽 蕪湖 241000;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032)

H型鋼是一種斷面形狀類似于字母H的型材，屬于經(jīng)濟(jì)斷面型鋼。目前，H型鋼有熱軋和焊接2大類，主要用于橋梁建設(shè)、工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)件及高層建筑等［1］，其中熱軋H型鋼是一種高效的建筑用型材。1902年盧森堡最早研制出H型鋼生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)線，至今已有上百年歷史。目前國內(nèi)主要投產(chǎn)的H型鋼熱軋生產(chǎn)線主要出自馬鋼、包鋼、鞍鋼、萊鋼、日照鋼鐵等企業(yè)［1］。

某公司新建的熱軋H型鋼生產(chǎn)線，所用萬能軋機(jī)為外購淘汰軋機(jī)。根據(jù)新產(chǎn)品要求，本次研究主要對此軋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計軋機(jī)主要零部件(包括機(jī)架、軸承座)。

1 萬能軋機(jī)三維模型建立

某公司新建的熱軋H型鋼生產(chǎn)線為半連續(xù)布置，開坯與萬能軋機(jī)機(jī)組均獨立工作，并采用“1-3-1”布置形式，即由1架二輥開坯機(jī)、3架萬能軋機(jī)和1架軋邊機(jī)組成。具體工藝流程為:送入連鑄坯或鋼錠→加熱→開坯軋制→鋸頭切尾→萬能軋機(jī)粗軋→萬能軋機(jī)精軋→冷卻→輥矯→檢查、分選→打印、堆剁→打捆→推出產(chǎn)品。萬能軋機(jī)機(jī)組包括2架萬能軋機(jī)(UR)、1架軋邊機(jī)(E)組成的串列式萬能粗軋機(jī)組和1架萬能精軋機(jī)組(UF)。圖1所示為1-3-1車間總體布置圖。

圖1 1-3-1車間總體布置圖

本次研究所用原料為近終形連鑄異型坯。根據(jù)公司提供的產(chǎn)品規(guī)格及軋制工藝參數(shù)，計算出精軋軋制力為11.436 t，具體計算過程可參考文獻(xiàn)［2］。圖2所示為軋件坯料規(guī)格和萬能精軋機(jī)三維圖［3-4］。

圖2 軋件坯料規(guī)格和萬能精軋機(jī)三維圖

對萬能精軋機(jī)及其重要零部件的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行分析，圖3所示為軋機(jī)重要零部件三維模型圖，主要包括機(jī)架、上軸承座和下軸承座。

圖3 軋機(jī)零部件三維模型圖

2 軋機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

軋機(jī)是軋制生產(chǎn)線上的重要設(shè)備之一，主要由機(jī)架、軋輥、軋輥調(diào)整裝置、軸承、軸承座、導(dǎo)位、平衡裝置、換輥裝置等零部件組成。軋制過程中，軋件直接接觸軋輥，軋制力通過軋輥傳給軸承、軸承座及機(jī)架。軋機(jī)零部件必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以避免過大的彈性變形，甚至塑性變形［5］。

優(yōu)化設(shè)計前的軋機(jī)為外購萬能軋機(jī)，其機(jī)架及軸承座損壞嚴(yán)重。為了節(jié)約成本，在原有軋機(jī)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小了機(jī)架和軸承座尺寸。

機(jī)架材料:選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E=2.09 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服強(qiáng)度 σs=250 MPa。

軸承座材料:選用鑄鋼，彈性模量E=1.92×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服強(qiáng)度 σs=740 MPa。

2.1 機(jī)架及軸承座有限元分析

本次研究中的萬能精軋機(jī)最大軋制力為11.736 t，由于軋機(jī)有2個機(jī)架，且對稱布置，因此軋件通過每個軸承座施加給機(jī)架的力為5.718 t。為了簡化計算，忽略軋機(jī)的螺栓連接，設(shè)置為體連接，將前述軋機(jī)三維模型直接導(dǎo)入ANSYS軟件，確定材料屬性及約束條件后，施加軋制力，獲得了軋機(jī)零部件所有節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和受力前后變形狀態(tài)。機(jī)架變形有限元分析結(jié)果如圖4所示［6］。

圖4a為機(jī)架受力前后的變形狀態(tài)，其中，機(jī)架y方向(受力方向)最大位移為0.026 mm，機(jī)架各部位y方向位移分布，如圖4b所示。機(jī)架最大等效應(yīng)力為0.443 MPa，機(jī)架各部位等效應(yīng)力分布，如圖4c所示。分析顯示，機(jī)架應(yīng)力、位移較小，結(jié)構(gòu)剛度較高，未發(fā)生明顯彈性變形。

圖4 機(jī)架變形有限元分析示意圖

圖5所示為上軸承座變形狀態(tài)，圖6所示為下軸承座變形狀態(tài)。上軸承座y方向最大位移為0.049 mm，上軸承座最大等效應(yīng)力為2.659 MPa;下軸承座y方向最大位移為0.001 mm，下軸承座最大等效應(yīng)力為2.299 MPa。分析顯示，上下軸承座的應(yīng)力、位移較小，剛度高，未發(fā)生明顯彈性變形，無塑性變形，滿足結(jié)構(gòu)要求。

2.2 軋機(jī)有限元分析

為驗證軋機(jī)整體結(jié)構(gòu)性能，研究了軋機(jī)裝配整體結(jié)構(gòu)性能。圖7所示為軋機(jī)受力前后變形狀態(tài)，圖8為軋機(jī)變形狀態(tài)。軋機(jī)y方向最大位移為0.049 mm，軋機(jī)最大等效應(yīng)力為 3.181 MPa。分析顯示，軋機(jī)整體位移、應(yīng)力較小，整體剛度高，完全滿足軋制過程性能要求。

圖5 上軸承座變形狀態(tài)

圖6 下軸承變形狀態(tài)

圖7 軋機(jī)受力前、后變形狀態(tài)

圖8 軋機(jī)變形狀態(tài)

3 結(jié)語

本次研究借助于PRO/E進(jìn)行某萬能精軋機(jī)主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，借助于ANAYS軟件分析軋機(jī)、機(jī)架及上下軸承的受力變形狀態(tài)。

(1)軋機(jī)y方向最大位移為0.049 mm，最大等效應(yīng)力為3.181 MPa，因此軋機(jī)整體未發(fā)生明顯彈性變形，剛度高，結(jié)構(gòu)可靠。

(2)機(jī)架y方向最大位移為0.026mm，上軸承座y方向最大位移為0.049 mm，下軸承座y方向最大位移為0.001 mm?？芍?，軋機(jī)主要零部件彈性變形小，剛度高。

(3)機(jī)架最大等效應(yīng)力為0.443 MPa，上軸承座最大等效應(yīng)力為2.659 MPa，下軸承座最大等效應(yīng)力為2.299 MPa。可知，軋機(jī)主要零部件應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，未發(fā)生破壞性塑性變形。

考慮到主要分析的是軋機(jī)關(guān)鍵部位(機(jī)架、上軸承座和下軸承座)，分析過程中簡化忽略了壓下絲杠、螺栓連接等部件結(jié)構(gòu)。實際使用過程中，需要校核其他零部件，以避免軋制過程零部件損壞。

［1］林鎮(zhèn)鐘.熱軋H型鋼的技術(shù)進(jìn)步和在馬鋼H型鋼生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］.鋼鐵，2000，35(6):94-95.

［2］趙景云，臧勇.H型鋼萬能軋制力計算方法［J］.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，44(5):1829-1836.

［3］高翔，胡淼.框式熱壓機(jī)機(jī)架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計，2009，26(4):62-64.

［4］湯宏海，李友榮.四輥軋機(jī)機(jī)架有限元分析［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報，2009，32(2):149-153

［5］陳偉，朱國明，康永林.H型鋼X-H三機(jī)架往復(fù)連軋過程三維有限元分析［J］.塑性工程學(xué)報，2007，14(4):110-114.

［6］卜勇力，劉才，趙文才.H型鋼軋制過程三維彈塑性大變形有限元模擬［J］.鋼鐵研究學(xué)報，1999，11(4):22-25.