UCM冷軋機剛度有限元分析

伍 毅，周云節(jié) ,朱 瀟

(1.安徽工業(yè)大學機械工程學院，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)大學機械工程學院，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冷軋機工作原理及性能特點，建立了UCM冷軋機工作機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)動等因素帶來的輥系不對稱缺陷，極大提高了計算精度及結(jié)果可信度。以1 MN為步進，自3 MN施加軋制力至15 MN，得到13個工況下的壓上缸行程，進而計算冷軋機剛度系數(shù)。將有限元計算剛度系數(shù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)計算的剛度系數(shù)做對比，誤差為0.963%，誤差極小。則有限元計算結(jié)果可為軋機的剛度設計提供可靠的科學依據(jù)。

UCM；冷軋機；有限元；剛度

0 前言

UCM 軋機是新一代具有更強板形控制能力的冷軋薄板軋機[1-3]，其在世界上得到廣泛應用，其具有以下性能特點[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。軋機配備有帶鋼凸度控制功能和高的橫向軋機剛度穩(wěn)定性，通過工作輥正中間輥彎輥、中間輥正彎、中間輥竄動、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)機架中的工作輥和中間輥可在保留帶鋼的情況下實現(xiàn)自動換輥，生產(chǎn)率較高；

(3)機架頂部設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軋制水平恒定不變，并設備了位移傳感器進行測量和控制；

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

UCM軋機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。本文借助有限元軟件ANSYS，對UCM冷軋機進行剛度分析，為將來軋機的優(yōu)化和改造提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

許多學者對軋機剛度進行了細致的研究，得到了許多有價值的結(jié)果[8,9]。但其建模時，多采用簡化模型，即在單片機架上加載，等同其理論剛度。但實際上，由于中間輥橫移，中間輥輥形不對稱，輥系單側(cè)驅(qū)動等多重因素影響，UCM冷軋機輥系處于嚴重非對稱狀態(tài)，其兩側(cè)機架剛度不可能完全一致[10,11]。通過整體建模分析，可全面、準確地計算UCM冷軋機剛度。

1.1 實體模型簡化及有限元建立

但Sarah顯然摸索到了適合自己的道路，并做得很成功。學藝術出身的她找到了將自己所學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計的酒杯系列，甚至有可能在中國內(nèi)地舉辦數(shù)次個人畫展。正如Sarah說的：“大多數(shù)亞洲的女性葡萄酒大師都在經(jīng)營著自己的事業(yè)，我們都是獨立的個體并走在屬于自己的道路上?！?/p>

本文根據(jù)設備的實際情況建立了UCM軋機三維模型，并且對模型進行了適當?shù)暮喕?。軋機牌坊、輥系根據(jù)設備的實際模型建模不做任何簡化，將軸承座與軸承、壓上缸與牌坊簡化為一個整體，并且忽略設備中的液壓系統(tǒng)。根據(jù)實際工況測量的數(shù)據(jù)可得，對寬度為1 575 mm的板材進行軋制時的最大軋制力14.6 MN。輥系尺寸為：工作輥直徑Φ385 mm～Φ425mm，輥身長度1 720 mm；中間輥直徑Φ440 mm～Φ490 mm，輥身有效長度1707.5 mm；支撐輥直徑Φ1150 mm～Φ1300 mm，輥身長度1720 mm。在建立軋機輥系時，輥系按最小直徑建模，中間輥竄輥量設定為0 mm。

對導入ANSYS中的軋機各部位材料模型進行定義。其材料屬性如表1所示。

由于Solid187實體單元有中間節(jié)點，求解精度更高，且其為四面體單元，可劃分各種復雜結(jié)構(gòu)，故使用10節(jié)點的Solid187實體單元劃分網(wǎng)格。軋機不同部位的網(wǎng)格疏密程度不同，軋輥、軸承座采取手動控制劃分且網(wǎng)格較密，其余部位采取手動、自由相結(jié)合方式劃分。特別注意對接觸處及過渡圓角、倒角處進行局部細化，防止由于網(wǎng)格粗大引起的局部應力集中，導致應力值異常偏大。冷軋機工作機座有限元模型如圖1所示，整個軋機模型劃分出605 165個單元， 870 818個節(jié)點。

表1 材料屬性

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

1.2 接觸分析

整個冷軋機分析模型共設置了44對接觸對。接觸單元選擇CONTAC174，目標單元選擇與之相配合的TARGET170單元。根據(jù)冷軋機接觸特點，并結(jié)合實際工況，所有的接觸對都采取柔體面-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)場壓靠實驗時，冷軋機加載實際狀況，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，自3 MN加載至15 MN，以寫載荷步的方式，一次完成計算。將地腳螺栓所有的自由度都進行約束，并約束軋輥驅(qū)動側(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。冷軋機加載、約束如圖2所示。

表2 接觸部位及數(shù)量

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

2 剛度計算結(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應位置的位移，進行相應計算，結(jié)果見表3。

表3 冷軋機剛度計算結(jié)果

根據(jù)調(diào)取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，軋制力約為8 MN。故對軋制力為8 MN左右的剛度進行計算，得到軋機總剛度。

Kc=K1+K2=4.4585 MN/mm

(1)

式中，K1為軋機傳動側(cè)剛度，K1=1.9855 MN/mm；K2為軋機操作側(cè)剛度，K2=2.473 MN/mm；Kc為軋機總剛度。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

調(diào)取現(xiàn)場軋制數(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，軋機壓下系統(tǒng)壓下量變化曲線，單位為1 μm。

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

當軋制力由7.656 MN上升到8.208 MN時，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)的兩個軋制力，P1=8.208 MN，P2=7.656 MN；S1、S2分別為與P1、P2相對應的輥縫位置，S1=1.320 mm,S2=1.195 mm；ΔP=0.552 MN，ΔS=0.125 mm。

現(xiàn)場剛度系數(shù)與數(shù)值計算剛度系數(shù)誤差

4 結(jié)論

(1)按照本文的簡化方式所建立的UCM冷軋機分析模型在計算剛度時，其力學模型更符合現(xiàn)場實際工況。

(2)使用有限元軟件ANSYS計算了工作機座剛度，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對，誤差為0.963%，誤差極小。計算結(jié)果可為軋機的剛度設計提供可靠的科學依據(jù)。

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

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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

國家自然科學基金資助項目(51375014)

伍毅(1965-)，副教授，碩士。研究方向為機械系統(tǒng)檢測及冶金設備。

TG333.7;TH122

A

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