接坯輥道剛度分析與改進優(yōu)化

楊青松 夏麗華 李貴生

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

輥道是軋鋼車間輸送鋼坯的主要設備，其中接坯輥道用于接送從連鑄車間運輸來的坯料。某鋼鐵企業(yè)1780 mm熱軋線接坯輥道在出廠檢測發(fā)現(xiàn)變形過大，可能引起生產過程中輥道在運送板坯時工況不穩(wěn)定。這種情況下，容易造成板坯對輥子發(fā)生較大沖擊，降低輥子使用壽命和板坯質量，甚至還會引起輥道底座螺栓逐漸松動，影響正常生產[1]。為解決這一問題，結合現(xiàn)場施工條件，在接坯輥道下方的基礎上增設支撐裝置，從而提高輥道自身剛度。

1 接坯輥道工作原理

接坯輥道分布在加熱爐入爐端和出爐端，主要由輥子、輥道架、液壓缸、滾輪、固定支座、電機等組成，用于接送從連鑄車間運輸來的板坯，其結構如圖1所示。

接坯輥道右端通過銷軸鉸接，左端可通過液壓進行頂升。工作時，液壓缸動作調整輥道左端向下傾斜一定角度，使輥道左端支承在固定支座上，待板坯運輸?shù)浇优鬏伒雷蠖溯伱嫔虾螅簤焊自賱幼鲙訚L輪頂升輥道，使輥道面水平，然后運送板坯致后面輥道。接坯輥道的部分工藝參數(shù)如下：

輥距：1200 mm

輥子數(shù)量：13個

板坯寬度：800～1650 mm

板坯長度：4500～11000 mm

板坯最大重量：32.56 t

輥道自重：58.5 t

輥道總長：15 320 mm

1—輥子 2—輥道架 3—液壓缸 4—滾輪 5—固定支座圖1 接坯輥道結構示意圖Figure 1 Configuration of transmission roller table

2 問題分析與改進措施

2.1 存在的問題及分析

某鋼鐵企業(yè)1780 mm熱軋線在出廠檢測時，發(fā)現(xiàn)裝配后的所有接坯輥道空載均存在變形過大的情況，最大變形達到9 mm。技術規(guī)范中要求的空載輥面驗收標準為±1 mm，后期輥子安裝時，輥道架過大的變形難以通過墊片調整來補償，從而使輥面標高無法達到驗收要求。接坯輥道變形大小主要是由輥道架自身剛度決定，輥道架剛度一般可通過增加鋼板厚度、增加輥道架高度、增設加強筋等措施來提高，但輥道架已制造完成的情況下，難以通過這些方式來實現(xiàn)。接坯輥道存在剛度不足的問題會直接影響設備運行的穩(wěn)定性，引起板坯與輥子發(fā)生較大沖擊，造成輥子磨損加重，甚至帶來安全隱患。

2.2 優(yōu)化與改進措施

解決接坯輥道剛度問題應考慮設備運行的所有工況。運行過程中，接坯輥道存在傾斜與水平兩種工況，兩種工況均可簡化為一種帶懸臂的簡支梁結構，如圖2所示，B點為鉸接支點，水平工況下A點為液壓支承，傾斜工況下A點為固定支承，接坯輥道變形量最大的位置為兩支撐鉸中心，即圖中C點。但輥道水平工況下的a值較小(水平工況a=1765 mm，傾斜工況a=4320 mm)，中心C處的撓度更大，車間現(xiàn)場檢測空載下的最大變形量為9 mm，所以提出的改進措施要優(yōu)先保證水平工況的變形量滿足要求。

圖2 接坯輥道結構簡圖Figure 2 General structure of transmission roller table

接坯輥道變形過大主要是由輥道架剛度不夠造成的，在輥道已經制造成型的情況下，難以通過增加板厚或加強筋的方式提高剛度。所以，提出了在中心C點下方直接增設支撐裝置的方案，在水平與傾斜工況下支撐裝置均施加支承力，但要考慮傾斜工況下支承力不宜過大，避免出現(xiàn)A點與固定支承不接觸的情況。支撐裝置方案如圖3所示，支撐裝置中的緩沖器安裝在基礎上，輪子安裝在輥道架上，輥道水平或傾斜時，輪子均壓緊緩沖器。由于接坯輥道在寬度方向上對稱，故在C點下方設置兩組支撐裝置。當接坯輥道水平時，緩沖器壓縮k1，緩沖力F1；當接坯輥道傾斜時，緩沖器壓縮k2，緩沖力F2。

圖3 支撐裝置結構示意圖Figure 3 Configuration of supporting device

根據(jù)接坯輥道結構布置圖2，LBC=5900 mm，輥道傾斜工況角度約1.16°，現(xiàn)計算輥道水平到傾斜時緩沖器壓縮量變化值d為：

d=k2-k1=LBC·tan1.16°≈120 mm

空載時，接坯輥道僅受自重G，假設A點支反力FA=0，接坯輥道另一端完全支承在C點上，計算此處每個緩沖器支反力FC：

考慮支撐裝置只是為了提高輥道剛度，輥道的主要重量依然由支點A、B承受，在滿足條件下盡可能設置較小的支撐結構。所以，本方案選擇每個緩沖器在輥道水平時壓縮行程為200 mm，靜載荷約110 kN，在輥道傾斜時壓縮行程為320 mm，靜載荷約180 kN。即輥道水平時支撐裝置可提供的支承力為F1=110 kN，輥道傾斜時支撐裝置可提供的支承力為F2=180 kN。

3 有限元仿真校核

3.1 接坯輥道仿真模型

通過分析可知，接坯輥道在水平工況下剛度較弱，故以此工況建立三維模型，運用大型有限元軟件Abaqus進行剛度與強度仿真分析。仿真計算時，將輥子、電機、蓋板、配管等自重均施加在輥道架上，以最大板坯重量作為載荷條件，同時考慮輥道上的板坯存在彎曲現(xiàn)象，加載時，極端情況下輥道中心C處只有兩根輥子承受整個板坯的重量。另外，為提高仿真分析的工作效率，采用半模型進行計算，如圖4所示。

(a)空載時

3.2 有限元仿真結果

通過仿真計算得到等效應力、應變云圖，如圖5～8所示。由結果可知，接坯輥道最大變形量均發(fā)生在兩輥道中心位置，最大等效應力與最大豎向變形見表1。

圖5 空載時等效應力云圖Figure 5 Equivalent stress nephogram without load

圖6 空載時豎直方向變形云圖Figure 6 Vertical deformation nephogram without load

圖7 板坯運輸時等效應力云圖Figure 7 Equivalent stress nephogram in the condition of slab transmission

圖8 板坯運輸時豎直方向變形云圖Figure 8 Vertical deformation nephogram in the condition of slab transmission

表1 有限元仿真應力與變形極值Table 1 Finite element simulation of stress and deformation extremum

從計算結果可以看出，增加支撐裝置對改善接坯輥道剛度有顯著作用，輥道中心最大變形由空載的9 mm減小到2.75 mm，大大降低了輥道架的變形，后期現(xiàn)場安裝時，很容易通過墊片調整達到輥面標高要求。同時，所有工況下的應力水平都控制在材料許用范圍內，安全系數(shù)高。

4 結語

對1780 mm熱軋線接坯輥道在出廠時提出的增設支撐裝置方案，大大提高了輥道剛度，方便后期通過墊片調整來滿足輥面標高要求；通過有限元仿真計算對改進方案進行驗證，使產品最終滿足用戶要求。此外，采用支撐裝置方案對以后的接坯輥道設計具有一定指導意義。