劉 智，何 薇，高文昀，伍 毅，王孝義

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車(chē)輪公司，安徽 馬鞍山 243000;2.北方信息控制集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000;3.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000;4.安徽工業(yè)大學(xué)科研處，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠(chǎng)冷軋薄板生產(chǎn)線(xiàn)于2005年投產(chǎn)，從日本MHI(三菱-日立制鐵機(jī)械株式會(huì)社)公司引進(jìn)的1720HC冷連軋機(jī)組采取4機(jī)架無(wú)頭連續(xù)軋制工藝。主要產(chǎn)品有:低合金高強(qiáng)度鋼板、低碳鋼板、超低碳鋼板等。設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力152.8萬(wàn)t，產(chǎn)品厚度范圍為 0.3～2.50 mm，寬度范圍為 900 ～1575 mm。

馬鋼冷軋機(jī)屬于HC軋機(jī)家族中的UCM軋機(jī)，UCM軋機(jī)是在HC軋機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)并具有較強(qiáng)板形控制能力的冷軋薄板軋機(jī)［1-3］，在世界上得到廣泛應(yīng)用，其具有以下特點(diǎn)［4-7］。

(1)具有大的橫向剛度。工作輥可實(shí)現(xiàn)正負(fù)彎輥，中間輥可實(shí)現(xiàn)正彎輥。由于中間輥一端為懸臂結(jié)構(gòu)，所以用很小的彎輥力就能明顯改變工作輥撓度。當(dāng)中間輥位置適當(dāng)，即在 NCP點(diǎn)(Non Control Point)時(shí)，工作輥撓度可不受軋制力變化的影響，此時(shí)軋機(jī)橫向剛度可調(diào)至無(wú)限大。

(2)擴(kuò)大了輥型調(diào)整范圍。由于中間輥位置可以移動(dòng)，即使工作輥原始凸度為零，配合液壓彎輥也可在較大范圍內(nèi)調(diào)整輥型，因此可減少換輥、磨輥次數(shù)，及備用輥數(shù)量。

(3)機(jī)架底部設(shè)置了液壓壓上裝置，在壓上油缸體上安裝了壓力馬達(dá)閥用來(lái)提高厚度控制響應(yīng)速度，并設(shè)置了位置傳感器;

(4)采用小直徑工作輥，大壓下量，減少軋制道次、軋機(jī)數(shù)量及中間退火次數(shù)。顯著減弱邊部減薄現(xiàn)象。

基于以上特點(diǎn)，HC軋機(jī)在板形控制方面有巨大優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)利用有限元軟件ANSYS，對(duì)冷軋機(jī)進(jìn)行最大軋制力下應(yīng)力應(yīng)變分析和強(qiáng)度計(jì)算，為將來(lái)以提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量為目的的優(yōu)化和改造提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

研究軋鋼設(shè)備的靜態(tài)特性等常用有限元方法，因其計(jì)算精度高，目前在理論及工程計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 實(shí)體模型簡(jiǎn)化及有限元模型建立

本文根據(jù)設(shè)備圖紙，適當(dāng)簡(jiǎn)化后建立HC軋機(jī)三維模型。為更加符合軋制過(guò)程，建模時(shí)注意將軋輥上與軋件的接觸面切割下來(lái)以施加軋制力(圖1)，而不是按照常規(guī)的簡(jiǎn)化分析方法，在線(xiàn)上施加軋制力。軋機(jī)牌坊、輥系嚴(yán)格按圖紙建模不做任何簡(jiǎn)化，其余地方適當(dāng)簡(jiǎn)化，如軸承座與軸承固結(jié)在一起，壓上缸與牌坊固結(jié)在一起，省略其余液壓系統(tǒng)等。為研究軋機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性及強(qiáng)度、剛度特性，需在工作輥上加載最大軋制力。按現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，軋制1 575 mm寬度板材時(shí)有最大軋制力14.6 MN。輥系尺寸為:工作輥直徑φ385～φ425 mm，輥身長(zhǎng)度1 720 mm;中間輥直徑φ440～φ490 mm，輥身有效長(zhǎng)度1 707.5 mm;支撐輥直徑φ1 150～φ1 300 mm，輥身長(zhǎng)度1 720 mm。出于研究冷軋機(jī)強(qiáng)度特性的需要，輥系按最小直徑建模。

將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，輸入材料屬性。冷軋機(jī)支承輥、中間輥、工作輥的材料為特殊鍛鋼，鉻含量3%以上;支承輥軸承座、中間輥軸承座、工作輥軸承座的材料為ZG 270-500;牌坊的材料為ZG 230-450。冷軋機(jī)各部位材料屬性如表1所示。

使用10節(jié)點(diǎn)的Solid187實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。對(duì)軋輥、軸承座采用手動(dòng)控制劃分，其余部位采取自由劃分，特別注意對(duì)接觸處及過(guò)渡圓角、倒角處進(jìn)行細(xì)化。冷軋機(jī)工作機(jī)座有限元模型如圖2所示。其中，X向?yàn)樗椒较?軋制方向)，Y向?yàn)橹亓Ψ较?，Z向?yàn)檩佅递S向。有限元模型單元總數(shù)282050個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)450190個(gè)。

表1 材料屬性Tab.1 Properties of material

1.2 接觸分析

接觸問(wèn)題是一種高度的狀態(tài)非線(xiàn)性行為。對(duì)冷軋機(jī)內(nèi)的聯(lián)接裝置，采用擴(kuò)展的拉格朗日算法和庫(kù)侖摩擦模型計(jì)算摩擦接觸問(wèn)題。擴(kuò)展的拉格朗日算法為了找到精確的拉格朗日乘子，需要對(duì)罰函數(shù)修正項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)迭代，與罰函數(shù)方法相比，拉格朗日方法不易引起病態(tài)條件，對(duì)接觸剛度變化的靈敏度較?。?-9］。

冷軋機(jī)有限元分析模型共有56處應(yīng)用了接觸對(duì)。由于Solid187實(shí)體單元是有中間節(jié)點(diǎn)的單元類(lèi)型，所以三維接觸單元選擇CONTAC174，目標(biāo)單元選用與CONTAC174單元配對(duì)的TARGET170單元，針對(duì)冷軋機(jī)接觸特點(diǎn)，均采用了柔體面-柔體面的接觸類(lèi)型，即默認(rèn)了接觸和目標(biāo)面都允許變形。通過(guò)這種接觸模型來(lái)保證接觸問(wèn)題的真實(shí)性和正確性。所涉及的接觸部位及數(shù)量見(jiàn)表2。

圖1 工作輥與軋件接觸面的切割處理及其加載Fig.1 Cutting handling of contact surface between working roll and strip with loading

圖2 HC軋機(jī)工作機(jī)座有限元模型Fig.2 FEM of HC Cold Mill Housing

表2 接觸部位及數(shù)量Tab.2 Contact spot and numbers

1.3 施加載荷、邊界條件及求解

根據(jù)軋件最大寬度，切割下的工作輥與軋件接觸面長(zhǎng)為1 575 mm，在上面施加相應(yīng)軋制力14.6 MN。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，竄輥量0 mm，中間輥彎輥力330 kN，工作輥彎輥力340 kN，將其施加到相應(yīng)的軸承座上。

根據(jù)冷軋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作情況，對(duì)地腳螺栓施加全約束;對(duì)軋輥驅(qū)動(dòng)側(cè)施加周向約束及軸向約束。軸承座由接觸面間的摩擦力進(jìn)行約束。

2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 輥系應(yīng)力應(yīng)變分析

在軋制力和彎輥力作用下，由圖3和圖4可以看出，輥間應(yīng)力水平較高。冷軋機(jī)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在下工作輥與下中間輥傳動(dòng)端輥身邊緣接觸處，最大值為864 MPa(圖4a、b)。

圖3 冷軋機(jī)工作機(jī)座Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises equivalent stress of Housing

圖4 軋輥Mises應(yīng)力云圖Fig.4 Mises equivalent stress of rolls

由圖4可知冷軋機(jī)等效應(yīng)力為最大值864 MPa，是由應(yīng)力集中造成。由表1可知，該最大應(yīng)力值小于材料抗拉強(qiáng)度。冷軋機(jī)次大應(yīng)力出現(xiàn)在上工作輥與上中間輥接觸處，次大應(yīng)力值824 MPa(圖4c)。

輥系Y方向變形如圖5所示。對(duì)上下工作輥與軋件接觸處沿軸向由驅(qū)動(dòng)側(cè)至操作側(cè)進(jìn)行路徑映射，得到其Y向變形曲線(xiàn)(圖6)。理論上，輥系變形應(yīng)當(dāng)沿輥身中心線(xiàn)兩側(cè)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。但實(shí)際上，由于中間輥橫移，中間輥輥形不對(duì)稱(chēng)，輥系單側(cè)驅(qū)動(dòng)等多重因素影響，輥系處于嚴(yán)重非對(duì)稱(chēng)狀態(tài)［10］，導(dǎo)致工作輥承受的軋制力并不是沿其中心兩側(cè)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)分布。由圖6可見(jiàn)，基于HC軋機(jī)優(yōu)異的凸度控制性能，特別是中間輥橫移設(shè)計(jì)、工作輥及中間輥的液壓彎輥設(shè)計(jì)，有載輥縫并沒(méi)有明顯的邊降，輥縫曲線(xiàn)較為平滑，基本對(duì)稱(chēng)。取距邊部78.75 mm區(qū)域?yàn)檫叢繙p薄區(qū)，這樣邊部減薄區(qū)寬度占帶鋼寬度比例為10%［11］，有載輥縫凸度(去掉邊部減薄區(qū))為0.587 mm。輥縫縱向(Y向)最大值f1=0.7647 5 mm。將此數(shù)據(jù)帶入公式 中，算得輥系剛度系數(shù)K1=19 100 kN/mm。軋件的操作側(cè)邊部厚度為1.217 65 mm，驅(qū)動(dòng)側(cè)邊部厚度為1.377 32 mm，厚差0.159 67 mm。在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)AGC(厚度自動(dòng)控制)系統(tǒng)，由壓上缸在線(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制厚差在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 輥系Y向變形圖Fig.5 Rolls deformation of Y direction

圖6 上下工作輥Y向變形Fig.6 Up and down work rolls deformation of Y direction

2.2 機(jī)架應(yīng)力應(yīng)變分析

軋制力通過(guò)軸承座傳導(dǎo)至機(jī)架。在軋制力作用下，機(jī)架應(yīng)力分布如圖7所示。牌坊的最大應(yīng)力為74.7 MPa，位于操作側(cè)壓上缸與牌坊接觸處，也是由于應(yīng)力集中造成的。由表1可知，該最大應(yīng)力值小于材料屈服強(qiáng)度。牌坊其余各處應(yīng)力值小于25 MPa，安全系數(shù)大于10［11］，故牌坊強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

圖7 機(jī)架Mises等效應(yīng)力云圖Fig.7 Mises equivalent stress of standing

雙側(cè)機(jī)架Y向(縱向)應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。由于機(jī)架窗口間滑板處受軸承座的X向(水平方向)力支撐，X向力對(duì)上下橫梁的彎矩減小了上下橫梁的彎曲變形?；?.1節(jié)的分析，工作輥承受的軋制力并不是沿其中心兩側(cè)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)分布，故雙側(cè)機(jī)架承受軋制力不一樣，其變形量也不一樣。由圖8可見(jiàn)，操作側(cè)機(jī)架Y向最大變形0.407 mm，驅(qū)動(dòng)側(cè)機(jī)架Y向最大變形0.074 6 mm。機(jī)架彈性變形未超過(guò)0.4～0.5 mm的合理范圍［11］，故機(jī)架結(jié)構(gòu)合理，滿(mǎn)足使用要求。機(jī)架縱向剛度K2=358 80 kN/mm。

圖8 機(jī)架Y向應(yīng)變圖Fig.8 Standing deformation of Y direction

軋機(jī)工作機(jī)座的彈性變形是輥系彈性變形及機(jī)架彈性變形之和，若設(shè)輥系及機(jī)架的縱剛度系數(shù)分別為K1、K2，那么HC冷軋機(jī)工作機(jī)座的縱剛度系數(shù)K為［12］

將數(shù)據(jù)帶入，算得K=12 470 kN/mm。

3 結(jié)論

(1)建立了1720HC冷軋機(jī)工作機(jī)座三維模型及有限元模型，在分析輥系、機(jī)架應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，其力學(xué)模型更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

(2)使用有限元軟件ANSYS計(jì)算了工作機(jī)座應(yīng)力應(yīng)變，以此為基礎(chǔ)分析計(jì)算了輥系、機(jī)架的變形、強(qiáng)度、剛度等靜態(tài)特性，軋機(jī)工作機(jī)座剛度為12 470 kN/mm，軋機(jī)結(jié)構(gòu)合理，可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。以上分析可為軋機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及軋制工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

(3)通過(guò)對(duì)整個(gè)工作機(jī)座的有限元分析發(fā)現(xiàn)，由于輥系的不對(duì)稱(chēng)性，軋制力并不是理想中的沿工作輥中心兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。因此造成雙側(cè)機(jī)架承受的軋制力不一致，導(dǎo)致雙側(cè)機(jī)架變形不同。雙側(cè)機(jī)架變形量均在合理范圍內(nèi)。

(4)利用有限元軟件分析設(shè)備力學(xué)行為及性能通常比理論方法更加快捷，求解精度更高。

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