任學(xué)平，夏志彬，2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.包鋼軌梁廠機(jī)械動(dòng)力運(yùn)行部，內(nèi)蒙古包頭，014010）

基于ANSYS的粗軋機(jī)齒輪箱體裂紋分析

任學(xué)平1，夏志彬1，2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.包鋼軌梁廠機(jī)械動(dòng)力運(yùn)行部，內(nèi)蒙古包頭，014010）

針對(duì)軌梁廠粗軋機(jī)齒輪座下箱體底座圓弧處產(chǎn)生裂紋的問題，為挖掘其與“咬鋼”沖擊之間的關(guān)系，先建立該軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的CAD模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench，利用其LS-DYNA模塊完成了對(duì)BD1軋機(jī)軋制過(guò)程的數(shù)值模擬，分析了不同的“咬鋼”速度對(duì)應(yīng)的粗軋機(jī)齒輪箱應(yīng)力及形變量，并判斷其出現(xiàn)異常的原因，為設(shè)置合理的“咬鋼”速度提供理論依據(jù)。

粗軋機(jī)；齒輪座；咬鋼速度；有限元分析

0 引言

軌梁廠粗軋機(jī)箱體底座圓弧處產(chǎn)生裂紋，具有重大的安全生產(chǎn)隱患，對(duì)此利用相應(yīng)軟件和用有限元分析的方法對(duì)該軋機(jī)的“咬鋼”狀態(tài)進(jìn)行分析，以期為設(shè)備的安全運(yùn)行提供重要保障。

1 有限元分析

1.1 CAD建模及導(dǎo)入ANSYS

利用Pro/E軟件建立的粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的CAD模型，并將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中（圖1）進(jìn)行材料屬性的設(shè)置、網(wǎng)格劃分，模擬不同的“咬鋼”速度對(duì)應(yīng)的粗軋機(jī)齒輪箱應(yīng)力及形變量。

1.2 材料屬性設(shè)置

依表1材料屬性進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置[1]，以此真實(shí)反映粗軋機(jī)各個(gè)零部件的變形及應(yīng)力變化的情況。

表1 材料屬性

1.3 網(wǎng)格劃分

采用自動(dòng)劃分法[2]與尺寸控制相結(jié)合的方法對(duì)粗軋機(jī)齒輪箱關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，共劃分了158234單元及44217節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

1.4 設(shè)置邊界條件及約束載荷

依表2的軋制條件為初始條件，利用ANSYS workbench軟件對(duì)粗軋機(jī)進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，其邊際條件設(shè)置如下。

表2 軋制條件

（1）約束：分別在機(jī)架底部、齒輪座底端添加與大地連接的固定約束。

（2）載荷：所有零件加載豎直向下重力，沿x方向重軌速度v=2.5m/s，人字齒輪端轉(zhuǎn)速n=-5.2rad/s，沿軋輥方向軋輥端4個(gè)軸承的軋制力F=1712N。

（3）接觸：為符合實(shí)際情況定義人字齒輪軸端與齒輪座軸承有4處采用無(wú)摩擦接觸，萬(wàn)向聯(lián)軸器叉頭與十字軸之間的接觸有8處采用摩擦接觸，軋輥與機(jī)架軸承之間4處采用無(wú)摩擦接觸。動(dòng)摩擦因數(shù)0.35，靜摩擦因數(shù)0.25。

（4）求解：借助于LS-DYNA模塊，按上述邊界條件設(shè)置（圖2），并進(jìn)行求解。

圖2 模型的邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)際的咬鋼速度對(duì)粗軋機(jī)下箱體的影響

采用2.5m/s 的“咬鋼”速度進(jìn)行仿真，粗軋機(jī)下箱體的主應(yīng)力云圖如圖3所示。下箱體進(jìn)出鋼兩側(cè)的圓弧處受到三向拉力作用，應(yīng)力集中嚴(yán)重，F(xiàn)拉max=221.42MPa；然而，出鋼側(cè)下箱體底座圓弧處受到三向壓力作用，F(xiàn)壓min=211.39 MPa。由于粗軋機(jī)是可逆式軋機(jī)，該圓弧處受到對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用，故此處是危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖3 實(shí)際咬鋼速度下齒輪箱下箱體的最大主應(yīng)力云圖

2.2 不同“咬鋼”速度對(duì)齒輪箱的影響

圖4所示2.1m/s、2.2m/s、2.3m/s、2.4m/s“咬鋼”速度下齒輪座圓弧處的應(yīng)力分布。

圖4 不同“咬鋼”速度下箱體圓弧處的應(yīng)力分布曲線

V咬=2.4m/s時(shí)，應(yīng)力呈 “凸”字分布，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在圓弧處中間部位。最小應(yīng)力值出現(xiàn)在230mm處， 141.375Mpa，低于實(shí)際“咬鋼”速度下的最小等效應(yīng)力，最大等效應(yīng)力為162.89Mpa，高于齒輪座許用強(qiáng)度，故2.4m/s的“咬鋼”速度不滿足設(shè)計(jì)要求。

V咬=2.3m/s時(shí)，應(yīng)力呈“一”字分布，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近主傳動(dòng)端的圓處，應(yīng)力值變化平緩，為145.97Mpa，接近于材料的屈服極限146.88MPa，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

V咬=2.2m/s時(shí)，應(yīng)力呈“一”字分布，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近主傳動(dòng)端的圓弧處，為144.18Mpa，接近于材料的屈服極限，也不滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求的。

V咬=2.1m/s時(shí)，應(yīng)力曲線變化平緩，最大等效應(yīng)力為128.64MPa，在靠近電機(jī)側(cè)的圓弧處，小于材料的屈服極限，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求的。

3 結(jié)論

通過(guò)上述仿真試驗(yàn)易知，“咬鋼”速度越低，應(yīng)力曲線越平緩，分布越平穩(wěn)，且應(yīng)力較為集中的位置多為靠近主傳動(dòng)端的圓弧處；當(dāng)“咬鋼”速度為2.1m/s時(shí)應(yīng)力值的大小、分布不僅滿足材料的性能要求，同時(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求

[1]劉亞麗.2800熱粗軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案研究[D].重慶大學(xué),2006.

[2]馮艷飛.基于ANSYS對(duì)950軋機(jī)機(jī)架有限元分析研究[D].碩士學(xué)位論文，內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué),2012.

[3]郭喜平,方偉欣.重軌矯直速度對(duì)矯后殘余應(yīng)力的影響分析[J].鍛壓技術(shù),2015,03:58-61.

Crack analysis of gear box of roughing mill based on ANSYS

Ren Xueping1, Xia Zhibin1,2
(1.School of mechanical engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou Inner Mongolia,014010;2.Department of mechanical and power engineering, Baotou Baogang rail and beam plant,Baotou Inner Mongolia,014010)

the problem of cracks in rail mill gear box under the seat base arc, for the mining and relationship between the impact of biting “, CAD model was established on the main drive system of the rolling mill, and imported into ANSYS Workbench, using the LS-DYNA module to complete the numerical simulation of the BD1 rolling process. Analysis of the different” biting “speed corresponding to the rolling mill gear box stress and deformation, and determine the causes of the abnormal, to set reasonable”biting“provides a theoretical basis for speed.

roughing mill; gear seat; biting speed; finite element analysis