李寶偉， 孫艷紅

（山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276800）

試（實）驗研究

金屬板滾筒平整機底盒有限元分析

李寶偉， 孫艷紅

（山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276800）

金屬板滾筒平整機底盒的強度和剛度，將對平整能力和產(chǎn)品質量有直接影響。為解決一些工廠的平整機不能滿足設計能力和軋輥組變形嚴重的問題，將通過Pro/e建模的底盒型號導入ANSYS中進行分析。計算確定問題的原因，并提出改進方案。該方法可以幫助其他復雜設備的設計。

整平機 底盒 有限元法 結構分析

一些金屬板平整機存在的問題：實際的平整能力小于設計能力和平整過程中存在較大的振動；變形大，底輥容器有一些斷裂；流平輥有劃痕和壓痕。這些都嚴重影響了金屬板的質量。根據(jù)現(xiàn)場觀察和分析，底盒的變形可能是這些問題的根源。

1 模型開發(fā)

底部盒由框架、底輥系統(tǒng)和螺旋千斤頂提升系統(tǒng)組成。底部盒式框架是焊接部件，其內部結構相當復雜，因此通過傳統(tǒng)的分析方法難以定位薄弱部件。通過Pro/e進行3D建模后，底盒的模型被導入到有限元軟件ANSYS[1]中，并作為一個整體進行了分析。

1.1 底部盒式框架的建模

框架主要由底部支撐板、底部肋板、頂部支撐板、支撐輥軸承殼體安裝部分和流平輥軸承座安裝部分組成，框架的每個部分都是由形狀復雜的許多部件焊接在一起。因此，需要進行適當?shù)暮喕员氵M行模擬和分析。圖1-1是框架的簡化模型。

1.2 底輥系統(tǒng)建模

長支撐輥系統(tǒng)、短支撐輥系統(tǒng)和流平輥系統(tǒng)是底輥系統(tǒng)的組成部分，它們的結構相似，所以只有長支撐輥系統(tǒng)作為例子被介紹，模型如下。

長支撐輥系統(tǒng)由長支撐輥、軸承、軸承座和襯套構成。為了準確模擬這3個部件之間的負載傳輸關系、后備輥系統(tǒng)、流平輥系統(tǒng)和板，它們的長度應該相同，以便通過布爾運算粘合在一起。此外，其他24

個短支撐輥組件和6個流平輥組件應進行相同操

作。流平輥系統(tǒng)的組裝模型如圖1-2所示。

1.3 螺絲起子升降系統(tǒng)建模

螺絲起子升降系統(tǒng)的作用是單獨調整出口和進口卷。根據(jù)其加載時的實際特性，該機制簡化如圖1-3所示。

1.4 板材建模

板上的載荷比直接根據(jù)Saint-Venant原理加載在底輥系統(tǒng)上更接近實際工作狀態(tài)[2]。板的模型相對簡單，但考慮到每個調平輥上的調平力差異，沿著卷軸的方向分割，以便加載。

底盒上的部件被組裝，膠合和最后嚙合。底盒有限元模型中有1 032 336個元素和1 741 692個節(jié)點，如圖1-4所示。

圖1 有限元模型開發(fā)

2 確定負載

為了模擬底盒處于負載狀態(tài)下的真實狀態(tài)，所以動態(tài)調平的仿真通過具有明確的動態(tài)分析功能[3]的ANSYS/LS-DYNA進行。

動態(tài)仿真有以下基本參數(shù)：實體模型的原始參數(shù)為軋輥系統(tǒng)的實際尺寸；鋼坯厚度為20mm，鋼板屈服強度為300MPa；元素類型是Solid 164；調平速度為2m/s，頂輥設置為傾斜調節(jié)；入口側的相互嚙合為2mm，在外側的相互嚙合為0；流平輥的摩擦系數(shù)為0.1[4]。

在完成平整計算后，可以得出每個調平輥的調平力和摩擦力。每個流平輥的載荷列于表1，其中n從小到大意味著連續(xù)的每個調平輥。

表1 底部盒式載荷 t

3 裝載底盒

裝載底盒三個方向的位移約束被施加在底盒的底面以防止其剛性移動。如表1所示，集中力載荷施加在板被踩下的位置。

4 分析和改進方案

本文僅分析底盒式框架。一般情況下，底盒的安全因素和其他關鍵部件的安全系數(shù)為10[5]。對于Q235，其屈服強度為235MPa。因此，當安全系數(shù)為10時，允許應力為以下等式：

式中：σs為屈服強度；n為安全系數(shù)；σn為允許應力。

當一個節(jié)點的MISES應力超過允許的應力值時，具有故障的風險，稱為風險節(jié)點。如圖2-1所示，白色節(jié)點是底部盒式框架的風險節(jié)點。由風險節(jié)點組成的區(qū)域稱為風險區(qū)域。在圖2-2—2-6中，灰色區(qū)域是安全的，其余的是風險。此外，區(qū)域顏色越深，MISES的壓力越大，風險也越大。

圖2-1顯示，風險節(jié)點主要分布在滾筒系統(tǒng)安裝部門和盒底肋板上。而且這些地區(qū)也是改進方案的重點。風險節(jié)點的集中分配表明，底部盒式存在設計問題。

從圖2-2，我們可以得出結論：底肋板的MISES應力范圍為23.5～70MPa，局部達到300MPa以上。原因可能是肋板的單一形狀，不能形成相互支持的趨勢。在沖擊載荷和疲勞載荷的影響下，這些風險區(qū)域的不穩(wěn)定性和蠕變剛度可能削弱整體結構的剛度，使部件失去平衡。

圖2-3表示底板支撐板的風險區(qū)域主要集中在該板與其他肋板焊接處。底板支撐板MISES應力范圍為30～80MPa。該支撐板的變形可能使上述安裝的部件偏離其原始參考平面。因此，底盒的原始載特性將會改變。

圖2-4表示在頂部支撐板的尖銳形狀區(qū)域和該支撐板與輥系安裝焊接部分的區(qū)域存在應力集中的問題。頂部支撐板中間區(qū)域的MISES應力可達160～250MPa。由于交變應力和沖擊載荷的影響，該板的變形使得難以確保輥系統(tǒng)的組裝精度。

從第42頁圖2-5，我們可以總結出，背板系統(tǒng)安裝處的肋板和緊固槽有相當大的風險區(qū)域。該安裝處肋板的危險區(qū)域大約為一半以上，MISES應力范圍為23.5～100MPa。另外，承受摩擦力和調平力的緊固槽的MISES應力大于600MPa。其原因可能是肋板非常大但太薄，并且這些板的不穩(wěn)定性可能使緊固槽的負載不均勻，這可能導致局部應力過大。

第42頁圖2-6表明調平輥軸承座安裝處肋板的MISES應力可達400MPa，其緊固槽的MISES應力最大值約為800MPa。應力過大和疲勞載荷的復合效應可能是使流平輥安裝處撕裂的原因之一。這些部件在沖擊載荷和疲勞載荷作用下的嚴重變形導致軋輥系統(tǒng)與其原始位置的偏差，從而導致底輥系統(tǒng)的過度變形。這使得具有交錯布置的后備輥夾緊的流平輥有過度的摩擦力，而使輥表面有劃痕。

圖2 MISES應力分布

根據(jù)MISES應力分布，分析結果與底盒的實際變形和破壞一致。在這些結果的基礎上提出了以下改進方案：

1）后備輥軸承座安裝處的肋板加厚，并用彎板和角鋼更換底肋板的部件。

2）用高強度合金鋼替換流平輥安裝處的輕易撕裂部分的材料。

3）用鑄件或厚機加工板，在過載時更換底座、緊固槽和其他部件的原有結構。

引進改良方案后，整平能力和生產(chǎn)效率得到大幅提升，達到鋼廠要求。

5 結論

1）平板滾筒矯平機的底盒可能會嚴重影響流平性能。改進底盒后，該矯直機的實際調平能力達到設計能力。

2）Pro/e和ANSYS的組合方法可以解決復雜設備的結構分析問題。將3D建模軟件和FEM軟件的優(yōu)點結合在一起，可以確定復雜結構的弱點和問題。

[1] Z.Y.傅，X.J.楊.機電工程技術[J].機電技術，2005，34（2）：51.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 何濤，楊競，金鑫.ANSYS10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指南教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4] 崔瑩.調平原理與調平機[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[5] 黃慶學.軋鋼機械設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

FEM Analysis of Bottom Cassette of Plate Roller Leveler

Li Baowei,Sun Yanhong
（Rizhao Co.,Ltd.,Shandong Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Rizhao Shandong 276800）

Strength and stiffness of the bottom cassette of plate roller leveler will have a direct impact on the leveling capability and the quality of product.In order to solve the problems that the plate leveler in some plantmills is unable tomeet the design capacity and the roll set deforms severely,themodel of the bottom cassettemodeled by PRO/E is imported into ANSYS code to be analyzed in this paper.The calculations locate the causes of the problems and an improved scheme is proposed.Themethod can help others complex equipments design.

leveler；bottom cassette；FEM；structural analysis

TH325

A

1672-1152（2017）05-0026-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.10

2017-08-10

李寶偉（1973—），男，1994年7月畢業(yè)于山東省機械工業(yè)學校，工程師，從事工作及方向：機械設備管理機械。

（編輯：苗運平）