李博宇

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇南京 210004）

0 引言

萬能軋機是一種由一對水平輥和一對立輥組成的型材軋機，軋制H形鋼時，孔形由布置在同一鉛垂面的上、下水平輥和左、右立輥組成。4個軋輥可以在2個方向上加工所要求的H形鋼斷面尺寸，實現水平和垂直方向的同時軋制[1]。

H形鋼萬能軋機實現軋制功能的關鍵部件是水平輥裝配和立輥裝配，二者的整體強度和整體剛度直接影響產品質量。某鋼廠小H形鋼生產線萬能軋機趨于老化，且因生產條件及產品要求的改變，萬能軋機的實測軋制力較原始設計值有大幅提高，因此，在軋制過程中出現的水平輥及立輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導衛(wèi)梁拉斷等現象，嚴重影響了正常生產。另外，該萬能軋機的軋輥必須利舊處理，生產現場的行車起吊重量和軋機外形最大尺寸也有相應限制。對此，決定采用理論計算與有限元分析相結合的方法，對原有軋機進行改造及優(yōu)化設計。

1 水平輥和立輥力學模型的建立

萬能軋機軋制過程中，軋輥需要克服軋件的變形抗力，所以在軋輥上產生了軋制力[2]。該軋制力分布于軋件包絡軋輥的弧面上，方向沿接觸面的法向，且為非均布面載荷，力學模型見圖1。其中，水平輥力學模型為垂直水平軸線方向剖切視角，立輥力學模型為垂直立輥軸線方向俯視視角。

圖1 水平輥和立輥力學模型

由圖1可知，萬能軋機軋輥上的等效軋制力并不垂直或水平分布。而萬能軋機的水平輥軋制力和立輥軋制力的測量，均是通過水平輥或立輥的軸承座測得，即實測軋制力為等效軋制力的一部分。進一步分析可知，實測軋制力為等效軋制力的主要分量。對力學模型進行簡化，將軋制力按均布面載荷考慮，力學模型見圖2。考慮水平輥和立輥受力狀態(tài)的簡化具有一致性，圖2只用一個模型替代。

圖2 水平輥和立輥簡化力學模型

由圖2可知，配對軋輥的軋制力均指向各自的轉動中心，故萬能軋機軋制過程中，水平軋輥和立軋輥的受力狀態(tài)均可按純彎曲考慮[3]。

2 水平輥和立輥裝配幾何模型的初步改進

針對某鋼廠小H形鋼萬能軋機在現場使用中出現的問題，改造從加強結構強度及剛度入手，同時結合該型號萬能軋機水平輥和立輥軋制力原始設計值及現場檢測值。軋機原始設計主要參數及軋制力值見表1。

表1 萬能軋機原始設計主要參數

該軋機出現軋輥彈跳過大、立輥拉桿斷裂、導衛(wèi)梁拉斷等現象后，專業(yè)測量機構對軋機的水平輥和立輥軋制力進行了檢測。測量值分別為：水平輥軋制力最大值8000 kN，立輥軋制力最大值3000 kN。與表1對比可發(fā)現，現場測量的軋制力遠大于原始設計值，因此，必須加強相應結構。水平輥裝配主要增大壓下螺絲（拉桿）的幾何尺寸，螺絲規(guī)格由TR165×10增大到TR195×10。立輥裝配考慮增加拉桿數量，即將單側2根增加為單側4根。但受空間及重量限制，初步將原2根Φ100 mm拉桿改為4根Φ80 mm拉桿。同時，根據立輥裝配的應力線傳遞路徑可知，原始結構設計中，軋制力傳遞給導衛(wèi)梁。為改善導衛(wèi)梁的受力條件，將導衛(wèi)梁與機架的連接拉桿延長至貫通導衛(wèi)梁，這樣，軋制力最終將由機架拉桿和機架承擔，避免導衛(wèi)梁被拉斷，初步擬定導衛(wèi)梁拉桿直徑80 mm。綜合考慮水平輥的利舊、現場行車的起吊重量限制以及軋機最大外形幾何尺寸的限制，水平輥和立輥的初步改進數據見表2。

表2 萬能軋機初步改進設計主要參數

表2僅列出了方便表達的幾項主要參數，對于水平輥軸承座、機架、立輥機架等部件在幾何模型中亦做加強處理。根據表2參數、結構對稱性和相應的簡化方案，建立水平輥裝配和立輥裝配幾何模型（圖3、圖4），模型僅取原結構的1/2，用于有限元分析。

3 有限元分析與進一步優(yōu)化

將萬能軋機水平輥和立輥裝配的簡化模型導入有限元分析軟件中，進行力學參數設置、接觸及連接關系的簡化、分析步設置、網格劃分和邊界條件的設置等，最后提交求解器進行計算。

圖3 水平輥裝配幾何模型

圖4 立輥裝配幾何模型

在幾何模型簡化中，因滾動軸承不容易處理，將其簡化為滑動軸承，內圈與軸之間的連接用綁定約束模擬，外圈與軸承座之間的連接用接觸屬性定義。

在有限元模型建立過程中，有2點需要特別注意：①接觸及連接關系的簡化。主要用綁定約束和接觸對模擬連接和接觸，其中壓下螺絲和壓下螺母的連接使用綁定約束，并且忽略螺紋，因為螺紋處應力及變形不是模擬的重點。②邊界條件的簡化原則。水平輥裝配邊界條件的簡化相對簡單，立輥裝配中立輥拉桿和機架拉桿必須考慮螺栓預緊力，在有限元軟件中應用螺栓載荷的方法模擬預緊力[4]。另外，在預緊力施加的分析步中，需要在機架與導衛(wèi)梁的接觸面上添加位移約束，在外載荷完全施加的分析步中解除該位移約束。

3.1 水平輥裝配的有限元分析

水平輥裝配的應力和變形計算結果見圖5、圖6。水平輥裝配最大應力為250.4 MPa，在水平輥輥頸上；最大變形為0.967 mm，在水平輥上。水平輥最大變形和結構中最大應力均滿足廠家要求，因此，水平輥裝配不需要進一步優(yōu)化。

圖5 水平輥裝配應力

圖6 水平輥裝配位移

3.2 立輥裝配的有限元分析

立輥裝配的應力和變形計算結果見圖7、圖8。立輥裝配最大應力為453.5 MPa，在立輥拉桿上；最大變形為2.796 mm，在立輥上。立輥最大變形和結構中最大應力均不滿足廠家要求，因此，立輥裝配需要進一步優(yōu)化。

3.3 立輥裝配的進一步優(yōu)化及分析驗證

將立輥拉桿在立輥裝配分析圖中單獨顯示，如圖9、圖10所示。立輥拉桿最大應力為453.5 MPa，最大變形為1.518 mm。因此，需要從改變立輥拉桿結構形式和增大立輥拉桿直徑兩方面入手，對其進行優(yōu)化設計。立輥拉桿原結構和優(yōu)化結構見圖11、圖12。

圖7 立輥裝配應力

圖8 立輥裝配位移

圖9 立輥拉桿應力

圖10 立輥拉桿位移

圖11 立輥拉桿原結構

圖12 立輥拉桿優(yōu)化結構

立輥拉桿原結構為“螺栓式”，即拉桿的一端為拉桿帽，另一端在裝配時用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿優(yōu)化結構為“雙頭螺柱式”。即拉桿的一端為螺母和拉桿通過螺紋連接，另一端在裝配時用液壓螺母鎖緊。立輥拉桿原結構在拉桿帽與拉桿過度處增加了退刀圓角，加大了應力集中現象；優(yōu)化結構是螺母直接與拉桿通過螺紋連接，不存在退刀圓角，大大降低應力集中程度。另外，立輥拉桿直徑由80 mm增大到90 mm，導衛(wèi)梁拉桿直徑由80 mm增大到90 mm。

將優(yōu)化后的立輥裝配幾何模型導入有限元分析軟件驗證分析。立輥裝配的應力和變形計算結果見圖13、圖14。由圖示可知，立輥裝配最大應力236.9 MPa，在立輥芯軸上；最大變形1.014 mm，在立輥上。立輥最大變形和結構中最大應力均滿足廠家要求，優(yōu)化結果可以接受。

圖13 立輥裝配優(yōu)化應力

圖14 立輥裝配優(yōu)化位移

上述分析均根據對稱原則，選擇裝配體的1/2進行分析，故水平輥裝配和立輥裝配中軋輥的變形均為單側變形，計算整體變形時，在此數據基礎上翻倍即可。

4 結論

（1）根據型鋼生產現場出現的問題，結合改造設計的局限，分析并建立萬能軋機水平輥和立輥的力學模型。

（2）應用有限元軟件對水平輥裝配和立輥裝配進行裝配體仿真分析，計算得到H形鋼萬能軋機水平輥和立輥分別在8000 kN和3000 kN軋制力下的應力和位移，并對應力集中構件進行改進設計。

（3）提出萬能軋機水平輥裝配和立輥裝配有限元模擬時，接觸及連接關系的處理方法以及邊界條件的簡化原則。

（4）驗證了優(yōu)化結構的合理性和可靠性。