九輥強力矯直機全液壓四重可逆式構件的有限元分析

1矯直時產(chǎn)品的選擇寬度梯度機是重要的支撐裝置，用于決定寬度產(chǎn)品的直方性和質(zhì)量。隨著控軋控冷以及直接淬火技術的應用,寬厚板矯直時的屈服強度大幅度提高,對矯直設備的負荷要求進一步提高;同時隨著對厚規(guī)格高性能板材產(chǎn)品需求的增長,軋制及熱處理生產(chǎn)線上需要有能實現(xiàn)板厚范圍較大(≥50mm)的寬厚板產(chǎn)品的矯直設備。目前,隨著對寬厚板產(chǎn)品矯直的平直度質(zhì)量、板厚范圍要求的提高,現(xiàn)代寬厚板矯直設備正向高負荷、高剛度、多功能等方向發(fā)展。238矯直輥系設計3800mm寬厚板矯直機是在消化國外先進技術的基礎上生產(chǎn)的全液壓四重可逆式九輥新型矯直機,該矯直機矯直能力:矯直板厚范圍為6～60(100)mm,板寬范圍為1219～3350mm,設計最大矯直力為26000kN,所矯鋼板最大屈服強度為800N/mm2。矯直輥系配備有彎輥系統(tǒng),可實現(xiàn)邊浪、中間浪矯直,同時采用變輥數(shù)、變輥距技術,以滿足全厚度范圍的產(chǎn)品矯直。該矯直機采用高響應伺服系統(tǒng)控制的全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)及先進的自動化系統(tǒng),可精確調(diào)整設備矯直過程中所需要的實際輥縫值,實現(xiàn)矯直輥的精確定位,同時配備有矯直過程工藝模型,與傳統(tǒng)寬厚板矯直設備相比,該矯直機具有較大的技術優(yōu)勢,是一臺具有國際先進水平的寬厚板矯直設備。3直機設備結構3.1矯直輥技術設計矯直設備能力與矯直輥數(shù)量和輥距有直接關系。傳統(tǒng)的寬厚板矯直機輥數(shù)和輥距不能變化,導致所矯鋼板的厚度范圍受到限制。3800mm矯直機輥系采用變輥數(shù)、變輥距技術,即同一套輥系通過調(diào)整其中部分矯直輥不參與矯直過程,實現(xiàn)輥數(shù)及輥距的變化,進而實現(xiàn)全厚度范圍鋼板的矯直。對于薄規(guī)格的鋼板采用小輥距九輥矯直;對于厚規(guī)格的鋼板采用大輥距五輥矯直,增大矯直輥間距,以有效提高所矯直鋼板的厚度范圍(一般比傳統(tǒng)矯直機擴大50%左右)。矯直輥布置形式如圖1所示。此外,上輥系沿鋼板寬度方向還可做橫向傾動調(diào)整;下輥系導入輥、導出輥可實現(xiàn)單獨調(diào)整,以利于中間各輥加大壓下量,提高矯直質(zhì)量。3.2第二、三輥形量矯直技術薄規(guī)格鋼板(≤30mm)的矯直采用上輥系縱向傾動調(diào)整,按遞減反彎矯直規(guī)律實現(xiàn)鋼板矯直;矯直厚規(guī)格鋼板時單獨調(diào)整矯直輥,采用5輥大變形量矯直方案,亦即在第二、三輥上采用很大的相對反彎曲率,使軋件各部分的總彎曲變形曲率達到很大數(shù)值,迅速將殘余曲率減小,然后經(jīng)過幾次反彎后,鋼板趨于平直,達到矯直目的。同時,上輥系配備的彎輥系統(tǒng)可實現(xiàn)不良板形(中間浪、邊浪)的鋼板矯直,研究表明對矯直輥施加適當?shù)膹澼伭?能有效減小沿板寬方向上厚度的不均現(xiàn)象,殘余應力可得到有效消除或呈均勻分布。生產(chǎn)實踐還證明,配有彎輥裝置的矯直機矯直效率可大為提高。3.3結構設計結構3800mm全液壓四重可逆式九輥強力矯直機設備由機架牌坊、上連接梁、下連接梁、彎曲梁、上下輥系、液壓壓下系統(tǒng)、液壓平衡系統(tǒng)、斜楔調(diào)整系統(tǒng)、換輥裝置、除塵裝置等結構組成,其中機架牌坊、上連接梁、下連接梁等為其關鍵承載構件。在結構設計過程中,基于輥系結構及所采用的矯直工藝方案,同時考慮到該設備的強度和剛度需要,機架牌坊采用高剛度閉式框架式結構;為減小過渡圓角處的局部應力集中現(xiàn)象,機架上橫梁與立柱圓角處采用平挖圓弧形式,有效減小圓角處的應力集中。上下連接梁在充分考慮輥系載荷分布的基礎上采用焊接結構,設計簡潔,承載能力強。4關鍵承載構件疲勞壽命分析為確保該設備結構的可靠性,采用有限元方法對最大設計承載條件下的關鍵承載構件進行了有限元力學計算,得到了關鍵承載構件的等效應力圖及受力危險點的位置,并在此基礎上進行了設備的疲勞壽命分析,為該設備的最優(yōu)化設計及矯直工藝參數(shù)的精確設定提供了重要的理論依據(jù)。4.1單元結構承載最大側鑒于相關承載構件在結構上具有對稱性,有限元計算模型的建立過程中取實體結構承載最大側進行分析。單元劃分采用八節(jié)點六面體單元SOLID45,映射網(wǎng)格劃分,單元尺寸由人工控制,以便得到比較均勻的網(wǎng)格。各構件有限元模型的單元和節(jié)點劃分情況如表1所示。4.2理論極限承載和力學求解有限元計算過程中,根據(jù)設計極限載荷(2600MN)并結合矯直過程中各構件的受力情況,確定了各構件的設計極限承載情況,同時施加相應的約束條件,進行了力學求解。4.3矯直機關鍵構件應力分布圖2,圖3,圖4分別為機架,上、下連接梁在極限載荷條件下的等效應力分布圖,根據(jù)計算可知該矯直機關鍵構件的整體應力分布相對比較均勻,有效消除了應力集中問題,其最大等效應力大小分別為82.3MPa,164MPa和154MPa,均小于材料許用應力,滿足設備的強度要求。5疲勞性能分析機械設備的疲勞壽命是設計人員十分關注的問題。金屬構件在交變載荷作用下,都會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。機械設備中構件的疲勞破壞是主要的失效方式,且較為廣泛,因此有必要對承載構件的疲勞壽命進行較為準確的估算,以減少疲勞事故的發(fā)生。在中厚板矯直過程中,機架承受不對稱彎曲循環(huán)應力,則機架的疲勞安全系數(shù)可由下式計算nσ=σ?1kσεβσa+ψσσm(1)nσ=σ-1kσεβσa+ψσσm(1)式中,σ-1為材料的疲勞極限;kσ為有效應力集中系數(shù),kσ=1+q(a-1);ε為疲勞極限的尺寸系數(shù);β為表面加工系數(shù);σa為當量應力幅;σm為當量平均應力;ψσ為不對稱循環(huán)度系數(shù)。其中σ-1、ε、β等相關參數(shù)可由參考文獻得到。當量應力幅σa=[(σa1?σa2)2+(σa2?σa3)2+(σa3?σa1)2]1/22√(2)σa=[(σa1-σa2)2+(σa2-σa3)2+(σa3-σa1)2]1/22(2)當量平均應力σm=[(σm1?σm2)2+(σm2?σm3)2+(σm3?σm1)2]1/22√(3)σm=[(σm1-σm2)2+(σm2-σm3)2+(σm3-σm1)2]1/22(3)式中,σa1,σa2,σa3為主應力幅;σm1,σm2,σm3為主應力幅方向的平均應力。???????σa1=σ1max?σ1min2σa2=σ2max?σ2min2σa3=σ3max?σ3min2(4){σa1=σ1max-σ1min2σa2=σ2max-σ2min2σa3=σ3max-σ3min2(4)???????σm1=σ1max?σ1min2σm2=σ2max?σ2min2σm3=σ3max?σ3min2(5){σm1=σ1max-σ1min2σm2=σ2max-σ2min2σm3=σ3max-σ3min2(5)基于極限承載條件下有限元分析結果,可求得當量應力幅σa和當量平均應力σm,進而根據(jù)式(1)可得到相關承載構件疲勞安全系數(shù),如表2所示。參考構件的許用安全系數(shù),可知各承載構件滿足無限疲勞壽命條件,滿足設備設計要求。6極限載荷與疲勞壽命(1)先進的輥系結構及調(diào)整方式以及合理的矯直工藝方案,可有效實現(xiàn)全厚度范圍的鋼板矯直,消除殘余應力,提高矯直效率,保證矯直質(zhì)量。(2)采用有限元方法對關鍵承載構件的力學計算表明,極限載荷條件下相關構件的最大等效應力值均小于許用應力,整體應力分布相對比較均勻,應力集中現(xiàn)