矯直機中彎輥機構(gòu)的有限元分析

1中厚板彎輥機構(gòu)的調(diào)整厚板直式擴張機主要用于消除剩余力，提高不平衡量的精度。這是保證中厚板生產(chǎn)線質(zhì)量的重要設(shè)備。標志中厚板輥式矯直機先進技術(shù)特點的彎輥機構(gòu),除了保持輥縫的平直之外,還主要用來調(diào)整輥縫,使得具有三維板形缺陷的中厚板在矯直過程中得到有效消除。但彎輥機構(gòu)在許多中厚板廠未能得到有效使用,甚至有人認為其作用不大,主要原因一是來料的三維缺陷種類難以用一種彎輥形式消除,另外彎輥量的確定也沒有一個標準,本文旨在對彎輥機構(gòu)的作用、工作狀態(tài)進行分析,提高對彎輥機構(gòu)的認識程度,并加強彎輥機構(gòu)的使用。2彎輥機構(gòu)裝置彎輥是指彎輥機構(gòu)作用于矯直輥背面的支撐輥并使矯直輥發(fā)生彎曲的行為。按照矯直輥沿板材寬度方向的壓彎量相同與否,中厚板輥式熱矯直機中彎輥的作用可分兩種。一是使矯直輥軸線平直,該彎輥的作用實質(zhì)上是抑制矯直輥在矯直過程中發(fā)生撓曲。如圖1(a)所示(L為輥身長,b為板寬)。二是按工藝要求正、負彎輥或使矯直輥橫向傾斜。具有中浪、邊浪及瓢曲等板形缺陷的板材,縱向纖維長度不一致,為了讓其得到不同程度的延伸,對矯直輥的輥縫形狀進行控制,如圖1(b)所示。這里把板材中部受到大的延伸變形的彎輥方向叫正彎輥;使板材邊部受到較大的延伸變形的彎輥方向叫負彎輥?？梢詫崿F(xiàn)該種彎曲功能的裝置見圖2所示的彎輥機構(gòu)裝置。它是由左右對稱呈梯形兩塊箱體(上壓力框架)組成、下方中部通過一圓柱體套在一聯(lián)接軸(鉸接軸)上,使左右兩箱體(上壓力框架)可繞中間軸轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動驅(qū)動由箱體上方的液壓機構(gòu)完成。彎輥機構(gòu)與上輥系鎖緊后,便可隨彎輥機構(gòu)的不同方向的旋轉(zhuǎn)完成正彎輥或負彎輥動作。3元分析中的圓弧機構(gòu)根據(jù)上箱體和彎輥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)對稱性特點,為了減少計算量,選擇一半分析,這里選擇操作側(cè)部分進行計算分析。3.1單元網(wǎng)格劃分材料的彈性模量為2.12×105MPa,泊松比為0.3,采用帶有中結(jié)點的Solid187單元,網(wǎng)格劃分時采用默認的6級網(wǎng)格精度。上箱體和彎輥機構(gòu)的有限元模型如圖3所示。3.2狀態(tài)下輥系變形的約束上箱體和彎輥機構(gòu)在矯直過程中所受載荷為沿豎直方向的1500t的矯直力和沿水平方向的150t的摩擦力。為了分析彎輥機構(gòu)在不同工作狀態(tài)下對輥系變形的影響,施加了以下兩種約束并分別進行了計算:1)彎輥機構(gòu)可自由轉(zhuǎn)動。在彎輥機構(gòu)和壓下缸相接觸的地方施加沿Y向的位移約束,在彎輥機構(gòu)的鉸接點處施加繞X向和繞Y向的轉(zhuǎn)動約束以及沿Z向的位移約束(使彎輥機構(gòu)僅能繞鉸接點轉(zhuǎn)動)。2)彎輥機構(gòu)被全約束。在彎輥機構(gòu)和壓下缸相接觸的地方施加沿Y向位移約束,在彎輥機構(gòu)的鉸接點處施加Z向位移約束,在兩塊上壓力框架相互固定的部位施加X向位移。4結(jié)果分析4.1工作輥輥系變形特點加載后彎輥機構(gòu)的受力狀況見圖4示。為了便于對比和歸納上箱體及彎輥機構(gòu)在不同工作狀態(tài)時的位移分布及其變化情況,將彎輥機構(gòu)的受力的最值歸結(jié)如表1和表2所示。由表1可知,在自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)下,即彎輥機構(gòu)為兩部分時,當(dāng)輥系的最大值為6.77時,此時的最大位移值為11.86。由表2可知,在全約束狀態(tài)下,即彎輥機構(gòu)為一整體時,當(dāng)輥系的最大值為1.55時,此時的最大位移值為0.64。這說明彎輥機構(gòu)在阻止矯直輥的變形時有著重要的作用;又可以理解到,加強對彎輥機構(gòu)的使用,通過正彎曲或負彎曲的作用,彎輥機構(gòu)則會起到另外一種預(yù)期的作用。為了形象展示工作輥系的變形情況,并結(jié)合上工作輥系中入口側(cè)第二根矯直輥受力最大的情況,以第二根工作輥輥身長度的一半為研究對象,分析由板帶邊部到板帶中不的變形情況后,可得如圖5和圖6所示的工作輥系與板帶相接觸部位的位移分布情況。由圖5和圖6可以看出,在不使用彎輥機構(gòu)時,板凸度的最大值為0.5mm左右,而在使用彎輥機構(gòu)時,板凸度的最大值為5mm左右。由此可知彎輥機構(gòu)的使用對板凸度的影響很大,對于存在嚴重的邊浪和中浪的板帶建議使用彎輥機構(gòu)。4.2支撐輥系應(yīng)力分析為了詳細分析上箱體和彎輥機構(gòu)的強度是否存在問題,除了位移分析外,我們還進行了應(yīng)力分析?？紤]到實際工況和安全準則及其目前彎輥機構(gòu)的使用情況,本文對上箱體和彎輥機構(gòu)在全約束時的Y向應(yīng)力和MISES應(yīng)力進行了分析。上述應(yīng)力云圖說明了上箱體框架和上壓力框架沿Y向的應(yīng)力分布狀況和MISES應(yīng)力的分布狀況,不過為了更形象的對其各向應(yīng)力進行分析對比,對各向應(yīng)力的最值總結(jié)如表3所示。由上述分析結(jié)果可知,上箱體和上壓力框架的應(yīng)力較大,其中上支撐輥系的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為嚴重,部分節(jié)點的MISES應(yīng)力最值甚至可以達到900MPa左右,支撐輥系在靜載荷下的的這種受力特性在承受瞬間沖擊載荷和長時間的疲勞載荷后會變的更為惡劣,亟待解決。此外上工作輥系的應(yīng)力集中情況也較為嚴重。當(dāng)然這是在一種極值狀態(tài)下得到的結(jié)果,作為設(shè)計人員或設(shè)備維護人員應(yīng)注意受力最大值所處的位置,應(yīng)通過選擇高強度鋼板或增加厚度、加強筋板等多種方式,提高設(shè)備局部危險位置的強度或剛度。4板后產(chǎn)品質(zhì)量1)彎輥機構(gòu)的使用會對輥系變形產(chǎn)生很大的影響,并因此會直接影響到矯直過程中的板凸度和矯后產(chǎn)品的質(zhì)量。對于板型存在嚴