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1、大型板带轧机撞击载荷下的机架强度研究 薛垂义 神华集团山东神华山大能源环境有限公司 摘 要： 针对大型板带轧机咬钢时产生的撞击载荷展开研究, 从现场测试、理论计算和有限元仿真三个方面对撞击载荷的大小、排布及对机架产生的位移进行分析, 结合机架的最大等效应力, 运用第四强度理论, 计算出其安全系数低于常规 8的要求, 在确保机架安全前提下, 为优化工艺参数提供了科学的依据。关键词： 大型轧机; 撞击载荷; 机架; 安全系数; 强度研究; 作者简介：薛垂义 (1970-) , 男, 高级工程师, 主要研究方向为机械设备的力学行为与结构优化。收稿日期：2016-10-23Strength Study
2、 of Impact of Heavy Plate Mill HousingXUE Chui-yi Shenhua Group Shandong Shanda Energy & Environment Co., Ltd.; Abstract： In view of impact of heavy plate mill that biting roll bite, from field test theoretical arithmetic and simulation, the size distribution and displacement of impact of milling ho
3、using were analyzed. Combining the maximum equivalent stress and using the fourth strength theory, safety factor was computed less than 8, under housing safety, which provides the basis of the optimization on the process parameters.Keyword： heavy plate mill; impact; housing; factor of safety; streng
4、th study; Received： 2016-10-231 问题的提出板带轧机轧制过程的建立必须满足两个条件, 一是工作辊与轧件间摩擦角 大于咬入角 , 二是轧件咬入前的瞬时水平速度 (喂钢速度) v 1大于工作辊与轧件接触点处圆周线速度的水平分量 v2.在满足 前提下, 如果 v1比 v2大很多, 轧制过程虽能建立, 但轧件会对轧辊及轧机产生较大撞击, 严重时会造成相关零部件的损坏。在咬钢过程中, 在轧制方向上的撞击力绝大部分被机架所承受1, 不仅增加了轧机的动负荷, 而且对机架也产生不利影响, 作为轧机最重要部件, 机架的变形和强度直接影响到轧机的工作安全性和所轧制产品的尺寸规格及精度
5、2, 因此机架必须具有足够的强度3, 所以对撞击载荷下的机架进行强度分析尤为重要。本文结合现场测试、撞击载荷计算和有限元仿真, 对撞击条件下机架强度进行研究, 得出最大撞击载荷下机架的安全系数, 为制定轧制规程提供科学依据。2 现场测试分析2.1 测试参数与方法图 1 为某四辊大型板带轧机结构示意。图 1 四辊大型板带轧机结构示意图 Fig.1 Structural diagram of four-high heavy plate mill 下载原图1-压下平台, 2-机架, 3-工作辊, 4-轧件, 5-机架辊, v1-轧件喂钢速度, v2-压下平台最大速度, n1-机架辊转速, n2-工作
6、辊转速2.1.1 测试参数测试针对轧制水平方向的振动展开。测试对象:机架最上端压下平台、轧件、工作辊、机架辊。测试参数:撞击时轧件喂钢速度 v1, 撞击时压下平台最大速度 v2 (由 v2求机架最上部摆动最大位移 x2max) , 机架辊转速 n1, 工作辊转速 n2.2.1.2 测试方法现场测试传感器布置如图 2 所示。1) 最大速度 v2和最大位移 xmax测试选用 SC-2 型低频磁电式速度传感器, 安装在压下平台两侧机架顶部中心位置的专用支架上, 来测量被测点在撞击时的水平摆动速度, 采集信号经隔离放大器放大后进入计算机数据采集系统进行处理, 获得撞击时最大水平摆动速度 v2, 再经组
7、合式应变仪中的电压积分功能获得位移信号。图 2 现场测试布置简图 Fig.2 Field test layout diagram 下载原图1-轧件, 21-操作侧速度传感器, 传动侧速度传感器, 机架, 41-上支撑辊, 42-下支撑辊, 51-上工作辊, 52-下工作辊, 6-上传动电机, 62-下传动电机, 71-上传动直流测速发电机, 72-下传动直流测速发电机2) 转速 n2和 n1 (速度 v1) 测试采用 SF-100 型直流测速发电机, 将转速线性地转换成电压量, 经隔离放大器衰减成小于 5v 的信号送至计算机系统进行数据的采集、处理。3) 测试信号标定速度传感器标定在标准试验台
8、上进行, 将速度传感器固定在试验台上, 由试验台产生一个正弦振动量, 受到机械振动后, 速度传感器产生一个与振动速度成正比的电压输出 (图 3) .直流测速发电机用标准 BZ-4 型转速效验器标定, 将其与效验器连接, 效验器测得电机转速, 直流测度发电机则输出与其显示对应的电压值, 根据转速值与电压值绘制标定特性曲线 (图 4) .图 3 SC-2 型速度传感器标定曲线 Fig.3 Rating curve of SC-2 speed transmitter 下载原图图 4 直流测速发电机标定曲线 Fig.4 Rating curve of DC Tachogenerators 下载原图2.
9、2 测试结果与分析其它条件不变的情况下, 撞击载荷 F 与轧件 m 关系为: , 在测试轧件选取上, 选择 9 块最大规格轧件 (2001 6003 200 mm) 进行测试。2.2.1 机架水平摆动速度测试结果 (表 1) 及分析由表 1 分析知:在逐道次的测试中, 第 1 道次沿轧制方向的摆动速度平均值最大, 为 56.60 mm/s, 最大值 v2=67.03 mm/s (图 5 及其频域图 6) , 随着轧制道次增加, 沿轧制方向摆动速度逐渐减小。表 1 机架纵向摆动速度测试结果汇总 (mm/s) Tab.1 Summary of test results of horizontal
10、swing to housing (mm/s) 下载原表 图 5 机架纵向摆动最大速度典型波形图 Fig.5 The typical waveform of maximum speed of horizontal swing to housing 下载原图图 6 机架纵向摆动最大速度典型频域图 Fig.6 The typical frequency domain of maximum speed of horizontal swing to housing 下载原图图 6 知摆动频率为 f2=6.52 Hz, 机架最大位移 x2max=v2/2f 2=1.636 mm, 此数值虽不大, 但其摆
11、动频率 f2=6.52 Hz 属于低频, 外界看来, 受到撞击后, 机架摆动明显。2.2.2 机架辊转速 n1和工作辊转速 n2测试结果(见表 2) 2.3 测试小结上述分析可知, 最大规格轧件第 1 道次位移是最大的, 为 1.636 mm, 此时撞击载荷 F 也最大, 因此以产生最大位移的撞击载荷 F 为切入点对机架强度进行分析。3 最大撞击载荷的计算针对第 9 块轧件的相关参数及测试数据, 对撞击载荷进行计算, 为机架受到轧件对其最大水平撞击后的强度进行分析。3.1 撞击载荷的传递与排布撞击载荷先由轧件传给上下工作辊, 上工作辊轴承座传递给上支承辊轴承座, 上支承辊轴承座沿水平方向传到机
12、架;因下工作辊轴承座通过压紧缸使下辊系紧密连在一起的, 撞击载荷一方面通过下工作辊轴承座直接传给机架;另一方面, 由于下辊系间摩擦力的存在, 下支撑辊受到下工作辊给它的摩擦力直接通过其轴承座作用于机架上 (图 7) .3.2 撞击载荷 (线性) 分布的最大集度计算根据文献5中的公式, 结合机架尺寸、轧件数值、材料参数、载荷分布等边界条件, 将相关数值带入计算得到机架上线性分布载荷的最大集度为:表 2 第 1 道次机架辊转速 n1 和工作辊转速 n2 测试结果汇总 (rpm) Tab.2 Summary of test results of the first pass rack roller
13、speed n1&working roll speed n2 (rpm) 下载原表 图 7 撞击载荷在机架上排布 Fig.7 Impact arrangement of housing 下载原图4 机架强度分析4.1 实体模型建立与网格划分考虑结构对称性, 建立 1/2 机架实体模型并采用四面体单元和六面体单元进行网格划分 (图 8) , 模型节点数 95 130, 单元数 63 224.图 8 机架实体模型和有限元网格划分 Fig.8 Entity model of housing and finite element mesh 下载原图4.2 位移计算与分析把 q1q6数值带入模型计算的位
14、移结果图 9 所示:受到撞击后机架在轧制方向上的最大位移 1.887 mm, 现场实测位移 1.636 mm, 误差 13.3%.原因是没考虑撞击载荷在传递过程中的损失, 说明现场测试与仿真结果是一致的, 同时也说明撞击载荷的计算及排布是符合实际的。4.3 强度计算与分析机架等效应力如图 10 所示。采用第四强度理论进行校核, 则有 nf= b/ ef, 机架材质 ZG260-500, b= (500600) MPa6, 取中间值 b=550MPa, ef=92 MPa, 则 nf=5.98, 从静力学角度看, 该数值完全满足安全生产的需要, 但作为不可更换的一次性零部件, 机架受到长期的不间
15、断冲击, 会产生较大的交变应力, 一般认为安全系数不低于 8 是安全的, 显然该机架安全储备不足, 为能使机架更安全, 需要对 n1、n 2等相关工艺参数进行优化。图 9 水平方向位移 Fig.9 Horizontal displacement 下载原图图 10 等效应力图 Fig.10 Equivalent stress 下载原图5 结论(1) 采取现场测试及有限元仿真的方法对某大型板带轧机机架撞击载荷下的位移进行分析, 二者得出的结果是吻合的, 说明撞击载荷的大小及其排布是符合实际的。(2) 对于该轧机最大规格轧件, 安全系数为 5.98 低于 8, 安全储备不足, 为了机架满足长期安全生
16、产的需要, 建议对 n1、n 2等相关参数进行优化。参考文献1陈凤森.2050 可逆轧机主传动系统动态参数测试与故障分析D.沈阳:东北大学, 1997. 2朱长启, 杨兆亮, 郭宇强.中厚板精轧机机架强度和刚度分析J.辽宁科技大学学报, 2011, 34 (3) :243-247. 3姚兴磊, 张德臣, 李志明, 等.基于 ANSYS 的 5500mm 宽厚板轧机机架的强度和刚度分析J.辽宁科技大学学报, 2013, 36 (4) :368-371. 4狄长安, 孔德仁, 贾云飞, 等.工程测试与信息处理M.北京:国防工业出版社, 2010. 5薛垂义.大型轧机撞击力的分析J.重型机械, 2004 (4) :53-56. 6邹家祥.轧钢机械M.北京:冶金工业出版社, 2007.
