基于有限差分法的工作輥彎輥撓曲計算

嚴國平

(中冶南方工程技術有限公司技術研究院 湖北武漢430223)

·設計與研究·

基于有限差分法的工作輥彎輥撓曲計算

嚴國平

(中冶南方工程技術有限公司技術研究院 湖北武漢430223)

以彎曲變形的微分方程為理論基礎，運用有限差分法相關原理對這些微分方程進行了相關推導，得出了一定彎輥力作用下工作輥撓曲變形計算的線性方程組表達式。通過給定的計算實例，編制了相關計算程序，完成了一定彎輥力作用下某工作輥的撓曲變形計算。結果表明：在較大彎輥力作用下，工作輥沿x軸正向各截面的撓曲呈非線性變大趨勢，且在彎輥軸承中心作用點處達到最大。此外，有限差分法不失為一種快速有效地求解工作輥多點撓度的計算方法。

有限差分法 工作輥 撓曲變形 程序求解

1 引言

工作輥是軋機輥系裝配中的重要組成部分，它直接與帶鋼接觸并在一定的軋制力下完成對帶鋼的軋制，工作時其通過一定的彎輥作用對軋制板形進行調節。因此，工作輥的強度與剛度的大小將直接對軋機的板形控制能力產生影響。故在進行軋機工作輥設計時，需對其工作時的撓度進行計算。

文獻[1]結合Singularity函數與Laplace變換給合的方法給出了階梯梁彎曲變形的表達式，文獻[2]采用階躍函數與拉氏變換對階梯梁彎曲變形的表達式進行詳細的推導，并結合書寫規則給出了主體計算代碼。文獻[3]利用奇異函數對階梯軸的彎曲變形進行了求解，并給出了求解示例。文獻[4]應用固定端法結合某一實例對階梯軸的變形進行了計算演繹。但是這些方法都較為復雜，對不同安裝方式都需要進行重新推導，不利于標準化設計，且推導都具有一定的難度，不利于實際工程設計應用。

采用有限差分法對工作輥撓度進行了計算。該法是一種數值分析方法，它將求解微分方程的問題轉化為求解代數方程組的問題，通過定義的邊界即可以迅速完成特定軸系的求解，具有較強的可操作性。

2 工作輥撓度計算的數學模型

根據軋機工作機制及工作輥受力特點，建立工作輥撓度計算的力學模型，如圖1所示。

圖1 工作輥撓度計算的力學模型

圖1中，以工作輥中心截面為固定支撐面，以軸承中心D點為彎輥力所在位置。OA段為工作輥實際工作段直徑d1，對應長度為l1，AB段為軸承座密封段直徑d2，對應長度為l2，BC段為過渡軸段直徑d3，對應長度為l3，CD段為工作輥軸承座對應安裝軸承段直徑d4，對應長度為l4。建立如圖1所示坐標系xoy，將工作輥軸向劃分成n等分，并給每個節點(每個節點代表一個截面)分別進行編號，從左至右為1，2，3，…，n。每個節點之間的間隔均為h，以向右方向為x軸正向。

對于任意截面，該截面的彎矩、轉角與撓度的關系可以用以下微分方程[5]表示：

(1)

式中yi—截面xi對應的軸心的撓度值；M(xi)—截面xi對應的彎矩值；E—工作輥材料的彈性模量；I(xi)—截面xi對應的截面慣性矩，與截面的軸徑有關；

θ(xi)—截面xi對應的轉角。

根據差分原則：

(2)

轉化后即有：

(3)

則有方程組：

(4)

由邊界條件知：

(5)

則解得：

(6)

組成AX=b的非線性齊次方程組即可有相應的矩陣表達式，如式(7)所示：

(7)

式(7)為一個三對角線性方程組，將系數矩陣求逆矩陣后，與右側的矩陣進行相乘，然后通過編制相應的計算求解程序，即可求得相應的工作輥撓度曲線。

3 具體計算實例

某工作輥撓度計算所需參數如表1所示。

表1 某工作輥參數表

結合圖1所示的計算力學模型，并代入表1中相關參數至(1)～(7)中，建立計算矩陣方程有：

(8)

根據式(8)編制相關的有限差分法計算程序，計算結果如下。

表2 截面計算撓度

從計算結果可以看到：沿著坐標x正向方向，各截面撓曲逐漸變大，這種變化趨勢呈非線性變化，在最外側在彎輥軸承中心作用點處撓曲值達到最大，最大值為0.474mm。這說明，在較大彎輥力作用下，工作輥軸承段的變形較大，在進行實際設計過程中，應該將工作輥的變形計算考慮至板形控制系統中，從而使軋機板形控制能力達到合理范圍。

圖2 工作輥彎輥的撓度曲線

4 結論

通過以上分析，可以得到如下結論：

1)在較大彎輥力作用下，工作輥沿x軸正向各截面的撓曲呈非線性變大趨勢，且在彎輥軸承中心作用點處達到最大。實際設計過程中，應考慮與軋機的板形控制相結合，以期能使彎輥效果達到理想狀態。

2)有限差分法是一種數值分析方法，通過差分方式可以快速有效地求得工作輥多點的撓度，這個能全面地反映工作輥沿x正向的彎曲變形情況，這對于類似的設計都具有沿用與借鑒意義，也為高度的程序化設計與計算提供了便利。

[1]陳連,王元文.階梯梁彎曲變形的普遍表達式及其應用[J].機械強度,2000,Vol.22(2):153-155.

[2]劉傳芬.階梯軸彎曲變形的通解及其應用[J].機械設計與制造,1993(3):37-39.

[3]王燮山.利用奇異函數求解階梯軸的彎曲變形[J].機械強度,1983(3):80-85.

[4]林成厚，郭華北.應用固定端法計算階梯軸(梁)的變形[J].山東科學,1996,Vol.9(4):26-29.

[5]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社,2000.

Calculation of Bending Rigidity for the Working Roll Based on Finite Difference Method

Yang Guoping

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

Based on the differential equations of bending deformation, the linear equations for the working roll deformation with the effect of a certain bending force was expressed by means of finite difference method. Through one given example, the corresponding calculation program was carried out for the working roll deformation. The results show that each section deflection along the positive x axis has the nonlinear changing trend with the effect of larger bending force. The deformation maximum exits on the loaded bearing center point. In addition, finite difference method is also rapid and effective for some similar solving problems.

Finite difference method Working roll Bending rigidity Programmed solution

嚴國平，1978年出生，畢業于武漢理工大學，工學博士，主要從事冶金設備的研發、機械系統設計與數值仿真研究

TG333.17

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.001

2014-03-18)