電梯T型導軌殘余應力的有限元分析

王紅穎，趙炳利，王 東

(燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

電梯T型導軌殘余應力的有限元分析

王紅穎，趙炳利，王 東

(燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

針對電梯T型導軌的輥式矯直法，提出了一種新的矯直模型。利用軟件進行建模并在ANSYS軟件中進行有限元分析，將該模型與傳統的輥式矯直模型進行對比，得出新模型的優越性。在此基礎上，通過改變新模型個別輥的輥徑，探討由于磨損導致輥徑的變化對殘余應力和矯直質量的影響，從而得出新模型的優化方向，為電梯T型導軌的輥式矯直法研究提供一定的理論依據。

電梯T型導軌；輥式矯直；殘余應力；矯直質量；有限元分析

0 前言

電梯T型導軌作為引導電梯轎廂運行的導向裝置，在電梯轎箱和重裝置升降中起導向作用，被廣泛應用于建筑中。電梯T型導軌用兩輥軋機或四輥萬能軋機軋制成型[1]。近年來，隨著高層建筑的逐年遞增及電梯運行速度的增加，T型電梯導軌的數量、品種不斷增加，用戶對其要求也越來越高。T型電梯導軌面的平直度是影響電梯水平振動的重要因素。由于熱軋并矯直后的T型電梯導軌的精度難以直接達到使用要求，為保證電梯運行的平穩性、舒適型、無噪聲和無顫動，須對T型導軌進行校直，所以需要采用刨床或拉床加工。

涉及電梯導軌標準主要有兩個標準[2,3]，定標準時，導軌是按交貨長度進行定尺矯直[4]和刨床加工。隨著科技進步及加工方法的變化，目前已向長尺矯直、拉床加工方向轉變，矯直后再進行定尺，加工余量越來越少，精度要求越來越高。對于長尺矯直，由于軋制及冷卻不均等原因，采用傳統矯直輥分布結構，常常出現咬入困難等問題。基于夾緊輥的矯直機能有效克服難于咬入及自動喂料等問題。常見的電梯導軌矯直問題屬于等截面梁彎曲的問題。扁鋼矯直壓下規程及孔型優化[5]確定了一種帶夾送輥的矯直機結構，該機現在已經在撫順某鋼廠使用三年，該矯直機也與文獻[6，7]提出的矯直理論相一致。針對傳統輥式矯直法的矯直力、矯直質量、殘余應力，有較多的參考文獻[8-10]可以查找?；谟邢拊猍11]的方法，本文比較兩種矯直方案中矯直力的變化、矯直質量和殘余應力，再通過改變矯直輥直徑，得出矯直輥直徑對矯直質量和殘余應力的影響，為輥式矯直電梯導軌提供調整依據。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

新型矯直機是在入口段設置了夾緊輥，如圖1a所示，該模型與某公司在訂購的矯直設備相同；現用的矯直電梯導軌的矯直機是10輥的矯直機，不設置夾緊輥，如圖1b所示。首先，用Solidworks軟件建立三維模型，然后導入到ANSYS中進行有限元分析。取待矯直的T型導軌型號為T125，長度取為2 000 mm。在模型結構中將導軌放在入口矯直輥的前端，這樣能減少計算時間。在圖1的模型中，假設來料是平直的軋件，即矯直前的鋼材原始曲率為零。

圖1 矯直模型Fig.1 Straightening model

1.2 物理模型

模型選用八節點實體單元，采用單點積分以節省計算時間。軋件材料選取Q235A，單元選用雙線性各向同性材料，其材料參數如表1所示?？紤]到矯直輥環受到矯直軸的支撐作用，將矯直輥環設置為剛性體，其材料參數如表2所示。將矯直輥以及鋼板密度放大100倍，以此加快計算速度。

表1 電梯導軌的材料參數

表2 矯直輥的材料參數

1.3 約束、初始條件和加載求解

在矯直過程中,對矯直輥施加繞Z軸線的轉動，同時約束矯直輥X、Y、Z方向的平動和繞X、Y軸線的轉動，通過節點組件的方式約束導軌底板Z方向上的平動；導軌的前進主要靠矯直輥與導軌接觸面的摩擦帶動，設定矯直輥與導軌的接觸方式為自動表面-表面接觸，接觸類型為剛體-變形體接觸。仿真過程中，矯直輥與導軌的靜摩擦因數取0.3、動態摩擦因數取0.2，電梯導軌的矯直速度為取0.5m/s，分別對鋼板和矯直輥施加X向速度和繞Z軸線的角速度。求解時間根據兩個模型的具體尺寸求得，輸出文件設定為200個子步，設定矯直輥與導軌上下表面的接觸反力為矯直過程中的矯直力。

2 仿真結果對比分析

2.1 殘余應力的對比

在金屬的塑性成型過程中，由于加熱、變形、冷卻不均勻，都會在工件內出現宏觀級、微觀級和原子級的附加應力。當外力消失后，在變形體內所留下來的附加應力——殘余應力。電梯導軌在完成矯直變形后，由于矯直過程中彈塑性變形產生了新的應力變化，當矯直力消失后，在軋件內部殘留下的附加應力即為矯后殘余應力。當殘余應力大到一定程度，會造成軋件翹曲(彎曲)等缺陷。

根據文獻[5-10]可知，軋件殘余應力主要因素是壓下量、矯直溫度、矯直速度等，且壓下量、矯直溫度和矯直速度與殘余應力大概呈線性關系，根據有限元模型模擬所確定的平均殘余應力值和模型所用的矯直參數，用 Origin 軟件進行多元線性回歸，由此得到軋件平均殘余應力的計算模型為：

σ=-23.1449+1.0256δ1+4.10562δ2+

0.02395T+9.76071ε

式中，σ為平均殘余應力/MPa；δ1為矯直機前兩輥壓下量/mm；δ2為矯直機后兩輥壓下量/mm；T為矯直溫度/℃；ε為矯直速度/(rad·s-1)。

在ANSYS后處理軟件中，提取兩個模型的殘余應力，得到的結果如圖2所示。

圖2 殘余應力分布云圖Fig.2 Residual stress distribution nephogram

通過觀察圖2可以看出：由于電梯導軌的頭部、尾部矯直時為自由端，所受到的力矩較小，接觸應力較小，導致電梯導軌頭尾端殘余應力也較小，而導軌中部受到較大的力矩作用，接觸應力比較大，因此導致電梯導軌中部殘余應力較大。在某一相同壓下量條件下，提取矯直后等效應力曲線數據，圖2a中不同位置點的殘余應力為9.7～158 MPa,圖2b中的殘余應力為9.8～171 MPa。由此推出，兩者相比，新型矯直模型具有較小的最大殘余應力和最大最小殘余應力的差值，且殘余應力分布也較為均勻，矯直后發生彎曲的可能性較小，因此具有更好的矯直質量。

2.2 導軌端部矯直質量對比

圖3是兩種模型的電梯導軌軌端的局部放大圖，該圖截取自殘余應力云圖。

圖3 導軌端部矯直質量Fig.3 Straightening quality at the rail end

從圖3中可以明顯看出，有夾緊輥的矯直模型的端部矯直質量優于現行的矯直模型。雖然圖3a中電梯導軌端部的殘余應力比圖3b中電梯導軌端部的殘余應力大，但是從整根電梯導軌的殘余應力分析可以知道，這并不能決定矯直質量。

3 輥徑變化對矯直的影響

3.1 輥徑變化對殘余應力的影響

以圖1a的模型作為研究對象，矯直機的3#、4#輥徑減少量分別為0.1%、0.075%和3#、4#輥徑減少量分別為0.2%、0.15%時，電梯導軌殘余應力的分布如圖4所示。

通過分析圖4，可以發現與圖2a具有相同的殘余應力分布規律，導軌頭尾兩端殘余應力較小，導軌中部的殘余應力較大。在某一壓下量條件下，經提取矯直后的殘余應力等值曲線，圖4a及圖4b中的殘余應力在9.7～170 MPa之間。兩者殘余應力分布情況相似，殘余應力值也沒有明顯的區別。根據以上情況，可以推測出這兩種直徑變化情況下對殘余應力沒有明顯影響，但是不能推測出直徑變化不會改變殘余應力，因為與原模型相比，這兩個模型的最大殘余應力有一定程度的降低。

3.2 輥徑變化對導軌端部矯直質量的影響

圖5是兩種模型端部的局部放大圖，該圖截取圖4中的自殘余應力云圖。

圖4 輥徑變化后的殘余應力分布云圖Fig.4 The residual stress distribution nephogram caused by roller diameter changes

圖5 導軌端部矯直質量Fig.5 Straightening quality at the rail end

從圖5中可以明顯看出，輥徑減少量為0.1%、0.075%時的矯直模型的端部矯直質量優于輥徑較少量為0.2%、0.15%時的矯直模型，二者端部殘余應力的分布相似。與原模型相比，這兩個模型的端部矯直質量均有明顯降低，由此可見，矯直輥微量磨損造成的輥徑變化對殘余應力影響不大。

4 結論

通過以上模擬和分析，可以得到以下結論：

(1)設有夾緊輥的矯直模型與不設夾緊輥的矯直模型相比，無論是在殘余應力還是導軌端部矯直質量方面，設有夾緊輥的矯直模型都具有很大的優勢；

(2)在設有夾緊輥及其他條件不發生變化的前提下，通過改變3#、4#輥的輥徑，對模擬結果的殘余應力對比，三種情況下殘余應力分布比較相近，最小殘余力值也相差不大。但隨著輥徑變化增大，矯直平直度也降低；

(3)通過模擬分析，輥徑變化并非對殘余應力和矯直質量都有益，但輥徑的減少還是會在某種程度上產生積極影響。因此我們要根據實際需要，具體問題具體分析，正確處理輥徑磨損的問題。

[1] 鄒家祥. 軋鋼機械[M]. 北京: 冶金工業出版社，2011:211-215.

[2] YB/T 157-1999，電梯導軌用熱軋型鋼[S].

[3] GB/T 22562-2008，電梯T型導軌[S].

[4] 崔甫. 矯直原理與矯直機械[M]. 北京: 冶金工業出版社，2002:157-161.

[5] 戚偉濤. 扁鋼矯直壓下規程及孔型優化[D]. 秦皇島: 燕山大學工學碩士學位論文,2013:58-72.

[6] 崔甫,楊會林.對于矯直技術領域中一些認識新區的討論[J].重型機械，2015(1):2-5.

[7] 崔甫.對矯直技術領域中一些認識誤區的討論[J].重型機械，2013(2):1-4.

[8] 趙炳利,楊寶來,展邦華.壓下量對工字鋼矯直質量的有限元分析[J].機械設計與制造，2010(6):6-7.

[9] 李樂毅,王海瀾,王效崗,等.輥式矯直過程中輥間張力對矯直力的影響[J].重型機械，2014(5):23-28.

[10]劉炳新,李秋彬,姚海英,等.工字鋼輥式矯直時腹板作用的有限元仿真分析[J].唐山學院學報，2004(4)：92-94

[11]丁毓峰. ANSYS12.0有限元分析完全手冊[M]. 北京: 電子工業出版社，2011，65-67.

Finite element analysis of guide rails for lift-T-type residual stress

WANG Hong-ying，ZHAO Bing-li， WANG Dong

(Mechanical Engineering Academy, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In view of the guide rails for lift-t-type roller straightening method，this paper proposes a new model of straightening. First of all, a model is created by the software and the model is imported into ANSYS for finite element analysis; then, the model is compared with the traditional roller straightening model and the superiority of the new model can be summarized. Based on this, by changing the individual roller diameter of the new model, the influence of roller diameter changes which is caused by the abrasion loss of straightening roll on the residual stress and the straightening quality is studied, and thereby the optimal solution is gained. This solution can provide certain theory evidence for the research of guide rails for lift-T-type roller straightening method.

guide rails for lift-T-type; roller straightening; residual stress; the straightening quality; finite element analysis

2016-01-11；

2016-02-05

王紅穎(1990-)，女，在讀研究生, 主要研究方向：型鋼矯直精度研究。

趙炳利(1962-)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為機械CAD，計算機圖學，型鋼矯直機研究。

TG333;TH122

A

1001-196X(2016)04-0066-04