基于ANSYS的鑄機(jī)拉矯機(jī)拉輥再設(shè)計(jì)

石 剛，李 強(qiáng)，王冬冬，張浩東（.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，0400；.包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限公司設(shè)備動(dòng)力部，內(nèi)蒙古包頭，0400）

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基于ANSYS的鑄機(jī)拉矯機(jī)拉輥再設(shè)計(jì)

石 剛1，2，李 強(qiáng)1，王冬冬2，張浩東2
（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限公司設(shè)備動(dòng)力部，內(nèi)蒙古包頭，014010）

摘要：針對(duì)5#鑄機(jī)拉矯機(jī)輥軸頻繁斷裂問題，利用ANSYS軟件對(duì)該軸輥四種狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果并綜合考慮輥軸的材料、5#鑄機(jī)的擴(kuò)能增效三方面因素最終確定了輥軸的尺寸。經(jīng)再設(shè)計(jì)改造后的5#鑄機(jī)拉矯機(jī)拉輥至今運(yùn)行平穩(wěn)未出現(xiàn)斷裂，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

關(guān)鍵詞：ANSYS；鑄機(jī)拉矯機(jī)；輥軸

0 引言

某煉鋼廠5#鑄機(jī)澆注斷面為280mm×380mm，流間距為1650mm，鑄機(jī)半徑12m，工作拉速0.65～0.7m/min，年產(chǎn)150萬噸高速軌、重軌。該鑄機(jī)是六機(jī)六流方坯鑄機(jī)，每流有5架拉矯機(jī)，其中1～4架形成連續(xù)矯直區(qū)，第4、5架拉矯機(jī)用于鑄坯的矯直和保持。拉矯機(jī)由驅(qū)動(dòng)輥、從動(dòng)輥、傳動(dòng)裝置、機(jī)架結(jié)構(gòu)、水冷及潤滑系統(tǒng)、防護(hù)板等組成，具有輕壓下時(shí)功能。澆注時(shí)，拉矯機(jī)將弧形鑄坯連續(xù)拉出并矯直；送引錠時(shí)，拉矯輥反轉(zhuǎn)，將引錠頭送入結(jié)晶器。

1 改造前5#鑄機(jī)拉矯機(jī)存在的問題

拉矯機(jī)輥在工作過程中主要承受矯直鑄坯（或輕壓下）時(shí)的反作用力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、本身由于受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力三方面載荷。由于設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的安全系數(shù)太小，導(dǎo)致輕壓下頻繁出現(xiàn)輥軸斷裂問題，僅2011年就出現(xiàn)38次。對(duì)此，借助于ANSYS軟件對(duì)拉矯機(jī)輥軸（參數(shù)：直徑450mm、軸徑:140mm、油缸：250/200-250、冷壓：12MPa、輕壓下壓力：10～11Mpa）分別進(jìn)行承受980KN鑄坯壓力、承受35000N·m轉(zhuǎn)矩、同時(shí)承受980KN壓下力和35000Nm轉(zhuǎn)矩、只考慮輥?zhàn)邮軣岙a(chǎn)生的熱應(yīng)力四種狀態(tài)的最大應(yīng)力分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該輥軸R5處圓角應(yīng)力可達(dá)到近300Mpa，溫度約100℃，而輥軸的材料35CrMo常溫下屈服極限為440Mpa（300～500mm），靜載安全系數(shù)僅為1.47（440/300）。而實(shí)際生產(chǎn)中輥軸承受的是交變載荷，更易因疲勞而產(chǎn)生破壞。考慮到輥軸對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)的重要性，現(xiàn)有輥軸安全系數(shù)1.47遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，導(dǎo)致了輕壓下時(shí)輥軸斷裂問題出現(xiàn)較多，以致依靠頻繁更換拉矯機(jī)來維持生產(chǎn)，不僅工作量巨大，而且嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

圖1 承受980KN鑄坯壓力

圖2 承受45000Nm轉(zhuǎn)矩

2 解決方案

針對(duì)該問題，對(duì)拉矯機(jī)輥軸進(jìn)行再設(shè)計(jì)。首先，將其安全系數(shù)取2，軸徑加粗到180mm、過渡處圓角增加到R10。其次，利用ANSYS軟件對(duì)該輥軸進(jìn)行承受980KN鑄坯壓力（圖1）、承受45000N·m轉(zhuǎn)矩（圖2）、同時(shí)承受980KN壓下力和45000Nm轉(zhuǎn)矩（圖3）、只考慮輥軸受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力（圖4）四種狀態(tài)的最大應(yīng)力分析。當(dāng)輥軸承受980KN鑄坯壓力時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在R10圓角處，約為85.5MMPa，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)157Mpa；同理，輥軸承受35000N·m轉(zhuǎn)矩時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在R8圓角處，約100Mpa，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)130Mpa；當(dāng)輥軸同時(shí)承受980KN壓下力和45000Nm轉(zhuǎn)矩時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在R8圓角處，約140Mpa，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)200Mpa；當(dāng)只考慮輥?zhàn)邮軣岙a(chǎn)生的熱應(yīng)力，在鑄坯處為800度，內(nèi)腔冷卻為50度時(shí)R10圓角處應(yīng)力約為100Mpa。

圖3 同時(shí)承受980KN壓下力和45000Nm轉(zhuǎn)矩

圖4 800度下輥軸受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力

3 結(jié)論

為確保5#鑄機(jī)當(dāng)下產(chǎn)能及將來提高拉速、增加產(chǎn)量的可能；另一方面5#鑄機(jī)拉矯機(jī)輥軸R10處圓角應(yīng)力可達(dá)到近240Mpa，溫度約100℃，同時(shí)結(jié)合軸頸材料42CrMo常溫下的屈服極限460Mpa（300～500mm）及靜載安全系數(shù)為1.9（460/240），綜合上述因素最終將軸徑尺寸定為180mm。

參考文獻(xiàn)

［1］張洪才，何波. 有限元分析：ANSYS13.0 從入門到實(shí)戰(zhàn) ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：501.

［2］葉勇，郝艷華，張昌漢. 基于ANSYS 的結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2004（6）：63-65.

Re design of the pulling roller of the casting machine drawing and straightening machine based on ANSYS

Shi Gang1，2，Li Qiang1，Wang Dongdong2，Zhang Haodong2
（1.College of mechanical engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010；）（2.Baotou Iron & Steel（Group）Co.，Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Abstract：According to the 5# casting machine pulling straightening roller shaft frequent fracture problem using software ANSYS stress analysis，based on the analysis results and considering the roller shaft material，5# casting machine expansion efficiency three aspects factors ultimately determine the size and axis of the shaft and four states.After re design and transformation of the 5# casting machine drawing and straightening machine is still running smoothly without fracture，to achieve a reduction of the efficiency.

Keywords：ANSYS；casting machine tension straightening machine；roller shaft

作者簡介

李強(qiáng)（1961-），男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，內(nèi)蒙古包頭人，主要研究方向：制造業(yè)信息化、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論。

石剛（1981-），男，碩士研究生，工程師，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，包鋼集團(tuán)設(shè)備動(dòng)力部礦冶科從事于設(shè)備管理工作。