組合鑲套軋輥輥套竄動失效仿真模擬

■ 軋輥復合材料國家重點實驗室 （河北邢臺 054025） 孫熙釗 王慶軍 劉振立

某鋼廠使用的組合鑲套萬能水平軋輥在軋制過程中出現(xiàn)輥套竄動現(xiàn)象，輥套向操作側竄動4～18mm不等，導致軋輥不能繼續(xù)使用。本文利用有限元分析軟件Ansys Workbench對該組合輥的軋制過程進行模擬仿真分析，分析認為發(fā)生輥套竄動的原因主要是由于該組合輥結構設計不合理，導致輥套竄動失效。

1. 模擬仿真分析

通過對現(xiàn)場數據的測量和軋制情況的了解，按組合輥原圖樣設計結構，利用UG分別對輥軸和輥套進行建模，然后裝配。根據實際情況，過盈量設置為0.6mm。原圖樣設計結構如圖1所示，模型分別如圖2～4所示。

（1）有限元分析。材料屬性設置如附表所示。

圖1 原圖樣設計結構示意圖

根據相關資料，軋制力設定為5×106N。兩端端面固定支撐，在兩端主軸頸施加+Y軸承載荷為5×106N，兩側各承擔2.5×106N，在輥套上施加-Y軸承載荷為5×106N，扁面處轉矩為750kNm。接觸表面類型設置為摩擦接觸不對稱接觸，摩擦系數設為0.18（見圖5）。

（2）網格劃分。模型網格劃分是將幾何形體離散成單元和節(jié)點的過程。網格劃分成功與否及精細程度都會直接影響到有限元分析的結果。節(jié)點為129 708，單元數為78 175（見圖6）。

（3）模擬計算結果如圖7所示，從中可看出，輥套沿軸向往操作端發(fā)生位移12.307mm，與實際情況基本吻合。

圖2 輥套

圖3 輥軸

圖4 組合輥

材料屬性設置表

圖5 約束和載荷

圖6 網格化分

2. 結果分析

據現(xiàn)場了解，該軋輥軋制的是重軌產品，軋制時不可避免地存在一定的軸向分力。而原圖樣設計結構顯示，輥套與輥軸組裝后，只在傳動側有定位臺，而在操作側沒有設計定位臺，這種定位稱之為單向定位。模擬顯示，在軋制過程中，輥套傳動側端面受到較大軸向分力，軸向分力方向指向操作側，在該軸向分力作用下，輥套向操作側方向產生了位移，位移量與軸向分力的大小相關。

根據以上分析，為防止輥套的位移，需要對原圖樣設計的結構進行改進，在輥軸操作側增加定位臺，以實現(xiàn)輥套在兩個方向都能夠定位，這種定位稱之為雙向定位。改進后圖樣設計結構示意圖如圖8所示，按該結構再次進行模擬仿真分析。

3. 圖樣改進后模擬仿真分析

模型建立、裝配過盈量及材料性能參數等同上，進行網格劃分，節(jié)點為116 503，單元數為69 331，如圖9 所示。

根據相關資料，軋制力設定為5×1 06N。兩端端面固定支撐，主軸頸施加+Y軸承載荷為5×1 06N，兩側各承擔2.5×1 06N，在輥套上施加-Y軸承載荷為5×106N，扁面處轉矩為750kNm。軸向位移-X為0.202 6 4 m m，如圖10所示、

圖7 輥套軸向位移

圖8 改進后圖樣設計結構

圖9 網格劃分

圖10 邊界條件設定

圖11 雙向定位軸向位移

由圖11可以看出，在雙向定位的方式下輥套沿軸向，往操作端發(fā)生位移僅為0.202 64mm，遠小于原圖樣設計結構的12.307mm。

4. 結語

通過以上仿真模擬、分析，表明相同軋制條件下，單向定位的輥套軋制時竄動的可能性很大。主要是因為軋制過程中輥套承受的軸向分力較過大，裝配過盈量一定時，單向定位的輥套無法承受過大的軸向分力，造成輥套向非定位側產生較大位移。而雙向定位的輥套，由于兩個方向均設計有定位臺，可承受雙向的軸向分力，其產生的位移量要比單向定位時小很多，幾乎沒有位移。

由此表明針對特定的軋制品種，原圖樣的結構設計存在較大缺陷。對組合輥來說在相同的軋制環(huán)境下（溫度、載荷），雙向定位方式可避免輥套產生竄動。針對以上問題，提出的改進措施、修復建議如下：

（1）根據軋制條件相應增加裝配過量。但應注意加大裝配過盈量后，輥套裝配后開裂的風險相應加大。

（2）對組合輥輥軸裝配部位結構進行改進，根據軋制品種的不同，選擇輥套雙向定位的組合結構，以有效防止組合輥輥套竄動。

（3）為修復失效的軋輥，建議拆卸下輥套，重新進行裝配。輥套裝配后在輥軸操作側增加定位裝置。

[1] 許京荊. ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術 [M]. 北京：中國水利水電出版社，2012.

[2] 田啓鍵. 有限元接觸分析解決過盈配合難題 [J]. 金屬加工（冷加工），2009（20）：68-69.