寬厚板軋機支撐輥輥頸圓角受力分析與優(yōu)化

鄧華 方威

摘要：寬厚板軋機是軋制生產(chǎn)線的主要設備之一，目前普遍采用工作輥驅動的四輥形式，其中支撐輥的主要功能為支撐工作輥，其使用性能直接影響板材質量及經(jīng)濟效益。支撐輥在使用中承擔了軋制過程的大部分軋制彎矩，在交變載荷下易在輥頸R角部位產(chǎn)生應力疲勞，而應力集中部位工作環(huán)境較差，其動密封結構會在此處產(chǎn)生磨損從而加劇應力集中情況。本文通過對支撐輥進行有限元分析優(yōu)化了輥頸部位的尺寸結構，大幅降低了應力水平。

關鍵詞：寬厚板支撐輥應力集中對稱循環(huán)

The Stress Analysis and Optimization ofNeck Arc Angle with Wide and Heavy Plate back-up roll

DengHua FangWei

（Xiangtan Iron and Steel Co.，Ltd.of Hunan Valin Xiangtan 411101，China）

Abstract：The wide and heavy plate mill is one of the main equipments of the rolling production line.At present，the four-roller form driven by the working rolls is generally used.The main function of the back-up rolls is to support the working rolls，and the performance of the back-up rolls directly affects the quality of the plates and economic benefits.The back-up roller bears most of the rolling bending moment of the rolling process in using，and it is easy to generate stress fatigue at the R angle of the roll neck under the alternating load.The working environment of the stress concentration part is poor，and the dynamic sealing structure will be here.Wear occurs at the site to increase stress concentration.In this paper，the finite element analysis of the support roller optimizes the size structure of the neck of the back-up roller and greatly reduces the stress level.

Keywords：wide and heavy plate；back-up roll；Stress concentration；Symmetric cycle；

前言

寬厚板軋機是軋制生產(chǎn)線的主要設備之一，目前普遍采用工作輥驅動的四輥形式，其中支撐輥的主要功能為支撐工作輥，其使用性能直接影響板材質量及經(jīng)濟效益。見圖1寬厚板軋機模型[1]。

由于支撐輥的直徑遠大于工作輥直徑，因此其承受了大部分的彎矩，而工作輥則用于承擔扭矩。在軋制時支撐輥的輥身始終保持與工作輥輥身滾動接觸，支撐輥在彎矩的作用下其輥頸由于橫截面突然變化存在輥徑R角的起始位置及終了位置的應力集中。當支撐輥旋轉一周時，R角的彎曲正應力完成一個循環(huán)交變周期的加載過程，拉壓變曲正應力呈交互變化（R=-1），見圖2支撐輥變曲應力分布。另外，支撐輥輥頸R角區(qū)域的工作環(huán)境惡劣，存在潮濕、腐蝕的情況，一旦此區(qū)域出現(xiàn)裂紋，裂紋將會在交變應力的作用下不斷擴展。當裂紋擴展到臨界值時，在外部載荷過大的情況下支撐輥將會瞬間斷裂，造成重大生產(chǎn)影響及設備損失。

某寬厚板廠精軋機是四輥可逆軋機。由于產(chǎn)量不斷的提高，鋼種結構發(fā)生變化，導致原來的生產(chǎn)工藝已不能滿足要求，在控軋控冷的工藝要求下，采用了低溫大壓下減少軋制道數(shù)從而提升鋼板性能。在大壓下的情況下軋制力極高，導致支撐輥輥頸R角應力升高。由于該寬厚板廠投產(chǎn)較早，采用國產(chǎn)支撐輥，當時制造工藝不夠成熟，制造過程中精確控制材料成分及有害元素的能力偏低，鑄造缺陷難以控制，鍛造工藝較差，導致安全系數(shù)偏低。同時該寬厚板廠的支撐輥設計輥形在輥身與輥頸處的過渡區(qū)截面尺寸落差過大，導致其設計結構本身存在著明顯的缺陷。因此在實際應用中出現(xiàn)了多次輥頸R角部位的斷裂事故，造成了巨大損失。

分析事故原因有如下幾條：1、支撐輥載荷過大，經(jīng)常達到設計軋制力、甚至有超軋制力的情況；2、支撐輥制造質量差，實際UT探傷檢查發(fā)現(xiàn)內部缺陷較多，力學性能檢測數(shù)值也偏低；3、支撐輥輥頸部位結構不合理，輥身與輥頸部位過渡區(qū)的截面尺寸落差太大；4、支撐輥輥頸部位的密封結構設計不合理，密封對輥頸R角部位作相對轉動，造成R角部位有周向磨損情況，實際使用中發(fā)現(xiàn)R角部位有磨損的周向細槽，進一步增加了此部位的應力情況。針對以上事故原因提出了如下應對措施：1、由于生產(chǎn)結構的限制，對軋制力超設計的情況予以限制，避免超軋制力的情況，但由于產(chǎn)量及品種結構的限制，難以有限控制；2、對新制支撐輥提出更高要求，包含了機械性能及缺陷等級，確保產(chǎn)品質量；3、對支撐輥輥頸部位的結構進行受力優(yōu)化分析，提出新的結構形狀，降低應力、并應用在新制支撐輥上；4、對輥頸R角部位的密封結構重新設計，匹配新制支撐輥，將與輥頸R角部位接觸的密封改為靜密封，避免R角部位的磨損造成的應力集中加劇的情況[2]。

本文主要針對上文的提到的第3點應對措施作詳細分析說明，采用有限元法對R角部位進行受力分析求解危險截面應力場，并根據(jù)應力情況對R角部位的尺寸形狀進行優(yōu)化，同時對比應力情況從而找出最合理的輥頸R角結構形狀。

1支撐輥有限元模型的建立及模擬

單獨對支撐建立有限元模型，如圖3。采用六面體單元對支撐輥劃分網(wǎng)格，并在支撐輥輥頸R角區(qū)細化網(wǎng)格。共劃分186304個節(jié)點和127071個單元，單元平均尺度為147mm，最小尺度為20mm，如圖4。然后對支撐輥的輥身添加零位移約束。另外對兩側與油膜軸承錐套配合的輥頸錐面部位施加8000T的載荷，如圖5。

對支撐輥進行有限元應力分析后得到圖6的支撐輥主應力狀態(tài)圖，（a）顯示為第一主應力，（b）顯示為第三主應力。由此可見遠離工作輥的R角部位是處于三向拉應力狀態(tài)，應采用最大主應力進行強度計算。而靠近工作輥的R角部位是處于三向壓應力狀態(tài)。因此可以判斷支撐輥R角的最大主應力位置從遠離工作輥的一端旋轉到靠近工作輥的一端的過程中，其應力狀態(tài)是從三向拉應力轉變?yōu)槿驂簯Γ摬课坏膽μ幱趯ΨQ循環(huán)應力狀態(tài)，與前文分析相符[3]。

2支撐輥R角部位的尺寸結構優(yōu)化分析

在確認R角部位為危險截面后進一步分析R角的尺寸大小對應力所產(chǎn)生的影響，初步分析為增加危險截面的R角尺寸可以降低此處的應力水平。圖7為初始設計的支撐輥R角部位的尺寸，由兩個圓弧段、一個直線段及一個斜線段組成。其中斜線段用于與密封相配合，優(yōu)化時可以適當減小長度，直線段用于測量輥頸錐面起始位置的尺寸，也可以適當減小長度，危險截面在靠右側的圓弧段。在增加危險截面尺寸后將會導致斜線段的長度減小，實際優(yōu)化過程中將直線段的尺寸減小至3.54mm并留出測量部位，這樣可以有效增加危險截面的直徑從而降低應力。同時可以發(fā)現(xiàn)當危險截面的R角部位尺寸增加至R130時斜線段的尺寸將會減小至11.38mm，此時斜線段由于太短，將不利于與密封唇口的接觸，而改為R120時斜線段的尺寸為18.38mm，可以滿足密封結構優(yōu)化的條件，見圖8R角部位的優(yōu)化尺寸圖。因此在分析時認為危險截面的R角部位改為R130是極限尺寸[4]。

在確定完危險截面的R角部位的尺寸優(yōu)化方案后分別對不同尺寸大小的R角部位進行有限元分析并得出相應的應力值，見表1危險截面R角部位尺寸優(yōu)化后的應力對比值。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)隨著R角尺寸的增加（從R65mm增加至R120mm），S1（Y）從556.3MPa減小至438.2 MPa（減小21.2%），應力減小程度明顯。特別是當直線段從15mm減少至3.54mm時應力減小明顯，這一點與前文分析相符，而當直線段減少至3.54mm后，通過減小R角的尺寸時應力是逐漸減小的。

3.實際改造應用

在經(jīng)過對R角的有限元優(yōu)化分析后確定了將R角由R65改為R120的方案，同時優(yōu)化了直線段的尺寸。隨后針對前文提及的密封結構進行了重新設計并匹配了改造后的支撐輥及軸承座，改造完后的密封結構從原來的動密封改為靜密封，避免了密封長期使用導致的R角磨損造成的應力集加劇的情況。同時對新制支撐輥的制造工藝提出了更高的要求。目前改造后的支撐輥結構已實現(xiàn)應用，狀況良好，可以滿足改造要求。

4.結束語

本文以某寬厚板廠支撐輥為研究對象，針對使用情況及事故分析情況提出了優(yōu)化支撐輥輥頸處R角的尺寸結構從而顯著降低應力水的方案，從而提高了支撐輥的使用壽命。本文得出如下結論：

（1）在靜載荷作用下，支撐輥輥頸部位的R角存在應力集中。在遠離工作輥的R部位為三向受拉情況，而靠近工作輥的R角部位為三向受壓情況，此部位處于循環(huán)對稱應力狀態(tài)。

（2）通過減小輥頸R角部位的直線段的長度可顯著增加R角部位的危險截面的直徑，從而顯著降低其應力水平，但不能完全取消該直線段以避免輥頸錐面的起始處的尺寸難以測量的情況。

（3）通過增加輥頸R角的尺寸可有效降低其應力水平，但需要考慮密封的后續(xù)改造，以保證密封性能。

參考文獻

[1]王國棟，中國中厚板軋制技術與裝備.2009，北京：冶金工業(yè)出版社.

[2]王德俊，平安，徐灝，隨機疲勞載荷的處理及載荷譜編制準則.東北大學學報，1994（04）：p.327-331.

[3]趙永翔，楊冰，張衛(wèi)華，隨機疲勞長裂紋擴展率的新概率模型.交通運輸工程學報，2005（04）：p.6-9.

[4]Allegri，G.and X.Zhang，On the inverse power laws for accelerated random fatigue testing.International Journal of Fatigue，2008.30（6）：p.967-977.

（作者單位：湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司）