2150万能轧机机架强度有限元分析

郑云龙，涂川，李继宏，曹帅，马成斌，鞠德强

（鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁鞍山114021）

鞍钢2150热连轧生产线是我国自行研制设计开发的热轧带钢生产线，装机程度达到世界先进水平。为满足该生产线轧制工艺需要，在粗轧区布置了一架万能轧机，实现了板坯每道次压下与侧边的连轧，大大提高了轧线的生产效率。机架作为轧机的关键部件，其力学性能直接影响轧机寿命和带钢生产质量。因此，文中对2150热连轧轧机机架进行了深入的研究，为今后轧机的设计、制造和改造等提供一定的理论依据和参考资料。

1 万能轧机机架有限元模型的建立

2150万能轧机机架由一个主机架 （水平辊机架）和两个位于其前后的立辊机架组成，这三个轧机机架各自具有用于固定用的地脚螺栓，两个立辊机架分别与主机架靠一组定位螺栓把合，因此三个机架不属于刚性连接，需分别建模进行分析，其机架结构如图1所示。

图1 2150万能轧机机架结构

1.1 万能轧机机架模型的建立

利用ANSYS软件进行有限元分析时，模型简化是一个关键性问题。建立模型时既要如实反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态[1]。在建立万能轧机机架有限元模型时，根据机架的结构和承载特点需要对真实模型作以下简化：

（1）考虑到主机架几何形状和载荷的对称性，故取其一侧牌坊建立三维有限元模型；

（3）由于万能轧机机架上的油孔和螺纹孔对主机架的分析影响很小，故将其忽略。

2150万能轧机主机架和立辊轧机机架在ANSYS前处理器中直接建立的三维模型如图2所示。

图2 机架三维模型

1.2 材料设置与单元网格划分

采用智能网格控制，对模型中机架的强度和刚度进行分析，智能网格控制能在弯曲和临界区域进行细化，生成合理的自由网格，使网格的粗细比例恰当，既满足解题的精度要求又节省计算空间。

2 边界约束及载荷的处理与计算

2.1 边界条件的约束处理

文中只研究承受轧制力时机架的力学特性，根据机架实际地脚螺栓约束情况，为有限元模型进行约束。由于主机架地脚螺栓主要限制主机架水平方向位移，而地基限制主机架垂直方向位移，因此，对主机架地脚螺栓孔的内表面施加X、Z两个方向的零位移约束；对主机架与地基的接触面施加Y方向的零位移约束。立辊机架地脚螺栓主要限制主机架水平方向位移，地基限制了立辊机架垂直方向位移，因此，对立辊机架地脚螺栓孔的内表面施加X、Z两个方向的零位移约束；对立辊机架与地基的接触面施加Y方向的零位移约束。

2.2 外载荷的施加

轧机机架在轧制过程中的受力很复杂，不仅需要承受轧制力，还要承受由其他因素引起的水平方向力，机架主要受力如下：

（1）通过支撑辊轴承座、压下螺丝等作用在机架横梁上的轧制力；

（2）各种水平力在机架上形成的倾翻力矩（包括不正常传动时所引起的倾翻力矩）在机架下支撑面上引起的反力；

（3）轧辊平衡装置所引起的作用于机架横梁上的附加力；

（4）由于万向接轴的倾斜传动引起的作用于主机架立柱上的周向冲击力；

如果仅需知道μ是否为Bessel测度而无需知道其界, 只需知道F*是否有意义即可。 因此有下面的推论。

（5）轧辊辊颈摩擦力矩通过轴承座在机架上引起的反力；

（6）坯料咬入时由加减速引起的作用在机架上的水平惯性力；

（7）由带材前后张力差引起的作用于机架上的水平力；

（8）机架自身所受的重力。

将机架上各项受力进行比较，轧制力值最大，其它各项受力均远小于轧制力，因此，忽略其它各项力的影响，仅取实际最大轧制力为外载荷，即：以主机架承受4 000 t轧制力和立辊机架承受300 t轧制力作为外载。机架的约束情况和受力情况如图3所示。

图3 机架加载情况

3 求解结果分析

当上述工作完成之后便可以通过后处理器求得一些相关数据。主机架空间变形情况如图4（a）、主机架沿Y轴方向的位移云图（对主机架轧制精度影响最大的方向）如图4（b）、主机架等效应力云图如图4（c）所示。立辊机架空间变形情况如图5（a）、立辊机架沿X轴方向的位移云图 （对立辊机架轧制精度影响最大的方向）如图5（b）、立辊机架等效应力云图如图5（c）所示。

图中不同颜色代表不同数值，浅色代表较小数值，深色代表较大数值，颜色从浅色到深色代表数值逐渐增大。

图4 主机架变形情况

图5 立辊机架变形情况

由图4（a）可以分析出，主机架受力后有一定幅度的变形，即：上横梁向上拉伸、立柱向机架内侧弯曲，靠近机架下横梁处变形较小。图4（b）显示主机架沿Y轴方向的变形情况，该方向对主机架轧制精度影响最大，当轧制力为4 000 t时，它的最大变形达到0.805 mm，出现在上横梁压下螺母承载面，并且整个主机架的变形值以上横梁压下螺母承载面为中心，呈径向递减发散趋势，由图4（c）分析可知，当轧制力达到4 000 t时，主机架窗口内侧转角处应力较大，而最大应力出现在上横梁压下螺母镗孔承压面转角处，此时最大应力达到83.7 MPa。

从图5（a）可以看出，立辊机架受力后也有一定幅度的变形，即：四根横梁呈向上拱起、两侧牌坊向外侧倾倒的趋势。图5（b）显示主机架沿X轴方向的变形情况，该方向对立辊机架轧制精度影响较大，当轧制力为300 t时，它的最大变形为0.074 5 mm。由图5（c）分析可知，当立辊轧机轧制力最大时，其压下螺母孔承压面应力较大，而立辊机架牌坊与底座连接面的外侧应力值为最大，最大应力值为18.2 MPa。

从以上模拟结果可以看出，2150万能轧机机架包括主轧机机架和立辊轧机机架两部分，无论主轧机达到最大轧制力还是立辊轧机达到最大轧制力，其各自变形量均小于对粗轧机最大变形量的要求。当主轧机轧制力达到最大时，主机架的最大应力发生在压下螺母孔承压面转角上，且机架窗口转角的内侧应力较大，与实际情况基本一致。2150万能轧机的主机架与立辊机架均为ZG25的铸钢件，其强度极限为450 MPa，当主轧机机架或立辊轧机机架达到最大应力时，其安全系数均足够。由分析可知，主机架上横梁压下螺母镗孔承压面转角处是机架最薄弱的地方[2]，正是这一点限制了轧制力的提高，在改进设计中应特别重视该处结构尺寸的合理设计，以保证整体机架强度安全可靠。此外，由立辊轧机的应力分析可知，在设计其他立辊轧机机架或对该立辊轧机进行设备改造时，不仅要考虑压下螺母孔台阶面的强度情况，还要考虑牌坊与底座连接处的强度，进而保证整个立辊轧机的强度安全可靠。

4 结论

（1）2150万能轧机的主机架与立辊机架均为ZG25的铸钢件，其强度极限为450 MPa，当主轧机或立辊轧机达到最大轧制力时，该轧机满足粗轧机对机架强度的要求。

（2）当主轧机轧制力达到最大时，主轧机最大应力发生在压下螺母孔承压面转角上，且机架窗口转角的内侧应力较大，与实际情况基本一致。

（3）主机架上横梁压下螺母镗孔承压面转角处是机架最薄弱的地方，可作为机架优化的重要切入点，以保证整体机架强度安全可靠。

（4）通过立辊轧机的应力分析可知，立辊轧机牌坊与底座连接处对保证整个立辊轧机的强度安全可靠性起到重要作用。