基于PRO/E和ANSYS的热轧H型钢万能轧机结构设计与优化

王春香 刘欣玉 刘瑞 贾尚武

(1.安徽机电职业技术学院机械系，安徽 芜湖 241000;2.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032)

H型钢是一种断面形状类似于字母H的型材，属于经济断面型钢。目前，H型钢有热轧和焊接2大类，主要用于桥梁建设、工业钢结构件及高层建筑等［1］，其中热轧H型钢是一种高效的建筑用型材。1902年卢森堡最早研制出H型钢生产设备及生产线，至今已有上百年历史。目前国内主要投产的H型钢热轧生产线主要出自马钢、包钢、鞍钢、莱钢、日照钢铁等企业［1］。

某公司新建的热轧H型钢生产线，所用万能轧机为外购淘汰轧机。根据新产品要求，本次研究主要对此轧机结构进行优化，重新设计轧机主要零部件(包括机架、轴承座)。

1 万能轧机三维模型建立

某公司新建的热轧H型钢生产线为半连续布置，开坯与万能轧机机组均独立工作，并采用“1-3-1”布置形式，即由1架二辊开坯机、3架万能轧机和1架轧边机组成。具体工艺流程为:送入连铸坯或钢锭→加热→开坯轧制→锯头切尾→万能轧机粗轧→万能轧机精轧→冷却→辊矫→检查、分选→打印、堆剁→打捆→推出产品。万能轧机机组包括2架万能轧机(UR)、1架轧边机(E)组成的串列式万能粗轧机组和1架万能精轧机组(UF)。图1所示为1-3-1车间总体布置图。

图1 1-3-1车间总体布置图

本次研究所用原料为近终形连铸异型坯。根据公司提供的产品规格及轧制工艺参数，计算出精轧轧制力为11.436 t，具体计算过程可参考文献［2］。图2所示为轧件坯料规格和万能精轧机三维图［3-4］。

图2 轧件坯料规格和万能精轧机三维图

对万能精轧机及其重要零部件的结构可靠性进行分析，图3所示为轧机重要零部件三维模型图，主要包括机架、上轴承座和下轴承座。

图3 轧机零部件三维模型图

2 轧机结构有限元分析

轧机是轧制生产线上的重要设备之一，主要由机架、轧辊、轧辊调整装置、轴承、轴承座、导位、平衡装置、换辊装置等零部件组成。轧制过程中，轧件直接接触轧辊，轧制力通过轧辊传给轴承、轴承座及机架。轧机零部件必须具有足够的强度和刚度，以避免过大的弹性变形，甚至塑性变形［5］。

优化设计前的轧机为外购万能轧机，其机架及轴承座损坏严重。为了节约成本，在原有轧机的基础上，适当减小了机架和轴承座尺寸。

机架材料:选用优质碳素结构钢，弹性模量E=2.09 ×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服强度 σs=250 MPa。

轴承座材料:选用铸钢，弹性模量E=1.92×1011Pa，泊松比 μ =0.3，屈服强度 σs=740 MPa。

2.1 机架及轴承座有限元分析

本次研究中的万能精轧机最大轧制力为11.736 t，由于轧机有2个机架，且对称布置，因此轧件通过每个轴承座施加给机架的力为5.718 t。为了简化计算，忽略轧机的螺栓连接，设置为体连接，将前述轧机三维模型直接导入ANSYS软件，确定材料属性及约束条件后，施加轧制力，获得了轧机零部件所有节点的应力、应变、位移和受力前后变形状态。机架变形有限元分析结果如图4所示［6］。

图4a为机架受力前后的变形状态，其中，机架y方向(受力方向)最大位移为0.026 mm，机架各部位y方向位移分布，如图4b所示。机架最大等效应力为0.443 MPa，机架各部位等效应力分布，如图4c所示。分析显示，机架应力、位移较小，结构刚度较高，未发生明显弹性变形。

图4 机架变形有限元分析示意图

图5所示为上轴承座变形状态，图6所示为下轴承座变形状态。上轴承座y方向最大位移为0.049 mm，上轴承座最大等效应力为2.659 MPa;下轴承座y方向最大位移为0.001 mm，下轴承座最大等效应力为2.299 MPa。分析显示，上下轴承座的应力、位移较小，刚度高，未发生明显弹性变形，无塑性变形，满足结构要求。

2.2 轧机有限元分析

为验证轧机整体结构性能，研究了轧机装配整体结构性能。图7所示为轧机受力前后变形状态，图8为轧机变形状态。轧机y方向最大位移为0.049 mm，轧机最大等效应力为 3.181 MPa。分析显示，轧机整体位移、应力较小，整体刚度高，完全满足轧制过程性能要求。

图5 上轴承座变形状态

图6 下轴承变形状态

图7 轧机受力前、后变形状态

图8 轧机变形状态

3 结语

本次研究借助于PRO/E进行某万能精轧机主体结构优化设计，借助于ANAYS软件分析轧机、机架及上下轴承的受力变形状态。

(1)轧机y方向最大位移为0.049 mm，最大等效应力为3.181 MPa，因此轧机整体未发生明显弹性变形，刚度高，结构可靠。

(2)机架y方向最大位移为0.026mm，上轴承座y方向最大位移为0.049 mm，下轴承座y方向最大位移为0.001 mm。可知，轧机主要零部件弹性变形小，刚度高。

(3)机架最大等效应力为0.443 MPa，上轴承座最大等效应力为2.659 MPa，下轴承座最大等效应力为2.299 MPa。可知，轧机主要零部件应力远小于屈服强度，未发生破坏性塑性变形。

考虑到主要分析的是轧机关键部位(机架、上轴承座和下轴承座)，分析过程中简化忽略了压下丝杠、螺栓连接等部件结构。实际使用过程中，需要校核其他零部件，以避免轧制过程零部件损坏。

［1］林镇钟.热轧H型钢的技术进步和在马钢H型钢生产线的应用［J］.钢铁，2000，35(6):94-95.

［2］赵景云，臧勇.H型钢万能轧制力计算方法［J］.中南大学学报(自然科学版)，2013，44(5):1829-1836.

［3］高翔，胡淼.框式热压机机架有限元分析及结构优化设计［J］.机械设计，2009，26(4):62-64.

［4］汤宏海，李友荣.四辊轧机机架有限元分析［J］.武汉科技大学学报，2009，32(2):149-153

［5］陈伟，朱国明，康永林.H型钢X-H三机架往复连轧过程三维有限元分析［J］.塑性工程学报，2007，14(4):110-114.

［6］卜勇力，刘才，赵文才.H型钢轧制过程三维弹塑性大变形有限元模拟［J］.钢铁研究学报，1999，11(4):22-25.