提高宝钢Φ140mm连轧管机组机架强度的有限元研究

苏惠超+王宝明+赵志毅

摘 要：本文采用ABAQUS有限元分析软件，对宝钢Φ140mm连轧管机组机架的强度进行分析研究，结果表明，原始机架压下螺母孔过渡圆角是机架的薄弱环节，通过增大压下螺母孔过渡圆角半径，可以大大降低压下螺母孔过渡圆角处的应力值，从而提高机架强度。

关键词：机架强度；Mises应力；有限元模拟

中图分类号：TG335.71 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0106-03

1 引言

轧机机架用来安装辊系、轧辊调整装置及其它装置，是轧机的重要零件[1]。宝钢Φ140mm连轧管机组最初的产品设计规格为外径Φ21.3～139.7mm[2]，品种设计范围重点是Cr含量在2.25%以下的品种。为满足市场对大规格无缝钢管的需求，提升宝钢钢管的技术水平和竞争力，使钢管最大外径达到了Φ195mm[3]。同时，经过多年新的孔型系和产品品种、规格的开发，Φ140mm连轧管机组目前所生产的产品无论是规格还是品种都大大超出了原机组的设计能力，使设备的负荷增大，安全生产存在隐患。本文对机架的结构和尺寸进行适当的优化调整，以适应目前的生产情况，保证产品的质量和设备的安全。

2 建立机架的几何模型

根据Φ140mm连轧管机组机架的构造和尺寸，利用ABAQUS软件自带的画图功能通过拉伸、旋转等方法建立机架的三维模型，部分无关紧要的细节进行了简化，几何模型如图1所示。

3 建立机架的有限元模型

3.1 赋予模型材料属性

宝钢Φ140mm连轧管机组机架的材料为ZG230-450。通过查阅金属材料手册[4]，得到ZG230-450的弹性模量为172-202GPa，取175GPa，泊松比为0.3。

3.2 设置载荷和边界条件

依据现场实际生产情况，对机架底座施加禁止位移和旋转的固定约束[1][5]，同时为了便于施加轧制力，建立耦合约束，设置载荷大小为5000KN，上下螺母孔承压面各施加2500KN的轧制力，如图2所示。

3.3 模型划分网格

为机架模型划分网格后的示意图如图3所示。单元类型：C3D10M（10结点修正二次四面体单元），单元数：241477，结点数：358264。

4 机架强度的有限元分析

4.1 原始机架应力有限元分析

原始机架在5000KN轧制力作用下Mises等效应力分布云图如图4所示，图中不同的颜色代表不同的数值，蓝色代表较小数值，红色代表较大数值，颜色从蓝到红数值逐渐增大。

压下螺母孔過渡圆角处等效应力值较大，分别记上下螺母孔过渡圆角处为Top-Left、Top-Right、Bottom-Left和Bottom-Right，简化为TL、TR、BL和BR位置（后文均简称TL、TR、BL、BR），取每个位置41个结点处Mises等效应力值并统计其等效应力最大值、最小值和平均值，结果见表1。可见，压下螺母孔过渡圆角处Mises等效应力最大值为279.3MPa，平均值为207MPa。机架材料为ZG230-450，其屈服强度为230MPa，当轧制力达到5000KN时，压下螺母孔过渡圆角处最大Mises应力值已超过了材料的屈服强度，在轧制过程中机架处于极其危险的状态，严重影响轧件的尺寸精度以及生产的安全，是机架优化的关键部位，可以通过增大过渡圆角半径来减小该位置的应力值，保证生产的安全性。

4.2 优化后机架应力有限元分析

原始机架压下螺母孔过渡圆角半径R=2.5mm，将压下螺母孔过渡圆角半径改为R=10mm，图5为螺母孔过渡圆角半径R=10mm示意图。压下螺母孔过渡圆角半径R=10mm时机架等效应力分布云图如图6所示。统计过渡圆角半径增大后TL、TR、BL、BR四个位置处Mises等效应力值，并统计其最大值、最小值、平均值见表2。四个位置处等效应力最大值为157.0MPa，平均值为125.4MPa。

4.3 优化前后机架应力值变化情况对比

与原始机架相比，压下螺母孔过渡圆角半径增大后四个位置的等效应力值变化情况见表3。从表3可见，增大压下螺母孔过渡圆角半径可以减小压下螺母孔过渡圆角处的应力值，等效应力最大值降低了43.8%，等效应力平均值降低了39.4%，等效应力最小值降低了29.5%。

5 结语

（1）对原始机架进行有限元模拟分析，发现机架压下螺母孔过渡圆角处应力值较大，其Mises等效应力最大值为279.3MPa，平均值为207MPa。机架压下螺母孔过渡圆角处是机架优化的关键部位。

（2）优化机架的压下螺母孔过渡圆角半径，由原来的R=2.5mm增大为R=10mm，对优化后机架进行有限元模拟分析，发现增大压下螺母孔过渡圆角半径可以减小压下螺母孔过渡圆角处的应力值，其Mises等效应力最大值为157.0MPa，平均值为125.4MPa。

（3）与原始机架应力值相比，优化后机架压下螺母孔过渡圆角处应力值有了很大程度的降低，其等效应力最大值降低了43.8%，等效应力平均值降低了39.4%，等效应力最小值降低了29.5%。

参考文献

[1]范俭，刘艳霞.半闭口式轧钢机机架的有限元分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 1995，11（3）：210-214.

[2]王起江.宝钢Φ140 mm连轧管机组技术改造与产品质量的提高[J].宝钢技术，2001，（5）：44-47.

[3]中国金属学会轧钢学会钢管学术委员会五届五次年会论文集[C].衡阳：《钢管》杂志社，2009：77-81.

[4]李春胜，黄德彬.金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5]孙占刚，韩志凌，魏建芳.轧机闭式机架的有限元分析及优化设计[J].冶金设备，2004，（3）：8-11.