虚拟技术在天铁1750R2四辊粗轧机设计中的应用

曹 阳

(二重(德阳)重型装备有限公司重型机械工程公司冶金工程部，四川610052)

虚拟技术(Virtual Technology)是利用计算机的虚拟现实设备实现可视化设计、分析与制造的技术，它是一种在产品投产之前完成设计与制造过程的相关分析手段，保证制造实施的新技术。为产品设计提供了一种身临其境的现实感。在冶金设备设计领域，虚拟技术是指在计算机里应用三维设计软件建立设备模型并进行一系列的动作仿真。以CAD公司旗下的Inventor软件为设计工具，运用其5个基本模块：零件造型、钣金、装配、表达视图、工程图。除基本模块外，还有焊接、结构件、设计加速器等附加模块进行的参数化设计方法。建立天铁1750R2四辊粗轧机的虚拟设备模型，并运用Inventor的装配驱动表达模块进行动态分析，发挥虚拟软件的特长。

1 四辊粗轧机设备特点

天铁1750R2四辊粗轧机是天津天铁冶金集团有限公司热轧带钢厂的核心设备之一，轧机为1台四辊可逆式粗轧机。它的主体是在框架结构机架窗口内安装四辊辊系，中间两根上下工作辊通过十字万向接轴分别由上下主电机传动，主平衡装置提升上辊系并由压下装置将上辊系准确地定位于要求的位置上，下辊系落座在阶梯垫式标高调整装置上，这样上下辊系共同形成轧制所需要的开口度。轧机前后工作辊道和机架辊将钢坯送入轧机，大功率低速可逆直流电机保证钢坯的咬入和轧制，经过5～7道次轧制之后，钢坯轧制成下游设备所需的中间坯厚度。

2 虚拟技术的应用

2.1 1750R2四辊粗轧机虚拟模型的建立

2.1.1 虚拟技术的特点

天铁1750R2四辊粗轧机由机架装配、轧辊辊系、压下装置、平衡装置、阶梯垫、抬升轨道、机架辊、除鳞导卫等组件组成。虚拟设备技术的核心是虚拟模型的建立，虚拟模型应是参数化的实体模型，只有这样才能满足用户不同要求，从而最终实现产品的优化设计、设备模型的建立。基于上述思想，首先要对天铁1750R2四辊粗轧机已有的二维图纸进行整理，利用Inventor软件与二维CAD软件本身具有良好兼容性，然后通过Inventor软件建立各个组件中大件、关键件等相关件的三维实体模型。准确的实体模型和实际制造的建模方法是应用虚拟技术的关键点。在各个组件的建模过程中，主要运用建立草图、零件特征创建等功能。应用Inventor软件的参数化建模方法建立四辊粗轧机各个部件的参数化实体模型，为后续的优化设计、修改模型做好铺垫基础，稳定提高设计质量。

2.1.2 1750R2四辊粗轧机牌坊模型的建立

R2四辊粗轧机的牌坊结构较为复杂，它是四辊轧机中最重要的大型典型零件，单片重量达155 t。利用Inventor零件成形模块创建和制作牌坊的模型，熟练而灵活地应用零件成型特征菜单中的草图特征、拉伸特征、旋转特征、打孔特征、镜像特征等功能是牌坊建模的关键。在利用它进行设计的过程中，按照怎样加工就怎样建模的原则，建模的同时与制造工艺关联起来。例如：打了个孔，使用的是钻铰加工；开了个槽，使用的是圆柱铣刀铣槽。四辊粗轧机牌坊的实体模型，如图1所示。

图1 四辊粗轧机牌坊的实体模型Figure 1 Real model of four-roll rough mill housing

图2 总装配效果图和装配导航面板Figure 2 Total assembly effect diagram and manual panel of assembly

2.1.3 1750R2四辊粗轧机的虚拟装配

利用Inventor虚拟装配模块建立四辊轧机的各个部件的虚拟模型。在四辊轧机各个零部件的模型建立后，再进行装配。装配的方法等同于制造过程中的现实装配过程，采用关联设计的方法进行装配，使用部件的配合约束、角度约束、相切约束、插入约束、对称约束等约束条件建立配对条件，再后续优化设计改变这样部件的虚拟模型，产品的装配模型即四辊粗轧机的各部件的虚拟模型将随着参数的变化而改变，实现可视化的参数化设计。四辊轧机牌坊的虚拟实体模型与立辊轧机牌坊、换辊横移装置及基础的总装配效果图和装配导航面板如图2所示。

2.2 1750R2四辊粗轧机各运动部件的虚拟分析

主要对轧机各运动部件进行虚拟运动分析。为了方便研究和分析，分别建立了轧辊装配、压下装置、平衡装置、阶梯垫、抬升轨道装置运动分析装配的驱动约束，分析时如果发现干涉等问题，可以马上修改虚拟的模型，然后再进行分析，直到合格。以阶梯垫的装配为例：首先按照装配流程逐一将阶梯垫组件中的底座、滑轨、连接板、阶梯垫、液压缸进行整体装配约束；对液压缸驱动约束并进行运动干涉分析。应用剖切、旋转、移动功能进一步观察分析装配情况。图3为阶梯垫剖切分析效果。

图3 阶梯垫剖切分析效果Figure 3 Section cut analysis result of step pad

图4 平衡装置实体效果Figure 4 Real effect of balanced device

图5 四辊粗轧机重要件抬升轨道应力分析Figure 5 Stress analysis on lift rail of key parts for four-roll rough mill

Inventor的装配模块具有运动仿真及分析功能，真实形象的运动模拟很好的体现了虚拟技术在设计中的运用。以平衡装置为例，运动模拟仿真的全过程大致分为以下几个步骤：建立运动仿真分析过程如下：装入平衡缸部件、横梁及平衡梁零件→建立平衡缸、横梁及平衡梁之间的装配约束→定义平衡缸驱动约束(即平衡缸工作行程)→运动模拟仿真输出AVI动画效果。图4为平衡装置实体效果。

2.3 Inventor应力分析功能应用

Inventor应力分析用于模拟机械零件在结构载荷条件下的表现，在实际应用中对四辊粗轧机重要件抬升轨道进行了应力分析，从分析结果图(见图5)中可以直观反映抬升轨道的受力状况。

3 结束语

以虚拟技术为依托的设计思路，通过Inventor软件，建立四辊粗轧机的虚拟模型。虚拟模型实现参数化的实体模型，从而不断满足用户的修改要求并最终实现优化设计。通过动画演示，可以更直观、正确地理解四辊粗轧机的工作原理和运动基本过程。虚拟技术可以缩短产品开发周期，减少实物模型和设备的投入，有利于实现产品的优化及其衍生产品的设计。