2300热轧卷取机芯轴组件结构分析

孙雪娇 杨鹤群

摘  要：文章对卷取机主要参数进行计算，并对关键部件进行建模，再对卷筒进行结构静力学分析，通过对卷筒整体进行等效应力和位移分析，找出应力集中处以及最大变形处，即容易出现裂纹和损坏的位置;接着是对卷筒的各个组件单独分析其应力和位移，了解各个组件的变形特点和薄弱环节，形成卷筒分析数据库，其为卷筒的长寿化、避免异常失效提供了数据基础，同时明确了在实际生产中应注意的这些问题。

关键词：卷取机;卷筒;结构静力学分析

中图分类号：TG333.2+4      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0135-04

Structure Analysis of Mandrel Assembly of 2300 Hot Rolling Coiler

SUN Xuejiao，YANG Hequn

（Yingkou Institute of Technology，Yingkou  115014，China）

Abstract：In this paper，the main parameters of the coiler are calculated，the key components are modeled，and then the structure statics of the coiler is analyzed. Through the equivalent stress and displacement analysis of the whole coiler，the stress concentration and the maximum deformation，that is，the position prone to crack and damage are found out. Then，the stress and displacement of each component of the coiler are analyzed separately to understand each component. The deformation characteristics and weak links of each component form a drum analysis database，which provides a data base for the longevity of the drum and the avoidance of abnormal failure. At the same time，it is clear that these points should be paid attention to in the actual production.

Keywords：coiler;drum;statics analysis of structural

0  引  言

热轧板带钢生产作为整个钢铁轧制生产行业技术含金量最高的一个领域，被很多技术人员广泛关注。卷取机作为热连轧生产线上重要的辅助设备，其工作状态直接影响成品带钢的最终质量和生产利润，特别是关系到热连轧机组能否顺利进行生产。2 300 mm热连轧地下卷取机作为一种较先进的卷取机，有着大张力、大卷径、卷取带材宽度与厚度较大等特点。卷筒的变形程度以及破损与否将直接影响带材成卷质量及包装效果，因此对卷取机的关键部件——卷筒进行有限元分析有着一定的实际意义及实际价值。

本文为营口理工学院院级科研项目，以理论结合实际，在分析热轧卷取机的功能及结构特点的基础上，确定了卷取机各项参数。采用ANSYS Workbench有限元分析軟件，探索性地开展了热轧卷取机卷筒的数值模拟分析。

1  卷取机的主要参数的计算

1.1  卷取张力的选择

卷取机在进行卷取时，带钢必须具有一定的张力。卷取机的工作状态及其产品规格对卷取张力的大小起到决定性的作用。对卷取机的卷取张力进行了选取，在进行设计时，通常可以首先根据经验公式对卷取张力进行初步计算，然后在此基础上结合生产实践经验完成最后确定。卷取张力T：

T=σ0×b×h                                （1）

σ0=K×σs                                    （2）

式中：σ0为单位张力（MPa）;σs=235 Mpa;b为带钢的宽度（mm）;h为带钢的厚度（mm）;K为张力系数，取K=0.1～0.2。

对于宽度b=2 000 mm，厚度的带材h=5 mm，取K=

0.1，本设计的轧制速度为20 m/s，大于3 m/s，所以，最大轧制张力为176.25 kN。

1.2  卷筒径向压力计算

卷筒的主要参数包含卷筒的直径以及其所承受的径向压力等，其中在各项参数中最重要的是卷筒所受的径向压力，其计算结果直接关系到卷取机所卷取的带卷的直径，而且也会对卷取质量产生影响。本文采用英格利斯（C.E.Inglis）公式将带卷和卷筒看作是一个整体，并将其当作弹性厚壁筒进行计算。径向压力的计算公式为：

p0=                      （3）

式中：p0为卷筒外表面径向压力（kg/cm2）;pi为卷取张应力（kg/cm）;σ为单位张应力（kg/cm）;R为钢卷外径（cm）;r0为卷筒外径（cm）;r当为卷筒当量半径（cm），是将四棱锥卷筒或扇形块的卷筒看作是当量。

本文卷取温度为600 ℃，故选取摩擦系数f=0.35，大张力卷筒选取C值为1.5。该卷取机的棱锥轴为四棱锥轴，则可选取式（3）进行计算。可得卷筒所受的径向压力为6.45 MPa。

2  卷筒结构静态有限元分析

本文采用三维建模软件Solidworks对卷取机关键部件——卷筒的各个组件（扇形板、空心轴、棱锥轴、斜面柱塞等）分别建立三维实体数值分析模型，将各组件按公差配合关系进行虚拟装配，确定彼此之间无干涉。将装配后卷筒虚拟部件装配模型导入ANSYS Workbench 软件中，定义材料以及单元格的属性，所用到的研究方式是将卷筒看作是一个整体进行研究，且空心轴、棱锥轴及扇形板的材料质量与42CrMo类似，故在做整体分析时都采用42CrMo，然后对模型进行网格的划分。

然后定义模型的约束条件及所施加的载荷并施加约束，第一，卷筒的扇形板、棱锥轴以及空心轴等均受到重力的作用，故定义重力加速度时选择All Bodied，其大小为9 806.6 mm/s2;第二，把卷筒固定端的轴承的支承部分的约束定义为Fix Support全约束类型;第三，定义浮动端的轴承支撑部分为Displacement，因为浮动端轴承的刚度小于固定端，所以将沿轴的径向定义为自由，而轴向定义为全约束;第四，定义卷筒扇形板所受到的径向压力;第五，定义卷重，此处卷重为卷取机所能卷取的最大卷重。加载后的有限元模型如图1所示。

图2～图6为卷取机卷筒处在最大工作载荷时的有限元分析结果。

图2为卷筒整体等效应力的分布图，从图中可以看出，卷筒的最大等效应力发生在空心轴固定轴承端支承部位和卷筒外伸轴轴肩连接部位，其应力大小为50.228 MPa。如果用等效应力对卷筒进行强度校核，发生应力集中的位置也是在该部位，即最危险截面的位置。

图3为卷筒的整体位移分布图，最大位移发生在外伸轴的末端，数值为0.765 29 mm（卷筒真实变形较小，肉眼难以观察，图中所示变形为结果放大3.5e+002倍后的结果）。

图4～图6分别是卷筒空心轴、棱锥轴和扇形板的等效应力分布云图，空心轴的最大应力发生在轴的固定端轴承支承部位和外伸轴轴肩联接处，数值为50.228 MPa;棱锥轴的最大应力发生在发生最大弯曲变形的地方，即在轴前半部分和外伸轴联接部位，数值为21.558 MPa，由于此处产生的弯曲变形较大，所产生的弯曲应力也较大，而且还受到涨缩缸所施加的拉应力，故在该处产生最大应力。扇形板的最大应力发生在扇形板的前端与靠近固定端的空心轴轴肩相接触的地方，数值为27.114 MPa。

图7～图9分别为卷筒空心轴、棱锥轴以及扇形板沿x轴方向上的应力分布曲线图。图10为卷筒空心轴、棱锥轴和扇形板沿x轴方向在y方向上的等效位移图。

图7空心轴的应力分布沿轴向呈驼峰状分布，在长度600～700 mm之间，空心轴应力突然减小，是由于此处为空心轴左侧轴承固定部位与右侧外伸部分相连接的轴肩部位，此处直径较左右两部分大，故此处所承受的应力较小。图中两个最高点所代表的最大应力分别是，空心轴轴承固定部位与轴肩连接部位以及轴外伸部分和轴肩连接部位。

图8是棱锥轴沿轴向的应力分布曲线图，结合图4可知，棱锥轴的最大应力出现在轴的左侧，发生弯曲变形最大的位置，图中最高点右侧的波峰均是棱锥轴右侧与斜楔柱塞相接触的斜面部位。

图9为卷筒扇形板的应力变化情况，从表中可以看出，扇形板的应力变化沿着x轴整体呈下降趋势，最大应力出现在扇形板前端与空心轴靠近固定端轴承的轴肩相接处的部位。

图10为卷筒空心轴、棱锥轴以及扇形板受力发生的等效位移曲线图，从此图中可以得知，空心轴和棱锥轴的等效位移基本一致。

3  结  论

本文以热连轧地下式卷取机为研究对象，并以其工作原理、静力学分析理论为理论基础，通过借鉴其优秀的方法，对卷取机的重要组件卷筒整体进行了有限元分析。然后根据分析的结果得出有价值的结论，并预防和解决在工作过程中比较容易出现的问题。

带钢卷取过程中的卷取张力是影响带卷质量的重要参数之一，本文通过计算，确定了带钢的最大卷取张力，并利用其中比较经典的英格利斯公式计算得到卷筒的径向压力。通过对卷筒整体的等效应力和整体位移，以及对卷筒的关键零部件空心轴、棱錐轴和扇形板的等效应力的分析，找出了各关键零部件的应力及变形较大的薄弱部位。与传统的设计方法相比，通过计算机进行的有限元分析有以下优点：一是快捷高效，可以大大减少产品的研发和制造周期;二是可以真实地给出零部件的应力和变形分布图，根据分布图可以对零部件进行优化设计，以提高产品的性能。

参考文献：

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[5] 刘富博.热轧卷取机关键部件有限元分析及模态研究 [D].鞍山：辽宁科技大学，2015.

作者简介：孙雪娇（1987.01—），女，汉族，辽宁鞍山人，工程师，实训员，硕士，研究方向：机械工程。