森吉米尔型二十辊轧机零凸度牌坊优化设计

王大号 赵晓辉 杨博 白鹏鹏 秦路宇

（西安重型技术有限责任公司西安 710032）

森吉米尔型二十辊轧机机架为整体铸钢结构,机架设计采用零凸度闭式牌坊，刚度大；其塔型辊系设计，可使工作辊因轧制力引起的挠度变形较小，轧制力呈放射性分散均匀地分布在机架上而被机架所承受,由于其综合刚性高而被广泛应用于不锈钢、硅钢及合金钢等难变形金属的轧制。本文针对森吉米尔式轧机机架的零凸度牌坊，通过对牌坊结构参数进行优化设计，以实现轧机的高横向刚度，轧机的横向刚度可以反映出轧机控制钢板凸度的能力，从而提高产品的板型精度[1]。

1 零凸度闭式牌坊设计模型

森吉米尔型二十辊轧机零凸度闭式牌坊其结构参数模型可以简化为如图1。

图1 森吉米尔二十辊牌坊简化模型

其中原设计中沿轧机宽度方向影响牌坊横向刚度的参数如表1所示，按如下结构尺寸建立模型。为满足牌坊零凸度的设计，对轧机宽度方向影响牌坊横向刚度的参数进行设计对比。

本设计基于850mm宽度轧机进行牌坊参数的优化。

表1 850mm森吉米尔二十辊轧机牌坊参数

据以上参数对牌坊建立三维模型进行静态力学分析，根据实际工况，牌坊约束点在四个安装位置，根据该机型塔型辊系受力几何关系计算，中间两背衬鞍座受力约为总轧制力的40%，两侧背衬辊系受力约为总轧制力的60%[2]，基于本机型设计最大轧制压力4000KN，按以上所述进行牌坊受力分析。

据上面模型及辊系受力情况，对牌坊模型进行力学分析，其牌坊计算参数设置如表2。

表2 850mm森吉米尔二十辊轧机牌坊计算参数设置

2 原牌坊结构计算结果分析

通过对模型的计算结果分析，在沿牌坊宽度方向牌坊与鞍座接触面上提取12个点的计算结果进行分析。

牌坊纵向变形以沿宽度中线基本对称，整体呈中凸形状，两侧变形量最小0.1132mm，中间变形量最大0.1161mm,其中最大最小变形量差值为0.0029mm，这一数据与理想的零凸度牌坊变形曲线有一定的差距，理想的零凸度牌坊在受力变形后沿牌坊宽度方向应该是基本与变形前平行的[3]，也就是说在牌坊宽度方向上变形量基本一致，这样才能保证牌坊的高横向刚度。

3 牌坊的结构优化

由上面的计算结果可以看出，虽然轧机牌坊整体刚性很高，但距离森吉米尔轧机机架要求的零凸度还有一定的差距，基于以上的计算结果及牌坊结构尺寸，对影响牌坊横向刚度最为明显的结构参数L1、L2、a1、a2 进行适当调整，通过增加L1 值增加牌坊中部的刚性，通过增加a1、a2 角度降低边部的刚性，使得牌坊趋于理想目标的零凸度，优化后参数见表3。

表3 850mm森吉米尔二十辊轧机牌坊优化后参数

根据以上优化调整后的结构参数，重新建立三维结构模型，并如表2所述进行受力分析，取12个数据采样点。

将结构优化前与优化后采集的位移数据放在同一个折线图中，其结果如图2所示。

由图2中可以看出，牌坊纵向变形以沿宽度中线基本对称，整体趋势与优化前一致，但优化后变形量明显降低，两侧变形量最小0.08258mm，中间变形量最大0.08394mm,其中最大最小变形量差值为0.00136mm，此差值仅为优化前的46.9%，结构优化后与优化前对比计算变形量最大差值降低了53.1%，大大的提高了牌坊的横向刚性[4]，满足了牌坊零凸度的要求。

图2 牌坊优化前后纵向变形沿宽度方向分布图

4 结论

本文通过对森吉米尔二十辊牌坊进行力学分析，以牌坊零凸度设计为目标，通过对建立的牌坊结构尺寸模型优化，将牌坊纵向变形量降低了53.1%，牌坊横向刚性提高了113.2%，纵向最大变形量差值控制在0.00136mm,完全满足了森吉米尔二十辊牌坊零凸度的设计。本文针对森吉米尔二十辊牌坊所建立的简化模型对零凸度牌坊的设计提供了一定的设计依据，通过计算对比大大的提高了牌坊的横向刚性。