接坯辊道刚度分析与改进优化

杨青松 夏丽华 李贵生

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

辊道是轧钢车间输送钢坯的主要设备，其中接坯辊道用于接送从连铸车间运输来的坯料。某钢铁企业1780 mm热轧线接坯辊道在出厂检测发现变形过大，可能引起生产过程中辊道在运送板坯时工况不稳定。这种情况下，容易造成板坯对辊子发生较大冲击，降低辊子使用寿命和板坯质量，甚至还会引起辊道底座螺栓逐渐松动，影响正常生产[1]。为解决这一问题，结合现场施工条件，在接坯辊道下方的基础上增设支撑装置，从而提高辊道自身刚度。

1 接坯辊道工作原理

接坯辊道分布在加热炉入炉端和出炉端，主要由辊子、辊道架、液压缸、滚轮、固定支座、电机等组成，用于接送从连铸车间运输来的板坯，其结构如图1所示。

接坯辊道右端通过销轴铰接，左端可通过液压进行顶升。工作时，液压缸动作调整辊道左端向下倾斜一定角度，使辊道左端支承在固定支座上，待板坯运输到接坯辊道左端辊面上后，液压缸再动作带动滚轮顶升辊道，使辊道面水平，然后运送板坯致后面辊道。接坯辊道的部分工艺参数如下：

辊距：1200 mm

辊子数量：13个

板坯宽度：800～1650 mm

板坯长度：4500～11000 mm

板坯最大重量：32.56 t

辊道自重：58.5 t

辊道总长：15 320 mm

1—辊子 2—辊道架 3—液压缸 4—滚轮 5—固定支座图1 接坯辊道结构示意图Figure 1 Configuration of transmission roller table

2 问题分析与改进措施

2.1 存在的问题及分析

某钢铁企业1780 mm热轧线在出厂检测时，发现装配后的所有接坯辊道空载均存在变形过大的情况，最大变形达到9 mm。技术规范中要求的空载辊面验收标准为±1 mm，后期辊子安装时，辊道架过大的变形难以通过垫片调整来补偿，从而使辊面标高无法达到验收要求。接坯辊道变形大小主要是由辊道架自身刚度决定，辊道架刚度一般可通过增加钢板厚度、增加辊道架高度、增设加强筋等措施来提高，但辊道架已制造完成的情况下，难以通过这些方式来实现。接坯辊道存在刚度不足的问题会直接影响设备运行的稳定性，引起板坯与辊子发生较大冲击，造成辊子磨损加重，甚至带来安全隐患。

2.2 优化与改进措施

解决接坯辊道刚度问题应考虑设备运行的所有工况。运行过程中，接坯辊道存在倾斜与水平两种工况，两种工况均可简化为一种带悬臂的简支梁结构，如图2所示，B点为铰接支点，水平工况下A点为液压支承，倾斜工况下A点为固定支承，接坯辊道变形量最大的位置为两支撑铰中心，即图中C点。但辊道水平工况下的a值较小(水平工况a=1765 mm，倾斜工况a=4320 mm)，中心C处的挠度更大，车间现场检测空载下的最大变形量为9 mm，所以提出的改进措施要优先保证水平工况的变形量满足要求。

图2 接坯辊道结构简图Figure 2 General structure of transmission roller table

接坯辊道变形过大主要是由辊道架刚度不够造成的，在辊道已经制造成型的情况下，难以通过增加板厚或加强筋的方式提高刚度。所以，提出了在中心C点下方直接增设支撑装置的方案，在水平与倾斜工况下支撑装置均施加支承力，但要考虑倾斜工况下支承力不宜过大，避免出现A点与固定支承不接触的情况。支撑装置方案如图3所示，支撑装置中的缓冲器安装在基础上，轮子安装在辊道架上，辊道水平或倾斜时，轮子均压紧缓冲器。由于接坯辊道在宽度方向上对称，故在C点下方设置两组支撑装置。当接坯辊道水平时，缓冲器压缩k1，缓冲力F1；当接坯辊道倾斜时，缓冲器压缩k2，缓冲力F2。

图3 支撑装置结构示意图Figure 3 Configuration of supporting device

根据接坯辊道结构布置图2，LBC=5900 mm，辊道倾斜工况角度约1.16°，现计算辊道水平到倾斜时缓冲器压缩量变化值d为：

d=k2-k1=LBC·tan1.16°≈120 mm

空载时，接坯辊道仅受自重G，假设A点支反力FA=0，接坯辊道另一端完全支承在C点上，计算此处每个缓冲器支反力FC：

考虑支撑装置只是为了提高辊道刚度，辊道的主要重量依然由支点A、B承受，在满足条件下尽可能设置较小的支撑结构。所以，本方案选择每个缓冲器在辊道水平时压缩行程为200 mm，静载荷约110 kN，在辊道倾斜时压缩行程为320 mm，静载荷约180 kN。即辊道水平时支撑装置可提供的支承力为F1=110 kN，辊道倾斜时支撑装置可提供的支承力为F2=180 kN。

3 有限元仿真校核

3.1 接坯辊道仿真模型

通过分析可知，接坯辊道在水平工况下刚度较弱，故以此工况建立三维模型，运用大型有限元软件Abaqus进行刚度与强度仿真分析。仿真计算时，将辊子、电机、盖板、配管等自重均施加在辊道架上，以最大板坯重量作为载荷条件，同时考虑辊道上的板坯存在弯曲现象，加载时，极端情况下辊道中心C处只有两根辊子承受整个板坯的重量。另外，为提高仿真分析的工作效率，采用半模型进行计算，如图4所示。

(a)空载时

3.2 有限元仿真结果

通过仿真计算得到等效应力、应变云图，如图5～8所示。由结果可知，接坯辊道最大变形量均发生在两辊道中心位置，最大等效应力与最大竖向变形见表1。

图5 空载时等效应力云图Figure 5 Equivalent stress nephogram without load

图6 空载时竖直方向变形云图Figure 6 Vertical deformation nephogram without load

图7 板坯运输时等效应力云图Figure 7 Equivalent stress nephogram in the condition of slab transmission

图8 板坯运输时竖直方向变形云图Figure 8 Vertical deformation nephogram in the condition of slab transmission

表1 有限元仿真应力与变形极值Table 1 Finite element simulation of stress and deformation extremum

从计算结果可以看出，增加支撑装置对改善接坯辊道刚度有显著作用，辊道中心最大变形由空载的9 mm减小到2.75 mm，大大降低了辊道架的变形，后期现场安装时，很容易通过垫片调整达到辊面标高要求。同时，所有工况下的应力水平都控制在材料许用范围内，安全系数高。

4 结语

对1780 mm热轧线接坯辊道在出厂时提出的增设支撑装置方案，大大提高了辊道刚度，方便后期通过垫片调整来满足辊面标高要求；通过有限元仿真计算对改进方案进行验证，使产品最终满足用户要求。此外，采用支撑装置方案对以后的接坯辊道设计具有一定指导意义。