地下卷取機入口槽型板有限元分析①

楊 丹

(武漢科技大學機械自動化學院 湖北武漢430081)

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地下卷取機入口槽型板有限元分析①

楊 丹②

(武漢科技大學機械自動化學院 湖北武漢430081)

建立了地下卷取機入口槽型板的有限元模型，并根據實際工況施加約束和載荷，對槽型板進行應力分析。結果表明：槽型板板體與油缸支臂的連接處是應力的最大部位，且為三向壓應力狀態，是槽型板的危險部位。如果槽型板長期處于最大卷取規格的載荷條件下，此處就會發生疲勞損傷。最后對其結構的改進提出了一定的建議。

地下卷取機 槽型板 有限元 疲勞損傷

1 前言

地下卷取機是熱軋線的主要生產設備之一，槽型板作為地下卷取機帶鋼卷入時的導入機構，將帶鋼導向卷筒，然后通過助卷輥將帶鋼進行卷取[1]，其強度和變形將影響到整個設備的可靠性及正常運行。槽型板長期在高溫下承受帶鋼沖擊載荷的作用，實際工況十分惡劣，現在由于大規格、高附加值、高強度寬厚板生產需求的增多，時常發生損壞現象。為掌握槽型板的承載能力，建立槽型板的三維有限元模型，并根據實際工況加入約束和載荷，對槽型板進行應力分析計算。在此基礎上，找出槽型板應力集中區域，對其進行強度分析，評估其安全性，并提出改進措施。

2 槽型板受力分析

通過對鋼帶卷取工藝的分析，如圖1所示，帶鋼對槽型板的沖擊力分為兩個部分，第一部分為從夾送輥到槽型板這段距離的帶鋼所具有的動量對槽型板的沖擊，第二部分為鋼板在沖擊到槽型板之時，夾送輥對帶鋼的夾送力通過帶鋼傳遞給槽型板的，這個沖擊力由上下夾送輥的扭矩所確定。

對第一部分的沖擊力進行分析，根據沖量定理：

F·t=m(va-v0)

(1)

式中F—槽型板對帶鋼的作用力；t—帶鋼對槽型板的沖擊時間；m—從夾送輥到槽型板沖擊部位這段帶鋼的質量；

va—帶鋼沖擊到槽型板之前的速度；

v0—帶鋼沖擊到槽型板之后的速度。

物體在某一方向上動量的改變量等于它在這一方向所受到的沖量，將帶鋼對槽型板的沖擊力分為兩個方向，一個為垂直于槽型板方向，一個為平行于槽型板方向，如圖1所示。

根據實際尺寸建立的CAD圖形中量得帶鋼從夾送輥到槽型板沖擊部位的長度為2405mm，以最大卷取強度的HG785D材質的帶鋼計算它的沖擊載荷。鋼帶的密度為ρs=7.85g/cm3，厚度為h=16mm，寬度為b=1820mm。那么這段距離的帶鋼的質量就為：m=ρs×h×b×l=550kg,帶鋼在進入夾送輥時的速度為：v=2.45m/s,通過對相關文獻的查閱[2-3]，硬質非金屬材質低速沖擊下的時間一般為0.02～0.03s左右，由于帶鋼的卷取溫度為550℃，具有一定的柔軟性，并且帶鋼的運行速度也不算太快，因此取沖擊時間為t=0.005～0.01s。

可求得第一部分槽型板對帶鋼垂直方向的作用力Fv1=46087N；第一部分槽型板對帶鋼水平方向的作用力Fρ1=5623N。

對第二部分的沖擊力進行分析，在鋼板沖擊到槽型板之時，夾送輥對鋼帶起到的是夾送的作用，會產生夾送力，而夾送力會通過鋼帶傳遞到槽型板上。夾送力可根據實際測得的上夾送輥的扭矩信號求得。

圖2 卷取高強度厚鋼卷時上夾送輥的扭矩記錄曲線

由圖2所示，夾送輥在反向轉動對帶鋼進行夾送卷取時的扭矩為20kN·m左右，以這個扭矩計算其夾送力，得到這兩部分沖擊力之和為：Fv=5368N，FP=2650N。

3 模型的建立

根據某廠提供的槽型板的三視圖，按照原尺寸利用PROE建立出它的三維模型。整個槽型板都是采用的S235JRG2普通碳素結構鋼材料，對應于國內的Q235B，其抗拉強度達到375-500MPa，屈服強度在345MPa。彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。

槽型板在兩個地方受到約束，一個是前端軸承位置，一個是連接油缸頂桿的位置，這兩個地方如圖4所示，在這兩個位置分別建立局部坐標系，約束它們的徑向位移，允許軸向轉動。然后在鋼板對槽型板可能的沖擊位置施加載荷，根據前面計算的載荷，采用均布的方式施加到有限元模型中的節點上去，得到施加約束和載荷后的有限元模型如圖3、4所示。

圖3 槽型板施加約束和載荷后的有限元模型背面

圖4 施加約束和載荷后的有限元模型側面

4 計算結果及分析

4.1 計算結果

通過對施加約束和載荷后的有限元模型進行仿真計算后，得到如圖5、6所示的等效應力云圖，等效應力最大值為187.913MPa，出現在槽型板板體與油缸支臂的連接處，此處也與槽型板實際經常出現損傷的位置相符合。從圖中可以看出其它位置的應力都很小，遠遠小于材料的屈服強度，因此，可著重對板體與油缸支臂的連接處進行局部分析。

圖5 等效應力分布圖側面

圖6 等效應力分布圖背面

圖7 最大等效應力處局部放大圖

圖8 第一方向主應力局部放大圖

圖9 第二方向主應力局部放大圖

圖7顯示了最大應力處的局部放大圖，要根據此處的三向主應力來確定其校核強度(相當x,y,z方向)。由圖8～10可看出，此處位置受三向壓應力，根據強度理論，在三向受壓應力狀態下，應按其等效應力來校核強度。因此，按等效應力187.913MPa校核強度。

圖10 第三方向主應力局部放大圖

4.2 計算結果分析

槽型板在每個帶鋼進入夾送輥后導入到卷取機的時候受到一次沖擊，因此它的受力實際上是一種脈動疲勞問題，應按疲勞強度進行校核[4]。

(2)

(3)

因此，考慮尺寸因數影響的疲勞極限為：

(4)

由前述對應力狀態分析知，在轉角處按等效應力187.913MPa校核強度，大于175.5MPa。如果槽型板長期處于最大卷取規格的載荷條件下，就會發生疲勞損傷。

5 結論與建議

1)槽型板最大應力出現在槽型板板體與油缸支臂的連接處，最大主應力為187.913MPa，此處屬于形狀突變的區域，容易產生應力集中，且受三向壓應力，應按等效應力進行強度校核。

2)根據強度校核可知，在轉角處的等效應力大于疲勞強度，槽型板如果長期工作在此強度下，會發生疲勞損傷。

3)建議改進槽型板支臂結構，以降低其應力集中部位的應力；也可考慮采用壓力容器板等較高強度的材料來制作槽型板，以增強其疲勞強敵，從而延長其使用壽命。

[1]鄒家祥.軋鋼機械(第三版)[M].北京:冶金工業出版社,2000.

[2]張海,張以都.沖擊破碎機沖擊時間的因次分析及數值仿真研究[J].中國機械工程,2006,Vol.17(6):563-566.

[3]陳洪凱,唐紅梅.泥石流兩相沖擊力及沖擊時間計算方法[J].中國公路學報,2006,Vol.19(3):19-23.

[4]趙少汴,王忠保編著.抗疲勞設計-方法與數據[M].北京:機械工業出版社,1997.

[5]徐灝主編.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1991.

·業界動態·

西門子熱能回收系統利用電弧爐廢氣產生蒸汽

西門子冶金技術部開發了一種能夠從電弧爐的高溫廢氣中回收熱能的系統。系統具有模塊化結構，可以根據需要回收的熱能數量確定規格，并可以集成到現有的廢氣冷卻系統中。為了最大限度增加蒸汽產生量，可以用該系統完全取代電爐煉鋼廠的普通廢氣冷卻系統。

廢氣的溫度往往高達1,800°C。為了讓這部分數量可觀的熱能得到利用，西門子開發了一種蒸汽發生系統，能夠集成到現有的電弧爐廢氣冷卻系統中，或者可以將其完全取代。該系統的組成包括一臺鍋爐(含汽包)、管路、水箱、鍋爐給水泵組以及配套的傳感器。一組給水泵向鍋爐供水，并且保證必要的壓力。

Finite Element Analysis for the Entry Chute Table of Down-Coiler

Yang Dan Xiao Han Wang Tao Zhao Sanxing

(College of Mechanical Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081)

The paper established the finite element model of the entry chute table of down-coiler, which is simulated analysis the stress by FEM method after applying the load and bondage in constraint according the actual working conditions. The results show that the junction of the entry chute table body and cylinder arm is the most dangerous position of the entry chute table where there is the maximum stress areas and in three-dimensional compressive stress state. If entry chute table always work under maximum load conditions, fatigue damage occurs. Finally, some subject is put forward on the improvement of the structure.

Down-coiler Entry chute table Finite element Fatigue damage

國家自然科學基金資助項目(51105284)；武漢科技大學校基金資助項目(2012XZ005)

楊丹，男，1982年出生，畢業于武漢科技大學機械設計專業，博士，講師 肖 涵 王 濤 趙三星

TG333.24

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.008

2013-10-27)