短應力線軋機中球面墊與調整螺母接觸有限元分析

武心朋

(中冶東方工程技術有限公司，山東青島 266555)

短應力線軋機中球面墊與調整螺母接觸有限元分析

武心朋

(中冶東方工程技術有限公司，山東青島 266555)

介紹了短應力線軋機中球面墊與調整螺母在接觸位置經常出現損壞的現象，分析了球面墊與調整螺母之間的接觸問題的原理及其接觸狀態下的受力狀況。通過改變球面墊與調整螺母之間的潤滑狀態和增大接觸面半徑的優化方案，減小接觸面的最大等效應力和接觸摩擦應力，延長使用壽命。

短應力線軋機;球面墊;調整螺母;接觸

0 前言

目前我國小型棒材車間精軋機幾乎都采用了短應力線軋機。球面墊與調整螺母是短應力線軋機拉桿裝配中最重要的兩個零部件，起支撐和調整輥縫大小的作用。調整螺母是通過止動栓與軋輥軸承座連接在一起，因此調整螺母不能相對于軸承座發生轉動。當拉桿在外力作用下轉動時，調整螺母就能帶動軸承座上下升降，從而實現輥縫間隙的調整。調整螺母是短應力線軋機中受力比較大的零件之一，其在調整輥縫大小時與拉桿螺絲之間有相對運動，發生摩擦現象，故其選用耐磨鑄青銅材料制作。球面墊與調整螺母配合調心主要起一個鉸接點的作用，當軸承座軸向調整或安裝存在誤差使拉桿被迫歪斜時，球面墊就能允許拉桿有一個小范圍的擺動，以減小軸承受到的邊緣載荷，從而提高軸承的壽命，球面墊要滿足硬度和表面耐磨性方面的要求，故材料選用40Cr。

短應力線軋機在生產過程中，頻繁出現了球面墊與調整螺母磨損的問題。本文利用有限元理論，結合ANSYS軟件，對短應力線軋機中重要承載件球面墊和調整螺母進行接觸狀態的應力應變分析，得到零件的受力狀態，進行結構上的優化設計，最終合理地確定該零件的結構尺寸，在保證軋機的工藝性能的基礎上結構更合理，性能更高。

1 球面墊與調整螺母三維建模

(1)定義球面墊與調整螺母的尺寸參數。首先確定球面墊的基本尺寸參數:直徑185 mm，球面半徑155mm，球面墊厚度29 mm等;然后確定調整螺母的尺寸參數為:直徑186 mm，球面半徑155 mm，調整螺母厚度160 mm，調整螺母的螺紋尺寸為Tr130×8-LH-7H等。如圖1所示。

圖1 球面墊與調整螺母的尺寸參數Fig.1Size parameters of spherical pad and adjusting nut

(2)球面墊與調整螺母模型的建立。在ANSYS Workbench環境中，做接觸有限元分析時必須將球面墊與調整螺母放在同一個分析界面中。首先按照球面墊與調整螺母的尺寸參數建立三維模型，在建立三維模型的過程中，球面墊的球面與調整螺母的球面需要留出0.5 mm的間隙，否則模型建立后無法進行接觸分析。模型建立后如圖2所示。

圖2 球面墊與調整螺母接觸模型Fig.2Contact model of spherical pad and adjusting nut

(3)定義球面墊與調整螺母材料屬性。將球面墊與調整螺母放在同一個分析界面中，需要單獨對其材料進行屬性的定義。從材料庫中，將球面墊的材料定義為40Cr，再將調整螺母的材料定義為ZCuAl10Fe3。

(4)對球面墊與調整螺母材料劃分網格。分別選中球面墊和調整螺母，在分析樹中選擇劃分網格(Mesh)項，設置單元格尺寸為5 mm，采用自由網格劃分方式，這樣就在同一個界面中得到2個零件的網格模型。最終生成的網格效果圖如圖3所示。從圖中可以看出，球面墊的球面網格劃分很細密，能夠使分析的效果更加準確。

圖3 球面墊與調整螺母網格劃分模型Fig.3Mesh model of spherical pad and adjusting nut

2 球面墊與調整螺母接觸有限元分析

(1)設置球面墊與調整螺母的接觸選項。在ANSYS Workbench軟件中，接觸類型有Bonded (綁定)、No Separation(不分離)、Rough(粗糙)、Frictionless(光滑無摩擦)及Frictional(摩擦)五種。其特點見表1。球面墊與調整螺母之間看做Frictional(摩擦)接觸方式，將球面墊的球面設定為接觸面，而調整螺母的球面設定為目標面。摩擦系數定義為0.3，初始接觸間隙為0.5 mm。

表1 五種接觸類型的接觸特點Tab.1Characteristics of five contact types

(2)施加載荷與約束。根據設計過程中球面墊與調整螺母的位置與作用，將載荷施加在調整螺母的上表面上，而將約束定義在球面墊的下表面與圓柱表面上。在操作界面中，施加載荷即軋制壓力325 kN，施加在調整螺母的上表面上，方向沿軸心往球面墊方向。球面墊與調整螺母的球面作為約束面，使得兩個面之間的接觸面作為摩擦約束面。球面與調整螺母的接觸受力模型就建立了。

(3)設置求解項并顯示求解結果。在操作界面中，首先設置求解項Equivalent Stress(等效應力)，同時，作為接觸分析，還要增加接觸摩擦應力分析。進行求解后，得到Equivalent Stress (等效應力)分析云圖如圖4所示。從圖中可以看出，接觸狀態下，最大等效應力發生接觸面位置，最大應力為642.16 MPa。其受力狀態遠超過材料的強度極限，這應該是磨損的主要原因。

根據對接觸面應力的分析，通過增加接觸面位置的硬度和強度，改變磨損狀況。接觸摩擦應力分析云圖如圖5所示，可以看到接觸摩擦應力(Frictional Stress)的最大應力值為250.15 MPa。從圖中可以看出，最大應力僅在接觸面的很小的部分發生，在實際工況中影響比較小。

圖4 等效應力分析圖Fig.4Analysis chart of equivalent stress

圖5 接觸摩擦應力分析云圖Fig.5Analysis chart of contact friction stress

3 球面墊與調整螺母優化設計

(1)通過改變接觸面的潤滑狀態的優化。在實際工況中，由于金屬與金屬之間的無潤滑摩擦是不允許的，大部分情況都是增加潤滑劑的潤滑摩擦，所以在球面墊與調整螺母之間增加潤滑劑，減小摩擦系數，對接觸面的工作條件能夠得到改善。將調整螺母與球面墊之間接觸面的摩擦系數改為0.1，再進行有限元接觸分析。改摩擦系數后的應力分析云圖和接觸摩擦應力分析云圖分別如圖6、7所示。通過2個應力分析云圖，可以看到最大等效應力為591.41MPa，接觸摩擦應力最大為226.92 MPa，相對于無潤滑狀態下的應力，都小了很多。

圖6 接觸應力分析云圖Fig.6Analysis chart of contact stress

圖7 接觸摩擦應力分析云圖Fig.7Analysis chart of contact friction stress

(2)通過改變接觸面半徑的優化。首先，分別將球面墊與調整螺母的球面半徑增大，由原來的155 mm改為160 mm，其它結構尺寸，不做改變。摩擦系數選擇有潤滑時的系數0.1。對兩個零件重新建模，進行接觸分析，得到球面半徑增大后的應力分析云圖和接觸摩擦應力分析云圖分別如圖8、9所示。從圖中可以看出，最大等效應力為281.59 MPa，與球面半徑為155 mm時的最大等效應力591.41 MPa相比，減小了310 MPa;同時，接觸摩擦應力最大為147.58 MPa，與球面半徑為155 mm時的接觸摩擦應力226.92 MPa相比較，減少了約80 MPa，優化結果非常理想。

圖8 接觸應力分析云圖Fig.8Analysis chart of contact stress

圖9 接觸摩擦應力分析云圖Fig.9Analysis chart of contact friction stress

球面墊與調整螺母的球面半徑由原來的155 mm改為150 mm，其它結構尺寸，不做改變，摩擦系數選擇有潤滑時候的系數0.1。對兩個零件重新建模，進行接觸分析，得到球面半徑減小后的應力分析云圖和接觸摩擦應力分析云圖分別如圖10、11所示。

從圖中可以看出，最大等效應力為780.46 MPa，與球面半徑為155 mm時的最大等效應力591.41 MPa相比，增加了189 MPa，無法滿足零件材料的強度要。同時，接觸摩擦應力最大為176.62 MPa，與球面半徑為155 mm時的接觸摩擦應力226.92 MPa相比較，減少了約50 MPa。

圖10 接觸應力分析云圖Fig.10Analysis chart of contact stress

圖11 接觸摩擦應力分析云圖Fig.11Analysis chart of contact friction stress

4 結束語

中冶東方工程技術有限公司研發的短應力線軋機，已經在長治鋼廠等棒線材生產線投產使用。在生產過程中，出現了球面墊與調整螺母磨損的問題。利用ANSYS Workbench軟件建立球面墊與調整螺母的參數化三維模型，分別定義材料屬性，合理的劃分網格，按照實際的工況施加載荷，在此基礎上運用ANSYS Workbench軟件中接觸分析功能，求出零件的受力最大部位，對其結構和潤滑進行優化。實踐證明，優化改進后，零件的使用壽命明顯延長，產生良好的經濟效益。

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Finite element analysis on spherical pad and adjusting nuts contact of short-stress line mill

WU Xin-peng
(BERIS Engineering and Research Corporation，Qingdao 266555，China)

This article introduces that spherical pad and adjusting nuts in short-stress mill are easily worn out in their contact position.Theory and force condition of spherical pad and adjusting nuts contact are analyzed.An optimization method，by improving lubrication condition and increasing contact surface radius between spherical pad and adjusting nuts，is implemented.In this way，the max equivalent stress and friction stress of contact surface are decreased，its service life is prolonged.

short-stress line mill;spherical pad;adjusting nut;contact

TG333

A

1001-196X(2014)06-0061-04

2014-05-23;

2014-07-28

武心朋(1982-)，男，工程師，主要從事冶金設備研究設計工作。