LG－730 冷軋管機機架危險位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

龐沙沙 ，成海寶，王紅斌，展京樂，趙鐵勇，李學通，杜鳳山，倪偉明

(1.燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004;2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

0 前言

LG730 大型兩輥環(huán)孔型冷軋管機是目前世界上最大規(guī)格伺服控制型兩輥冷軋管機，機架保證軸承座及軋輥等部件正常運作，所以它是軋管機設(shè)備最重要的基礎(chǔ)性零部件［1－3］。機架足夠的剛度和強度是保證軋管機可靠性及使用壽命的最重要因素［4］。

在零件剖面的幾何形狀突然變化處，局部應(yīng)力遠遠大于名義應(yīng)力的現(xiàn)象叫做應(yīng)力集中［5］。軋管機機架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中位置即為其危險位置，如何優(yōu)化機架危險位置結(jié)構(gòu)，對于改善機架應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高機架強度至關(guān)重要。一般情況下通過采用大的圓角設(shè)計及特殊曲線形狀均可以緩解應(yīng)力集中［6］。然而實際設(shè)計中還要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)及受載情況確定最利于改善應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 優(yōu)化方案分析

為了提高機架的強度，對現(xiàn)有LG730 冷軋管機機架危險位置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并對比優(yōu)化前后機架應(yīng)力分布狀況，探究能夠改善機架強度的優(yōu)化方案。各方案的結(jié)構(gòu)見圖1。其中(a)為初始設(shè)計，采用了R15 的圓角連接;(b)為方案一，采用大的凹槽，凹槽朝向機架左右兩側(cè);(c)為方案二，采用類似方案一的大凹槽，凹槽朝向機架底部;(d)為方案三，在方案二的基礎(chǔ)上將凹槽向下的深度加大，而不改變凹槽的朝向;(e)為方案四，與初始方案的差別在于上下兩面的距離增大了12 mm，過渡圓角設(shè)計是R15。經(jīng)有限元分析初始設(shè)計方案中危險位置處的最大等效應(yīng)力值為138 MPa，最大主應(yīng)力為175.8 MPa［4］。

圖1 各方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of each case

2 危險位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一

圖2為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一的機架危險位置等效應(yīng)力分布，從中能夠看到機架在結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，最大等效應(yīng)力是244.2 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 增大到192.9 MPa，應(yīng)力增大39.8%。

圖2 優(yōu)化方案一中危險位置等效應(yīng)力分布Fig.2 Key location equivalent stress distribution of case 1

方案一機架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖3，其中最大主應(yīng)力發(fā)生在機架危險位置處，其值為219.7 MPa，最小主應(yīng)力為－198.4 MPa。危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計增大25.0%。可見方案一不能改善機架危險位置應(yīng)力分布。

圖3 優(yōu)化方案一中的機架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.3 Frame max./min.principal stress distribution of case 2

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二

圖4 所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二中機架等效應(yīng)力分布情況，從圖中能夠看到機架最大等效應(yīng)力為218.7 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 減小到132.4 MPa，降低了約4%。

圖4 優(yōu)化方案二中的等效應(yīng)力分布圖Fig.4 Frame equivalent stress distribution of case 2

方案二機架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖5，其中最大主應(yīng)力是165.8 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為147.3 MPa，最小主應(yīng)力為－137.7 MPa。危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計降低了16.2%。可見方案二大大降低了機架危險位置處的應(yīng)力值，對改善機架危險位置處的應(yīng)力分布是有效的。

圖5 優(yōu)化方案二中機架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.5 Frame max./min.principal stress of program 2

4 結(jié)構(gòu)改進方案三

圖6 是危險位置結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案三中的機架等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出機架最大等效應(yīng)力為263.1 MPa;危險位置處的最大等效應(yīng)力值由原來的138 MPa 減小到124.2 MPa，降低了約10%。

圖6 優(yōu)化方案三中的機架等效應(yīng)力分布Fig.6 Frame equivalent stress distribution of case 3

方案三機架最大、最小主應(yīng)力分布情況見圖7，從圖中可以看出，機架最大主應(yīng)力為174.6 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為137.8 MPa，最小主應(yīng)力為－213.6 MPa。其中危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計值降低了21.6%。由此可見方案三也能夠很好地改善機架危險位置處的應(yīng)力分布。

圖7 改進方案三中的機架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.7 Frame max./min.principal stress distribution of program 3

5 結(jié)構(gòu)改進方案四

危險位置優(yōu)化方案四中機架等效應(yīng)力分布情況見圖8，從圖中可以看出機架最大等效應(yīng)力為145.9 MPa;而危險位置等效應(yīng)力為113 MPa，與初始設(shè)計相比降低了18.1%。

圖9 所示為方案四機架最大、最小主應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出機架最大主應(yīng)力為144.4 MPa，危險位置處的最大主應(yīng)力為126.1 MPa，最小主應(yīng)力為－108.8 MPa。其中危險位置處的最大主應(yīng)力較初始設(shè)計方案降低了28.3%。可見方案四很好地優(yōu)化了機架危險位置處的設(shè)計。

圖8 優(yōu)化方案四中的機架等效應(yīng)力分布Fig.8 Frame equivalent stress distribution of case 4

圖9 改進四中的機架最大、最小主應(yīng)力分布Fig.9 Frame max./min.principal stress distribution of case 4

6 分析結(jié)果

針對機架危險位置的應(yīng)力分布，對危險位置處的圓角結(jié)構(gòu)提出了四種改進方案，經(jīng)分析除方案一外，其他方案均能有效改善危險位置處的應(yīng)力分布狀況。現(xiàn)將各個方案的分析結(jié)果整理成表1。機架的危險位置位于牌坊與上橫梁的接觸圓角處，其示意圖見圖10。

表1 機架危險位置結(jié)構(gòu)各設(shè)計方案應(yīng)力對比Tab.1 stress contract of dangerous location

從表1 可以看出，優(yōu)化方案一加劇了機架危險位置處的應(yīng)力集中，而另外三個方案都能夠很好地改善機架危險位置處的應(yīng)力分布狀況，所以在危險位置處較之采用現(xiàn)有的圓角設(shè)計，朝向機架下方的一定深度的凹槽能夠有效改善該位置處的應(yīng)力狀況。

圖10 機架危險位置示意圖Fig.10 Key location schematic diagram of the rolling-mill housing

7 結(jié)論

(1)機架危險位置是影響其強度的關(guān)鍵位置，采用簡單的圓角設(shè)計對于該位置處的應(yīng)力分布并不是最好的，對機架危險位置結(jié)構(gòu)采用一定深度的凹槽設(shè)計，其應(yīng)力分布結(jié)果均優(yōu)于圓角設(shè)計;

(2)方案一為在朝向機架兩側(cè)開凹槽，分析表明該結(jié)構(gòu)不能改善機架應(yīng)力分布狀況;

(3)方案二和方案三均是在朝向機架底部開凹槽，方案三的深度大于方案二，可見一定深度范圍內(nèi)向下的凹槽越深越利于提高機架強度;

(4)方案四采用與初始設(shè)計相同的圓角過渡，只是牌坊與上橫梁底部的間隙擴大，該方案使危險位置處的等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別降低了18.1%和28.3%，可見增大牌坊與上橫梁底部間隙能夠大大改善機架危險位置處的應(yīng)力分布狀況。

［1］彭的新.淺談三輥軋管機的發(fā)展(I)［J］.鋼管，1993(3):5－10.

［2］邱永泰.關(guān)于二輥斜軋管機的討論［J］.鋼管，2010，39(4):1－5.

［3］周志楊，馮原，李勝袛，等.有限元數(shù)值模擬方法在連軋管孔型設(shè)計中的應(yīng)用［J］，寶鋼技術(shù)，2008(5):20－21.

［4］成海寶，龐沙沙，裴衛(wèi)民.等.LG－730 冷軋管機結(jié)構(gòu)力學分析［J］.重型機械，2014(4):61－65.

［5］丁年雄.機械加工工藝詞典［M］(一版).北京:學苑出版社，1990，184－185.

［6］王薇.基于ANSYS 的整體式輪槽精銑刀強度分析與優(yōu)化［D］.蘭州:蘭州理工大學，2013.