定寬壓力機內外塊受力分析與在線測試

熊 杰

(寶鋼股份公司設備部，上海 201900)

定寬壓力機內外塊受力分析與在線測試

熊 杰

(寶鋼股份公司設備部，上海 201900)

首先采用有限元軟件對走停式定寬壓力機內、外塊的應力狀態進行了定量分析，得到了內、外塊最大應力隨時間的變化關系，確定了內、外塊的應力集中部位，然后對內、外塊應力狀態進行了在線測試，在5個不同的測試點的有限元模擬結果與實測結果均吻合良好，驗證了有限元模型的正確性，為內、外塊結構設計與優化提供了重要的理論依據。

定寬壓力機；內塊；外塊；受力分析；測試

0 前言

常見的板坯在線寬度調整方式有三種：結晶器調寬[1]，立輥軋制調寬[2]，定寬壓力機調寬[3]。其中定寬壓力機具有調寬效率高、板坯平面形狀好的優點，得到了廣泛的應用。目前，國際上僅德國SMS公司、日本IHI公司和日本三菱-日立(MH)公司可以提供定寬壓力機的成套設備。其中三菱-日立公司(MH)提供的定寬壓力機為走停式，其結構與日本IHI公司、德國SMS公司的產品有較大差異[4-8]。

本文采用有限元軟件對三菱-日立公司的走停式定寬壓力機內、外塊的應力狀態進行了分析，并通過在線測試驗證了有限元模型分析的正確性，確定了內、外塊的應力集中部位，為內、外塊結構設計與優化提供重要的理論依據。

1 受力分析

1.1 結構簡介

圖1為走停式定寬壓力機的基本結構圖。關鍵部件包括：曲軸、內塊與外塊三部分。曲軸繞軸承做旋轉運動，帶動安裝在曲軸偏心部分的連接臂運動。連接臂上的弧形板和外塊側弧形板相配合，使得連接臂既有繞曲軸偏心部分的旋轉運動，又有繞外塊側弧形板的上下擺動。連接臂部分將曲軸的轉動轉化為內、外塊的平動，實現板坯的軋制過程。外塊與內塊之間裝有壓下螺絲，可以隨著板坯規格的變化調節定寬壓力機的開口度。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 有限元分析

采用Solidworks軟件建立三維模型，然后將模型導入到Ansys軟件中，建立裝配體后進行聯合分析。裝配體所受外力如下：軋制力，連接臂作用在弧形板的力，外塊平衡缸作用力。其中平衡缸作用力遠小于軋制力，因此在對裝配體進行分析時，僅考慮軋制力與連接臂作用于弧形板的力。為保證計算精度和計算速度，對接觸部位進行局部網格細化。

采用上述模型得到的極限軋制力狀態下的Mises應力云圖如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，內塊的應力集中出現在壓下螺絲與內塊的接觸區域，該區域直接進行軋制力的傳遞，其他區域的應力較小；外塊的應力集中主要出現在外塊與壓下螺絲和弧形板墊板的接觸區域，其中最大應力仍然出現在與壓下螺絲的接觸區域。

內、外塊最大Mises應力隨時間變化關系如圖4所示。由圖可知，內、外塊最大應力隨時間的變化為均近似為正弦曲線。當軋制力最大時，內塊最大應力達到131.94MPa，外塊最大應力達到138.52MPa。整體而言，內、外的結構設計是比較合理的，其最大應力遠小于材料的許用應力，安全系數較大。

圖2 內塊應力云圖Fig.2 Stress nephogram of inner block

圖3 外塊應力云圖Fig.3 Stress nephogram of outer block

圖4 最大應力隨時間變化Fig.4 Relationship between maximum stress and time

2 在線測試

2.1 實驗方案

為了驗證有限元分析的準確性，對內、外塊的應力進行了在線測試。在不影響設備正常運轉的情況下，盡量接近應力集中的部位進行貼片，具體貼片位置見圖5。測試內容包括內、外塊的應力大小和方向。由于內塊距離板坯很近，高溫板坯對內塊的熱輻射相當嚴重，因此在測試點1-2采用特殊的焊接式高溫應變計；外塊距離板坯較遠，受板坯熱輻射影響較小，因此在測試點3-5采用普通粘貼式應變計。

圖5 貼片位置Fig.5 The sticking position of strain-guage

由于內、外塊測試點主應力方向未知，采用45°應變花方式對應變進行測量，即每個測試點粘貼三個應變片，三者組成應變花。應變花布置如圖6所示。

圖6 應變花布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of strain rosette layout

設在x、y和u方向上測得應變εx、εy和εu后，可以求得主應變的大小和方向[9]

(1)

根據上式計算得到主應變的大小和方向后，設內、外塊材料為各向同性材料，根據廣義胡克定律與強度理論[10-11]可以待測點的主應力與米塞斯應力的大小。

(2)

考慮到安全性，測試儀器必須安放在距離定寬壓力機足夠遠的位置，并且不影響現場的生產，所以測試點與測量儀器之間有較大的距離，應變信號需要長導線傳輸，每個應變的線路連接和等效電路見圖7，該種方法的缺點是隨著導線長度的增加，橋路無法調零。因此，需要采用單片三線制接法，三線制接法的好處是可以實現長導線單臂應變測量時應變放大器的調零，其線路連接和等效電路如圖8所示。

圖7 長導線單應變片連接及等效電路Fig.7 Connection type of single strain-guage with long wire and equivalent circuit

圖8 三線制連接及等效電路Fig.8 Connection type of three wire and equivalent circuit

2.2 結果對比

為了驗證有限元分析的正確性，在內塊上按照實際軋制力施加載荷，重新進行有限元分析，從有限元分析結果中提取與各個測試點相對應的米塞斯應力，將其在線測試得到的米塞斯應力值進行對比，結果見圖9-13。圖中的橫坐標中的T為運動周期。

由圖9-13可知，在5個測試點有限元模擬的應力隨時間的變化規律與測試結果均吻合良好，驗證了有限元模型的正確性。可以之為基礎，對內、外塊的整體結構進行參數設計與優化。

圖9 測試點1Fig.9 Testing point 1

圖10 測試點2Fig.10 Testing point 2

圖11 測試點3Fig.11 Testing point 3

圖12 測試點4Fig.12 Testing point 4

圖13 測試點5Fig.13 Testing point 5

3 結論

(1) 內塊的應力集中出現在壓下螺絲與內塊的接觸區域，外塊的應力集中主要出現在外塊與壓下螺絲和弧形板墊板的接觸區域，內、外塊的最大應力均出現在與壓下螺絲的接觸區域。

(2) 當軋制力最大時，內塊最大應力達到131.94 MPa，外塊最大應力達到138.52 MPa，遠小于材料的許用應力，安全系數較大。

(3) 有限元模擬的結果與測試結果均吻合良好，驗證了有限元模型的正確性。

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Stress analysis and online testing of inner and outer blocks for slab sizing press

XIONG Jie

(Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Equipment Department，Shanghai， 201900,China)

In this paper, the finite element software is used to quantitative analyze the stress state of the inner and outer block of the walking-stopping type slab sizing press, and the relation of maximum stress with time is obtained. Besides, the stress concentration positions of the inner and outer block are determined. Then, the stress states of the inner and outer block are tested online. The results show that the finite element simulation results are in good agreement with the measured results at 5 different test points. So that the correctness of the finite element model is verified and it provides important theoretical basis for the structure design and optimization of the inner and outer block.

slab sizing press; inner block; outer block; stress analysis; testing

2016-03-16；

2016-04-15

熊杰(1970-)，男，高級工程師，從事板帶材軋制裝備研究與生產工作。

TG335

A

1001-196X(2016)04-0012-05