提高寶鋼Φ140mm連軋管機組機架強度的有限元研究

蘇惠超+王寶明+趙志毅

摘 要：本文采用ABAQUS有限元分析軟件，對寶鋼Φ140mm連軋管機組機架的強度進行分析研究，結果表明，原始機架壓下螺母孔過渡圓角是機架的薄弱環節，通過增大壓下螺母孔過渡圓角半徑，可以大大降低壓下螺母孔過渡圓角處的應力值，從而提高機架強度。

關鍵詞：機架強度；Mises應力；有限元模擬

中圖分類號：TG335.71 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0106-03

1 引言

軋機機架用來安裝輥系、軋輥調整裝置及其它裝置，是軋機的重要零件[1]。寶鋼Φ140mm連軋管機組最初的產品設計規格為外徑Φ21.3～139.7mm[2]，品種設計范圍重點是Cr含量在2.25%以下的品種。為滿足市場對大規格無縫鋼管的需求，提升寶鋼鋼管的技術水平和競爭力，使鋼管最大外徑達到了Φ195mm[3]。同時，經過多年新的孔型系和產品品種、規格的開發，Φ140mm連軋管機組目前所生產的產品無論是規格還是品種都大大超出了原機組的設計能力，使設備的負荷增大，安全生產存在隱患。本文對機架的結構和尺寸進行適當的優化調整，以適應目前的生產情況，保證產品的質量和設備的安全。

2 建立機架的幾何模型

根據Φ140mm連軋管機組機架的構造和尺寸，利用ABAQUS軟件自帶的畫圖功能通過拉伸、旋轉等方法建立機架的三維模型，部分無關緊要的細節進行了簡化，幾何模型如圖1所示。

3 建立機架的有限元模型

3.1 賦予模型材料屬性

寶鋼Φ140mm連軋管機組機架的材料為ZG230-450。通過查閱金屬材料手冊[4]，得到ZG230-450的彈性模量為172-202GPa，取175GPa，泊松比為0.3。

3.2 設置載荷和邊界條件

依據現場實際生產情況，對機架底座施加禁止位移和旋轉的固定約束[1][5]，同時為了便于施加軋制力，建立耦合約束，設置載荷大小為5000KN，上下螺母孔承壓面各施加2500KN的軋制力，如圖2所示。

3.3 模型劃分網格

為機架模型劃分網格后的示意圖如圖3所示。單元類型：C3D10M（10結點修正二次四面體單元），單元數：241477，結點數：358264。

4 機架強度的有限元分析

4.1 原始機架應力有限元分析

原始機架在5000KN軋制力作用下Mises等效應力分布云圖如圖4所示，圖中不同的顏色代表不同的數值，藍色代表較小數值，紅色代表較大數值，顏色從藍到紅數值逐漸增大。

壓下螺母孔過渡圓角處等效應力值較大，分別記上下螺母孔過渡圓角處為Top-Left、Top-Right、Bottom-Left和Bottom-Right，簡化為TL、TR、BL和BR位置（后文均簡稱TL、TR、BL、BR），取每個位置41個結點處Mises等效應力值并統計其等效應力最大值、最小值和平均值，結果見表1。可見，壓下螺母孔過渡圓角處Mises等效應力最大值為279.3MPa，平均值為207MPa。機架材料為ZG230-450，其屈服強度為230MPa，當軋制力達到5000KN時，壓下螺母孔過渡圓角處最大Mises應力值已超過了材料的屈服強度，在軋制過程中機架處于極其危險的狀態，嚴重影響軋件的尺寸精度以及生產的安全，是機架優化的關鍵部位，可以通過增大過渡圓角半徑來減小該位置的應力值，保證生產的安全性。

4.2 優化后機架應力有限元分析

原始機架壓下螺母孔過渡圓角半徑R=2.5mm，將壓下螺母孔過渡圓角半徑改為R=10mm，圖5為螺母孔過渡圓角半徑R=10mm示意圖。壓下螺母孔過渡圓角半徑R=10mm時機架等效應力分布云圖如圖6所示。統計過渡圓角半徑增大后TL、TR、BL、BR四個位置處Mises等效應力值，并統計其最大值、最小值、平均值見表2。四個位置處等效應力最大值為157.0MPa，平均值為125.4MPa。

4.3 優化前后機架應力值變化情況對比

與原始機架相比，壓下螺母孔過渡圓角半徑增大后四個位置的等效應力值變化情況見表3。從表3可見，增大壓下螺母孔過渡圓角半徑可以減小壓下螺母孔過渡圓角處的應力值，等效應力最大值降低了43.8%，等效應力平均值降低了39.4%，等效應力最小值降低了29.5%。

5 結語

（1）對原始機架進行有限元模擬分析，發現機架壓下螺母孔過渡圓角處應力值較大，其Mises等效應力最大值為279.3MPa，平均值為207MPa。機架壓下螺母孔過渡圓角處是機架優化的關鍵部位。

（2）優化機架的壓下螺母孔過渡圓角半徑，由原來的R=2.5mm增大為R=10mm，對優化后機架進行有限元模擬分析，發現增大壓下螺母孔過渡圓角半徑可以減小壓下螺母孔過渡圓角處的應力值，其Mises等效應力最大值為157.0MPa，平均值為125.4MPa。

（3）與原始機架應力值相比，優化后機架壓下螺母孔過渡圓角處應力值有了很大程度的降低，其等效應力最大值降低了43.8%，等效應力平均值降低了39.4%，等效應力最小值降低了29.5%。

參考文獻

[1]范儉，劉艷霞.半閉口式軋鋼機機架的有限元分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版）， 1995，11（3）：210-214.

[2]王起江.寶鋼Φ140 mm連軋管機組技術改造與產品質量的提高[J].寶鋼技術，2001，（5）：44-47.

[3]中國金屬學會軋鋼學會鋼管學術委員會五屆五次年會論文集[C].衡陽：《鋼管》雜志社，2009：77-81.

[4]李春勝，黃德彬.金屬材料手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.

[5]孫占剛，韓志凌，魏建芳.軋機閉式機架的有限元分析及優化設計[J].冶金設備，2004，（3）：8-11.