H 型鋼萬能軋機輥縫調整HGC 缸設計與分析

◎竇麗娟 李愛臣

一、前言

在H 型鋼軋制時，腹板厚度精度由上、下水平輥壓下液壓缸完成；翼緣厚度精度由傳動側及操作側立輥液壓缸完成。水平輥縫、立輥輥縫采用HGC 液壓缸，伺服閥閉環控制，具有響應快和精度高的特點。

二、HGC 缸的設計與分析

HGC 缸作為萬能軋機輥縫調整的重要部件，應根據最大軋制力進行設計，強度分析及校核過程中也要保證測試壓力下的安全性。

1.HGC 缸的設計與計算。

HGC 液壓缸的主要參數有柱塞直徑D0、桿徑dr和行程S，參數D0由軋制力P和液壓系統工作點的壓力Pw決定，按下式計算：

κ——考慮流體系統穩定性的系數，1.3～1.6；

P1—作用在HGC 缸上的軋制力，其為軋制力的一般，，kN；

Pw—工作壓力，MPa；

液壓缸行程S 要綜合考慮油柱高度對軋機剛度和響應頻率的影響，不足行程需要在軸承座上設置調整墊板來補償。

水平壓下及立輥壓下缸設計時應考慮位移傳感器內置、柱塞止轉措施、承壓墊板等結構設計。此外立輥壓下缸還應考慮水平輥壓靠時主傳動萬向接軸的影響。

（1）HGC 缸壁厚度設計與計算。

缸體壁厚按以下工程計算方法進行。

式中δ—缸體壁厚，mm；

Pmax—試驗壓力，Mpa；

[σ2]—許用應力，MPa；其按下式確定。

σb—缸體材料抗拉強度，Mpa；

n—安全系數，根據工程實踐取值。（2）HGC 缸缸底厚度設計與計算。

缸底厚度按以下工程計算方法進行。

式中h—缸底厚度，mm；

2.HGC 缸密封。

密封是液壓缸非常重要的組件，它的可靠性直接影響液壓缸是否能穩定工作。如圖1 所示，柱塞與缸蓋結合處，活塞與缸體結合處均采用組合密封。如圖4，組合密封由主密封及輔密封O 形圈組成，通過徑向過盈配合及O 型圈的預壓縮，可以提供有效預緊力，保證在低壓及高壓工況下都能使密封緊密貼合在密封面上，具有良好的密封特性。密封圈的材料主要由PTEE（聚四氟乙烯）組成，具有良好的耐高溫，耐磨性。

防塵圈采用帶有雙O 形圈提供預緊力雙唇防塵圈，可有效地防止灰塵和污垢進入系統，副密封唇口和帶有O 形圈的密封串聯組合使用可有效減少殘余油膜。導向帶則可以有效吸收活塞運動時的偏載力，有效保護密封。

圖1 輥縫調整HGC 缸密封示意圖

圖2 組合密封圈示意圖

3.HGC 缸體的分析。

完成初步的設計計算后應采用有限元方法對缸體進行分析、校核，從而對缸體細節進行優化。

在HGC 缸柱塞完全伸出狀態進行分析，試驗壓力32Mpa。將缸體上的油孔、螺孔等進行簡化處理以便網格劃分。取缸體模型的1/2 為對象進行分析。

在對缸體進行有限元分析時基于在載荷作用下不會發生超出材料屈服限的塑性變形的假設。

缸體材料選擇調質處理的42CrMo，材料性能及許用應力如下表：

?

（1）水平輥輥縫調整HGC 缸缸體分析。

缸體有限元模型見圖3。

圖3 水平輥輥縫調整HGC 缸缸體有限元模型

模型的具體邊界條件- 約束方式見圖5，分別施加對稱約束、豎直方向的固定約束。模型的具體邊界條件-加載方式見圖4。

圖4 水平輥輥縫調整HGC 缸缸體模型邊界條件—約束

圖5 水平輥輥縫調整HGC 缸缸體模型邊界條件—載荷

水平輥輥縫調整HGC 缸缸體的von-mises 應力分布云圖（見圖5）。最大應力為536.23MPa，位置在缸體內部的圓弧環面上，為應力集中區，詳見云圖的紅色區域；其余部分的應力均小于480MPa。

圖6 水平輥輥縫調整HGC 缸缸體等效應力云圖

（2）立輥輥縫調整HGC 缸缸體分析缸體有限元模型見圖6。

圖7 立輥輥縫調整HGC 缸缸體有限元模型

模型的具體邊界條件-約束方式見圖7，分別施加對稱約束、豎直方向的固定約束。模型的具體邊界條件-加載方式見圖8。

圖8 立輥輥縫調整HGC 缸缸體模型邊界條件—約束

圖8 立輥輥縫調整HGC 缸缸體模型邊界條件—載荷

立輥輥縫調整HGC 缸缸體的von-mises 應力分布云圖（見圖8）。最大應力為433.65MPa，位置在缸體內部的圓弧環面上，為應力集中區，詳見云圖的紅色區域；其余部分的應力均小于340MPa。

圖9 立輥輥縫調整HGC 缸缸體等效應力云圖

HGC 缸缸體的最大應力均低于材料的曲服強度，通過與實際運行的生產線中應用的HGC 缸對比，該結果滿足生產需要。

三、結語

HGC 缸作為萬能軋機輥縫調整的關鍵部件，設計過程中的計算校核非常重要。本文通過對多個H 型鋼軋鋼生產線的調研、分析，對HGC 缸進行設計計算并分析校核，為以后的設計和研究工作提供參考和依據。