基于ANSYS Workbench熱軋卷筒扇形板裂紋分析及改進

司馬攀峰，袁玉琴，余峰

（1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司；2.湖南科美達(dá)重工有限公司，湖南 岳陽 414000）

1 前言

卷筒是熱軋生產(chǎn)線上卷取機的關(guān)鍵設(shè)備，用來將精軋機輸送過來的帶鋼卷取成卷方便轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)移，而扇形板是卷筒上的重要零部件，其為鍛造成型后加工，具有材料成本高、生產(chǎn)制造周期長等特點。近期我公司維修檢測時，發(fā)現(xiàn)多家熱軋鋼廠卷取機卷筒扇形板側(cè)導(dǎo)向凸臺根部均出現(xiàn)開放性裂紋導(dǎo)致報廢，具體見圖1所示。

圖1 扇形板實物裂紋圖

其直接導(dǎo)致扇形板報廢更換，影響卷筒的使用壽命，并造成卷筒修復(fù)周期增長，嚴(yán)重制約鋼廠產(chǎn)能，針對這一現(xiàn)象利用ANSYSY Workbech有限元軟件進行對比分析，找出裂紋出現(xiàn)的原因，并盡可能提供合理的解決方案。

2 卷筒結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

（1）卷筒本體是卷取設(shè)備的關(guān)鍵，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由連桿、空心軸、芯軸、扇形板、柱塞、脹縮油缸組成。卷筒卷取時，扇形板外圓表面直接與熱軋帶鋼接觸，需要承受急冷急熱循環(huán)沖擊，承載鋼卷重量及卷取帶鋼的卷取張力。

圖2

（2）卷筒關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 1700卷筒關(guān)鍵參數(shù)

3 現(xiàn)場工況及受力分析

在帶鋼的卷取過程中，扇形板外圓受到帶鋼卷沿徑向方向分布的徑向壓力及與卷取張力。卷筒內(nèi)部則由脹縮油缸提供的脹緊力拉動芯軸，芯軸外圓上斜面帶動斜面上設(shè)置的柱塞上移將扇形板沿徑向向外推動從而抵消扇形板所承受徑向壓力。因扇形板承載受到的徑向壓力直接傳遞到柱塞，對柱塞及芯軸等卷筒關(guān)鍵部件進行受力分析，具體如圖3所示。

圖3

圖中符號含義：F1為扇形板傳遞到柱塞的徑向壓力；fF阻為柱塞周邊支撐摩擦阻力；F阻為柱塞周邊支撐力；N1為芯軸與柱塞之間的支撐作用力；fN1為芯軸與柱塞之間的摩擦力；a為芯軸傾角18°；Q1為脹縮油缸脹緊力。

以1700熱軋卷筒為例，分析扇形板極限狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變情況取脹縮缸最大壓力狀態(tài)時分析計算F1值。

根據(jù)表11700卷筒關(guān)鍵參數(shù)得到脹縮油缸缸徑為φ390mm，桿徑φ180mm，正常工作壓力13MPa，實驗壓力18MPa。因目前鋼廠普遍存在設(shè)備老化、鋼種品質(zhì)提升等問題，實際油缸工作壓力一般取15～16MPa。根據(jù)公式

求得脹縮油缸脹緊力：

Q1=F=16π(1952-902)=1504.195kN

（1）以芯軸為分析對象，有：

水平方向：Q1=fN1cos a+N1sin a=N1f1cos a+N1sin a

（2）以柱塞為分析對象，有：

垂直方向：N1cos a=fN1sin a+fF阻+F1

即：N1cos a=N1f1sin a+F阻f2+F1

水平方向：FZ=N1sin a+N1f1cos a

式中，f1，f2為為芯軸與柱塞之間以及柱塞與空心軸之間的摩擦系數(shù)，因卷筒內(nèi)部各零部件之間均設(shè)置有高效潤滑脂，計算時取0.1；F1為為負(fù)載時扇形板傳遞到柱塞面的徑向壓力；將各參數(shù)代入可求得F1=4017kN，考慮四塊扇形板均勻受力單塊扇形板所承受徑向壓力為1004.25kN。

根據(jù)經(jīng)驗公式對卷取機卷筒張力進行計算：

式中，σ0為單位張力(MPa)；以常用碳鋼Q235為列取σS=235MPa；b為帶鋼的寬度(mm)；h為帶鋼的厚度(mm)；K為張力系數(shù)，取K=0.1～0.2。

對于帶寬b=1430mm，帶材厚度h=10mm，取K=0.1，卷取速度為22m/s，大于3m/s，所以最大卷取張力為252kN。

4 扇形板靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1 建立有限元分析模型并設(shè)置約束與載荷

以扇形板為主要研究對象采用Creo Parametric 5.0建立扇形板及與其直接接觸關(guān)鍵零部件柱塞、耐磨板三維實體模型并將各零部件按配合關(guān)系裝配，確定彼此之間無干涉。將裝配后組件導(dǎo)入ANSYSY Workbech 19.0軟件中，并對模型進行簡化處理及網(wǎng)格劃分。

根據(jù)卷筒設(shè)計圖紙扇形板材料為2Cr12NiMoWV，柱塞及耐磨襯板為鋼銅復(fù)合材料，基材為42CrMo，耐磨層為ZCuAL10Fe3Mn2厚度約3mm。將表2各材料屬性分別匹配到相應(yīng)分析模型。根據(jù)前面工況分析及受力分析結(jié)果建立扇形板簡化后載荷及約束模型，耐磨板安裝面及柱塞斜面設(shè)置固定約束，扇形板表面施加徑向軸承載荷1004.25kN模擬鋼卷徑向壓力，切向設(shè)置252kN軸承載荷模擬鋼帶卷取張力，具體如圖4所示。

圖4 扇形板約束及載荷圖

表2 工程材料屬性

4.2 有限元計算結(jié)果分析

計算結(jié)束后，對結(jié)果進行觀察分析可以得到扇形板導(dǎo)向凸臺根部出現(xiàn)應(yīng)力集中點，與實際產(chǎn)生裂紋位置一致，應(yīng)力值約為90MPa，如圖5所示。

圖5 扇形板局部等效應(yīng)力云圖

通過受力情況分析扇形板此位置為彎曲切應(yīng)力，將有限元分析結(jié)果與材料的許用切應(yīng)力做對比分析，材料的許用切應(yīng)力[τ]：

式中，[σ]為許用屈服強度；σμ為極限應(yīng)力；n為安全因數(shù)（此處取2.2）；計算得出[τ]=(167-233)MPa。

由以上有限元分析及計算得出靜應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料許用切應(yīng)力值，安全系數(shù)也基本滿足工況使用需求，靜應(yīng)力值不是造成此位置裂紋的主因。因卷取機在生產(chǎn)過程中的工作模式為卷取-卸卷循環(huán)，扇形板在卷取過程中承受鋼卷徑向壓力及卷取機卷取張力載荷，卸卷后處于空載狀態(tài)無載荷，即扇形板在工作中承受循環(huán)載荷，裂紋考慮高周疲勞產(chǎn)生。

卷筒扇形板一般要求使用三個周期以上，卷筒使用周期按每次過鋼量100萬噸，平均每卷鋼重量按20噸，一個修復(fù)周期內(nèi)約卷鋼5萬次。利用ANSYS Workbench計算扇形板在四個卷鋼周期靜應(yīng)力循環(huán)載荷下的安全系數(shù)如圖6所示，裂紋產(chǎn)生位置抗疲勞斷裂安全系數(shù)約為1.5。

圖6 安全系數(shù)云圖

采用部分系數(shù)法計算扇形板的安全系數(shù)S，目前比較簡單的方法是只取三個部分系數(shù)，即：

式中，S1為考慮材料的可靠性，取S1=1.1；S2為考慮扇形板是卷取機卷筒正常工作中的關(guān)鍵零件且在工作過程中連續(xù)承受急冷急熱循環(huán)沖擊，故取S2=1.3；S3為考慮計算的準(zhǔn)確性，取S3=1.3。

通過以上數(shù)據(jù)對比可得出，有限元分析應(yīng)力集中點抗疲勞斷裂安全系數(shù)低于扇形板安全系數(shù)要求，無法滿足使用要求，有可能會產(chǎn)生裂紋及斷裂現(xiàn)象，與實際使用情況相符。

5 扇形板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進

通過前面的受力分析可以將扇形板的實際受力情況簡化成簡支梁結(jié)構(gòu)其簡化模型及剪力圖與彎矩圖，如圖7所示。

圖7 簡支梁剪力圖及彎矩圖

式中，Qmax為最大剪力；q為均布載荷；l為支點間距離；Mmax為最大彎矩。

從公式可以看出，要降低剪力Qmax值和彎矩Mmax值都只能通過降低載荷q或者縮小支點間距l(xiāng)來實現(xiàn)，而卷取載荷q卷取張力顯然是卷取機的關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)整后勢必會影響鋼帶卷取效果，只能考慮縮小支架間的距離l來降低Qmax值和彎矩Mmax值，對熱軋卷取機卷筒結(jié)構(gòu)研究分析發(fā)現(xiàn)，扇形板中間位置可以考慮再增加一處鋼銅復(fù)合襯板，即將l值降低到l/2,通過公式可以算出Qmax可以降低到Qmax/2，Mmax則可以降低到Mmax/4。通過以上推導(dǎo)建立優(yōu)化后有限元分析模型，如圖8所示，中間增加一對鋼銅復(fù)合襯板。

圖8 增加中間襯板結(jié)構(gòu)圖

利用ANSYSY Workbech 19.0有限元軟件對優(yōu)化后模型重新進行計算。

優(yōu)化后裂紋位置等效應(yīng)力如圖9所示應(yīng)力值降低到了31.6MPa。

圖9 優(yōu)化后局部等效應(yīng)力云圖

優(yōu)化后裂紋位置抗疲勞斷裂安全系數(shù)如圖10所示，增加到了2.88。

圖10 優(yōu)化后局部安全系數(shù)云圖

6 結(jié)語

通過有限元分析得到了扇形板工作狀態(tài)時應(yīng)力分布情況，驗證了頻繁出現(xiàn)裂紋位置存在應(yīng)力集中問題，通過疲勞計算后，發(fā)現(xiàn)該位置安全系數(shù)偏低存在安全隱患。

為提高扇形板使用壽命避免裂紋出現(xiàn)，提出了可以降低裂紋位置應(yīng)力值的方案，并通過有限元分析驗證了改進方案，為后續(xù)改善扇形板裂紋問題提供了理論依據(jù)。