地下卷取机入口槽型板有限元分析①

杨 丹

(武汉科技大学机械自动化学院 湖北武汉430081)



地下卷取机入口槽型板有限元分析①

杨 丹②

(武汉科技大学机械自动化学院 湖北武汉430081)

建立了地下卷取机入口槽型板的有限元模型，并根据实际工况施加约束和载荷，对槽型板进行应力分析。结果表明：槽型板板体与油缸支臂的连接处是应力的最大部位，且为三向压应力状态，是槽型板的危险部位。如果槽型板长期处于最大卷取规格的载荷条件下，此处就会发生疲劳损伤。最后对其结构的改进提出了一定的建议。

地下卷取机 槽型板 有限元 疲劳损伤

1 前言

地下卷取机是热轧线的主要生产设备之一，槽型板作为地下卷取机带钢卷入时的导入机构，将带钢导向卷筒，然后通过助卷辊将带钢进行卷取[1]，其强度和变形将影响到整个设备的可靠性及正常运行。槽型板长期在高温下承受带钢冲击载荷的作用，实际工况十分恶劣，现在由于大规格、高附加值、高强度宽厚板生产需求的增多，时常发生损坏现象。为掌握槽型板的承载能力，建立槽型板的三维有限元模型，并根据实际工况加入约束和载荷，对槽型板进行应力分析计算。在此基础上，找出槽型板应力集中区域，对其进行强度分析，评估其安全性，并提出改进措施。

2 槽型板受力分析

通过对钢带卷取工艺的分析，如图1所示，带钢对槽型板的冲击力分为两个部分，第一部分为从夹送辊到槽型板这段距离的带钢所具有的动量对槽型板的冲击，第二部分为钢板在冲击到槽型板之时，夹送辊对带钢的夹送力通过带钢传递给槽型板的，这个冲击力由上下夹送辊的扭矩所确定。

对第一部分的冲击力进行分析，根据冲量定理：

F·t=m(va-v0)

(1)

式中F—槽型板对带钢的作用力；t—带钢对槽型板的冲击时间；m—从夹送辊到槽型板冲击部位这段带钢的质量；

va—带钢冲击到槽型板之前的速度；

v0—带钢冲击到槽型板之后的速度。

物体在某一方向上动量的改变量等于它在这一方向所受到的冲量，将带钢对槽型板的冲击力分为两个方向，一个为垂直于槽型板方向，一个为平行于槽型板方向，如图1所示。

根据实际尺寸建立的CAD图形中量得带钢从夹送辊到槽型板冲击部位的长度为2405mm，以最大卷取强度的HG785D材质的带钢计算它的冲击载荷。钢带的密度为ρs=7.85g/cm3，厚度为h=16mm，宽度为b=1820mm。那么这段距离的带钢的质量就为：m=ρs×h×b×l=550kg,带钢在进入夹送辊时的速度为：v=2.45m/s,通过对相关文献的查阅[2-3]，硬质非金属材质低速冲击下的时间一般为0.02～0.03s左右，由于带钢的卷取温度为550℃，具有一定的柔软性，并且带钢的运行速度也不算太快，因此取冲击时间为t=0.005～0.01s。

可求得第一部分槽型板对带钢垂直方向的作用力Fv1=46087N；第一部分槽型板对带钢水平方向的作用力Fρ1=5623N。

对第二部分的冲击力进行分析，在钢板冲击到槽型板之时，夹送辊对钢带起到的是夹送的作用，会产生夹送力，而夹送力会通过钢带传递到槽型板上。夹送力可根据实际测得的上夹送辊的扭矩信号求得。

图2 卷取高强度厚钢卷时上夹送辊的扭矩记录曲线

由图2所示，夹送辊在反向转动对带钢进行夹送卷取时的扭矩为20kN·m左右，以这个扭矩计算其夹送力，得到这两部分冲击力之和为：Fv=5368N，FP=2650N。

3 模型的建立

根据某厂提供的槽型板的三视图，按照原尺寸利用PROE建立出它的三维模型。整个槽型板都是采用的S235JRG2普通碳素结构钢材料，对应于国内的Q235B，其抗拉强度达到375-500MPa，屈服强度在345MPa。弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。

槽型板在两个地方受到约束，一个是前端轴承位置，一个是连接油缸顶杆的位置，这两个地方如图4所示，在这两个位置分别建立局部坐标系，约束它们的径向位移，允许轴向转动。然后在钢板对槽型板可能的冲击位置施加载荷，根据前面计算的载荷，采用均布的方式施加到有限元模型中的节点上去，得到施加约束和载荷后的有限元模型如图3、4所示。

图3 槽型板施加约束和载荷后的有限元模型背面

图4 施加约束和载荷后的有限元模型侧面

4 计算结果及分析

4.1 计算结果

通过对施加约束和载荷后的有限元模型进行仿真计算后，得到如图5、6所示的等效应力云图，等效应力最大值为187.913MPa，出现在槽型板板体与油缸支臂的连接处，此处也与槽型板实际经常出现损伤的位置相符合。从图中可以看出其它位置的应力都很小，远远小于材料的屈服强度，因此，可着重对板体与油缸支臂的连接处进行局部分析。

图5 等效应力分布图侧面

图6 等效应力分布图背面

图7 最大等效应力处局部放大图

图8 第一方向主应力局部放大图

图9 第二方向主应力局部放大图

图7显示了最大应力处的局部放大图，要根据此处的三向主应力来确定其校核强度(相当x,y,z方向)。由图8～10可看出，此处位置受三向压应力，根据强度理论，在三向受压应力状态下，应按其等效应力来校核强度。因此，按等效应力187.913MPa校核强度。

图10 第三方向主应力局部放大图

4.2 计算结果分析

槽型板在每个带钢进入夹送辊后导入到卷取机的时候受到一次冲击，因此它的受力实际上是一种脉动疲劳问题，应按疲劳强度进行校核[4]。

(2)

(3)

因此，考虑尺寸因数影响的疲劳极限为：

(4)

由前述对应力状态分析知，在转角处按等效应力187.913MPa校核强度，大于175.5MPa。如果槽型板长期处于最大卷取规格的载荷条件下，就会发生疲劳损伤。

5 结论与建议

1)槽型板最大应力出现在槽型板板体与油缸支臂的连接处，最大主应力为187.913MPa，此处属于形状突变的区域，容易产生应力集中，且受三向压应力，应按等效应力进行强度校核。

2)根据强度校核可知，在转角处的等效应力大于疲劳强度，槽型板如果长期工作在此强度下，会发生疲劳损伤。

3)建议改进槽型板支臂结构，以降低其应力集中部位的应力；也可考虑采用压力容器板等较高强度的材料来制作槽型板，以增强其疲劳强敌，从而延长其使用寿命。

[1]邹家祥.轧钢机械(第三版)[M].北京:冶金工业出版社,2000.

[2]张海,张以都.冲击破碎机冲击时间的因次分析及数值仿真研究[J].中国机械工程,2006,Vol.17(6):563-566.

[3]陈洪凯,唐红梅.泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法[J].中国公路学报,2006,Vol.19(3):19-23.

[4]赵少汴,王忠保编著.抗疲劳设计-方法与数据[M].北京:机械工业出版社,1997.

[5]徐灏主编.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

·业界动态·

西门子热能回收系统利用电弧炉废气产生蒸汽

西门子冶金技术部开发了一种能够从电弧炉的高温废气中回收热能的系统。系统具有模块化结构，可以根据需要回收的热能数量确定规格，并可以集成到现有的废气冷却系统中。为了最大限度增加蒸汽产生量，可以用该系统完全取代电炉炼钢厂的普通废气冷却系统。

废气的温度往往高达1,800°C。为了让这部分数量可观的热能得到利用，西门子开发了一种蒸汽发生系统，能够集成到现有的电弧炉废气冷却系统中，或者可以将其完全取代。该系统的组成包括一台锅炉(含汽包)、管路、水箱、锅炉给水泵组以及配套的传感器。一组给水泵向锅炉供水，并且保证必要的压力。

Finite Element Analysis for the Entry Chute Table of Down-Coiler

Yang Dan Xiao Han Wang Tao Zhao Sanxing

(College of Mechanical Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081)

The paper established the finite element model of the entry chute table of down-coiler, which is simulated analysis the stress by FEM method after applying the load and bondage in constraint according the actual working conditions. The results show that the junction of the entry chute table body and cylinder arm is the most dangerous position of the entry chute table where there is the maximum stress areas and in three-dimensional compressive stress state. If entry chute table always work under maximum load conditions, fatigue damage occurs. Finally, some subject is put forward on the improvement of the structure.

Down-coiler Entry chute table Finite element Fatigue damage

国家自然科学基金资助项目(51105284)；武汉科技大学校基金资助项目(2012XZ005)

杨丹，男，1982年出生，毕业于武汉科技大学机械设计专业，博士，讲师 肖 涵 王 涛 赵三星

TG333.24

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.008

2013-10-27)