定宽压力机内外块受力分析与在线测试

熊 杰

(宝钢股份公司设备部，上海 201900)

定宽压力机内外块受力分析与在线测试

熊 杰

(宝钢股份公司设备部，上海 201900)

首先采用有限元软件对走停式定宽压力机内、外块的应力状态进行了定量分析，得到了内、外块最大应力随时间的变化关系，确定了内、外块的应力集中部位，然后对内、外块应力状态进行了在线测试，在5个不同的测试点的有限元模拟结果与实测结果均吻合良好，验证了有限元模型的正确性，为内、外块结构设计与优化提供了重要的理论依据。

定宽压力机；内块；外块；受力分析；测试

0 前言

常见的板坯在线宽度调整方式有三种：结晶器调宽[1]，立辊轧制调宽[2]，定宽压力机调宽[3]。其中定宽压力机具有调宽效率高、板坯平面形状好的优点，得到了广泛的应用。目前，国际上仅德国SMS公司、日本IHI公司和日本三菱-日立(MH)公司可以提供定宽压力机的成套设备。其中三菱-日立公司(MH)提供的定宽压力机为走停式，其结构与日本IHI公司、德国SMS公司的产品有较大差异[4-8]。

本文采用有限元软件对三菱-日立公司的走停式定宽压力机内、外块的应力状态进行了分析，并通过在线测试验证了有限元模型分析的正确性，确定了内、外块的应力集中部位，为内、外块结构设计与优化提供重要的理论依据。

1 受力分析

1.1 结构简介

图1为走停式定宽压力机的基本结构图。关键部件包括：曲轴、内块与外块三部分。曲轴绕轴承做旋转运动，带动安装在曲轴偏心部分的连接臂运动。连接臂上的弧形板和外块侧弧形板相配合，使得连接臂既有绕曲轴偏心部分的旋转运动，又有绕外块侧弧形板的上下摆动。连接臂部分将曲轴的转动转化为内、外块的平动，实现板坯的轧制过程。外块与内块之间装有压下螺丝，可以随着板坯规格的变化调节定宽压力机的开口度。

图1 三维模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 有限元分析

采用Solidworks软件建立三维模型，然后将模型导入到Ansys软件中，建立装配体后进行联合分析。装配体所受外力如下：轧制力，连接臂作用在弧形板的力，外块平衡缸作用力。其中平衡缸作用力远小于轧制力，因此在对装配体进行分析时，仅考虑轧制力与连接臂作用于弧形板的力。为保证计算精度和计算速度，对接触部位进行局部网格细化。

采用上述模型得到的极限轧制力状态下的Mises应力云图如图2和图3所示。从图中可以看出，内块的应力集中出现在压下螺丝与内块的接触区域，该区域直接进行轧制力的传递，其他区域的应力较小；外块的应力集中主要出现在外块与压下螺丝和弧形板垫板的接触区域，其中最大应力仍然出现在与压下螺丝的接触区域。

内、外块最大Mises应力随时间变化关系如图4所示。由图可知，内、外块最大应力随时间的变化为均近似为正弦曲线。当轧制力最大时，内块最大应力达到131.94MPa，外块最大应力达到138.52MPa。整体而言，内、外的结构设计是比较合理的，其最大应力远小于材料的许用应力，安全系数较大。

图2 内块应力云图Fig.2 Stress nephogram of inner block

图3 外块应力云图Fig.3 Stress nephogram of outer block

图4 最大应力随时间变化Fig.4 Relationship between maximum stress and time

2 在线测试

2.1 实验方案

为了验证有限元分析的准确性，对内、外块的应力进行了在线测试。在不影响设备正常运转的情况下，尽量接近应力集中的部位进行贴片，具体贴片位置见图5。测试内容包括内、外块的应力大小和方向。由于内块距离板坯很近，高温板坯对内块的热辐射相当严重，因此在测试点1-2采用特殊的焊接式高温应变计；外块距离板坯较远，受板坯热辐射影响较小，因此在测试点3-5采用普通粘贴式应变计。

图5 贴片位置Fig.5 The sticking position of strain-guage

由于内、外块测试点主应力方向未知，采用45°应变花方式对应变进行测量，即每个测试点粘贴三个应变片，三者组成应变花。应变花布置如图6所示。

图6 应变花布置示意图Fig.6 Schematic diagram of strain rosette layout

设在x、y和u方向上测得应变εx、εy和εu后，可以求得主应变的大小和方向[9]

(1)

根据上式计算得到主应变的大小和方向后，设内、外块材料为各向同性材料，根据广义胡克定律与强度理论[10-11]可以待测点的主应力与米塞斯应力的大小。

(2)

考虑到安全性，测试仪器必须安放在距离定宽压力机足够远的位置，并且不影响现场的生产，所以测试点与测量仪器之间有较大的距离，应变信号需要长导线传输，每个应变的线路连接和等效电路见图7，该种方法的缺点是随着导线长度的增加，桥路无法调零。因此，需要采用单片三线制接法，三线制接法的好处是可以实现长导线单臂应变测量时应变放大器的调零，其线路连接和等效电路如图8所示。

图7 长导线单应变片连接及等效电路Fig.7 Connection type of single strain-guage with long wire and equivalent circuit

图8 三线制连接及等效电路Fig.8 Connection type of three wire and equivalent circuit

2.2 结果对比

为了验证有限元分析的正确性，在内块上按照实际轧制力施加载荷，重新进行有限元分析，从有限元分析结果中提取与各个测试点相对应的米塞斯应力，将其在线测试得到的米塞斯应力值进行对比，结果见图9-13。图中的横坐标中的T为运动周期。

由图9-13可知，在5个测试点有限元模拟的应力随时间的变化规律与测试结果均吻合良好，验证了有限元模型的正确性。可以之为基础，对内、外块的整体结构进行参数设计与优化。

图9 测试点1Fig.9 Testing point 1

图10 测试点2Fig.10 Testing point 2

图11 测试点3Fig.11 Testing point 3

图12 测试点4Fig.12 Testing point 4

图13 测试点5Fig.13 Testing point 5

3 结论

(1) 内块的应力集中出现在压下螺丝与内块的接触区域，外块的应力集中主要出现在外块与压下螺丝和弧形板垫板的接触区域，内、外块的最大应力均出现在与压下螺丝的接触区域。

(2) 当轧制力最大时，内块最大应力达到131.94 MPa，外块最大应力达到138.52 MPa，远小于材料的许用应力，安全系数较大。

(3) 有限元模拟的结果与测试结果均吻合良好，验证了有限元模型的正确性。

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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，高级工程师，从事板带材轧制装备研究与生产工作。

TG335

A

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