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脫管機方機架有限元應力分布淺析內蒙古科技大學機械工程學院 06 級機械 1 班摘要 對軋鋼設備中脫管機機架進行了有限元靜力分析, 對兩種常用的載荷分布方式作用下機架的結構力學特性進行了比較, 得出了該類型機架的應力分布情況。敘詞 脫管機 機架 有限單元法 應力分布全套設計加 153893706Abstract The paper presents a static analysis on the square2type stands of tube Knockout machine in steel rolling equipment with FEM .A comparison has been made to the stand structure mechanics under two common distribution loads, resulting in the stress regulation of this kind of the stand.Descriptors tube knockout machine, stand, FEM , stress distribution脫管機是無縫鋼管生產(chǎn)的關鍵設備之一。脫管機是將連軋管機軋出的鋼管從芯棒上脫去的設備，它是 MPM 限動芯棒連軋管工藝中不可分割的一部分。正因為有 MPM 連軋管機的存在脫管機是將連軋管機軋出的鋼管從芯棒上脫去的設備，它是 MPM 限動芯棒連軋管工藝中不可分割的一部分。正因為有 MPM 連軋管機的存在，所以必須有脫管機將鋼管連續(xù)不斷地從芯棒上脫去。由于脫管機在線脫管的工藝，省去了線外脫棒機，從而縮短了工藝流程，提高了終軋溫度，防止了缺陷的產(chǎn)生，并且在脫管的同時也起到一點延伸與定徑的作用。1.有關力學模型脫管機方機架采用鑄鋼鑄造而成, 軋輥呈星形放置。每個方機架又分為結構對稱的左、右兩半 (圖 1)。方機架上、下邊沿裝有導軌, 機架上邊緣與導軌有間隙可沿導軌移動。在機架左下角(A 處) 和右上角 (B 處) 設有限制機架在X —Y 平面內位移的擋塊。當鋼管通過軋輥時, 軋制力通過軋輥作用到軋輥支座而傳遞到方機架上。我們假定軋輥與支座外側的接觸范圍分別為 60°和90°, 軋制力按 Pmin∶Pmax= 1∶5 的比例分配在機架相應節(jié)點上, 并不考慮沿鋼管移動方向的 Z 向力 , 分析軋制力在軋輥與支座接觸區(qū)的分布狀況。由于脫管機在正常工作時機架上的三個軋輥呈“人”形或“Y”形分布, 其所受約束不相同,故需建立兩種力學模型如圖 2 所示。根據(jù)機架的結構特點, 都約束方機架下導軌處的垂直方向 Y 向位移和 Z 向位移及上導軌處的 Z 向位移, 并約束圖 1 中 A 處機架 X 向和 Y 向位移及 B 處的 X 向位移。脫管機方機架的計算參數(shù)為: 節(jié)點 1112 個, 四面體單元 3251 個。2.軋制力按 60°分布時脫管機方機架的變形與應力分布圖 2a 為軋輥為 “人” 形放置時的機架變形圖。由于軋制力的作用, 軋輥支座沿徑向向外偏移, 在機架的水平兩側和上方導軌附近均有一定位移。圖中亮的淺色區(qū)域為變形最大區(qū)域, 最大位移為 D= 01308mm , 淺色區(qū)域由于約束的作用變形最小。圖 2b 為軋輥“Y” 型放置時的機架變形圖。圖中亮的淺色區(qū)域最大變形值為 D max= 01293mm。由于此時軋制力作用在軋輥支座上的方向不同,機架最大變形位置主要在機架水平兩側, 而機架上方導軌附近的位移較小?？梢? 由于軋輥在方機架中放置的位置不同, 盡管軋制力所引起的機架位移最大值在數(shù)值上相近, 但機架變形情況不同。對軋輥“人”形放置的一組機架, 機架的整體應力水平均在 37135M Pa 以下, 最大主應力主要分布在軋輥支座有軋制力作用的部位, 其值約為 = 1max?112.1MPa。 因此, 在軋輥支座上軋制力作用區(qū)域不可避免地存在著一定的應力集中。當軋輥在機架中為“Y”形放置時, 其最大主應力值為 = 83.24MPa, 1max而機架其它部位的主應力均在 31.69MPa 以下。所以, 在機架承受軋制力的過程中, 軋輥“Y”形放置要比“人”形放置機架的最大主應力水平低。但用第四強度理論來分析, 兩組方機架的最大等效應力分別為 =291.4MPa 和 = 2max?3max290.2MPa, 機架其它部位的等效應力為 = 104.3MPa, 103.7MPa 可2max3見, 兩組機架的強度和剛度相同。兩組機架的等效應力分布云圖如圖 3。3 軋制力按 90°分布時脫管機方機架的變形與應力分布當軋制力在軋輥支座上的作用面積增大至 90°時, 由于軋制力作用區(qū)域的增加, 機架的變形量和應力峰值明顯減少 (圖 4)。當軋輥呈“人” 形放置時, 機架最大位移為 = 0.1409mm ,最大主應力峰值為 = 48.39MPa; 而當1max?1max?軋輥呈“Y”形放置時,機架最大位移為 =0.209mm , 最大主應力峰值為1max?= 46173MPa。1max4.兩種軋制力作用下的機架應力比較對脫管機方機架進行有限元分析, 并進行強度計算 (表 1)。(1) 脫管機工作時, 方機架變形較小。如果軋制力作用在軋輥支座外側接觸面的 60°范圍內, 方機架最大變形為 0.3mm 左右。當軋制力作用范圍增大,方機架最大位移減小至 0.21mm 左右。(2) 方機架受軋制力作用的軋輥支座外側端部存在一定的應力集中, 最大主應力峰值為 112.4MPa, 最大等效應力峰值為 291.4MPa。而機架其它部位的應力較小。(3) 軋制力的大小及作用方向直接影響著機架的變形及應力分布狀態(tài)。 軋制力作用范圍越小,作用力越集中, 機架的應力集中就越明顯。所以,確定軋制力的實際分布狀態(tài), 對了解機架真實應力分布具有重要意義。(4) 由于支座外側有一定的應力集中, 盡管衰減很快, 但仍可能會對機架的使用壽命有一定影響。建議在此處采取一定措施, 以降低其應力峰值。5 結論脫管機方機架的強度和剛度設計是合理的。但是, 由于載荷是以集中力方式作用的, 對載荷作用處的峰值應力可能會有一定影響。同時, 脫管機的工作是一個極其復雜的動態(tài)過程, 僅靠有限元靜力分析是遠遠不夠的。要想了解方機架在鋼管軋制過程中的真實應力分布, 還應進行現(xiàn)場實測, 并對實測數(shù)據(jù)進行有限元動力分析。