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脫管機(jī)方機(jī)架有限元應(yīng)力分布淺析內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 06 級(jí)機(jī)械 1 班摘要 對(duì)軋鋼設(shè)備中脫管機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元靜力分析, 對(duì)兩種常用的載荷分布方式作用下機(jī)架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了比較, 得出了該類(lèi)型機(jī)架的應(yīng)力分布情況。敘詞 脫管機(jī) 機(jī)架 有限單元法 應(yīng)力分布全套設(shè)計(jì)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(jī)是無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。脫管機(jī)是將連軋管機(jī)軋出的鋼管從芯棒上脫去的設(shè)備，它是 MPM 限動(dòng)芯棒連軋管工藝中不可分割的一部分。正因?yàn)橛?MPM 連軋管機(jī)的存在脫管機(jī)是將連軋管機(jī)軋出的鋼管從芯棒上脫去的設(shè)備，它是 MPM 限動(dòng)芯棒連軋管工藝中不可分割的一部分。正因?yàn)橛?MPM 連軋管機(jī)的存在，所以必須有脫管機(jī)將鋼管連續(xù)不斷地從芯棒上脫去。由于脫管機(jī)在線(xiàn)脫管的工藝，省去了線(xiàn)外脫棒機(jī)，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(shí)也起到一點(diǎn)延伸與定徑的作用。1.有關(guān)力學(xué)模型脫管機(jī)方機(jī)架采用鑄鋼鑄造而成, 軋輥呈星形放置。每個(gè)方機(jī)架又分為結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的左、右兩半 (圖 1)。方機(jī)架上、下邊沿裝有導(dǎo)軌, 機(jī)架上邊緣與導(dǎo)軌有間隙可沿導(dǎo)軌移動(dòng)。在機(jī)架左下角(A 處) 和右上角 (B 處) 設(shè)有限制機(jī)架在X —Y 平面內(nèi)位移的擋塊。當(dāng)鋼管通過(guò)軋輥時(shí), 軋制力通過(guò)軋輥?zhàn)饔玫杰堓佒ё鴤鬟f到方機(jī)架上。我們假定軋輥與支座外側(cè)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(jī)架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上, 并不考慮沿鋼管移動(dòng)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(jī)在正常工作時(shí)機(jī)架上的三個(gè)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(xué)模型如圖 2 所示。根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 都約束方機(jī)架下導(dǎo)軌處的垂直方向 Y 向位移和 Z 向位移及上導(dǎo)軌處的 Z 向位移, 并約束圖 1 中 A 處機(jī)架 X 向和 Y 向位移及 B 處的 X 向位移。脫管機(jī)方機(jī)架的計(jì)算參數(shù)為: 節(jié)點(diǎn) 1112 個(gè), 四面體單元 3251 個(gè)。2.軋制力按 60°分布時(shí)脫管機(jī)方機(jī)架的變形與應(yīng)力分布圖 2a 為軋輥為 “人” 形放置時(shí)的機(jī)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(jī)架的水平兩側(cè)和上方導(dǎo)軌附近均有一定位移。圖中亮的淺色區(qū)域?yàn)樽冃巫畲髤^(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(shí)的機(jī)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(shí)軋制力作用在軋輥支座上的方向不同,機(jī)架最大變形位置主要在機(jī)架水平兩側(cè), 而機(jī)架上方導(dǎo)軌附近的位移較小?？梢?jiàn), 由于軋輥在方機(jī)架中放置的位置不同, 盡管軋制力所引起的機(jī)架位移最大值在數(shù)值上相近, 但機(jī)架變形情況不同。對(duì)軋輥“人”形放置的一組機(jī)架, 機(jī)架的整體應(yīng)力水平均在 37135M Pa 以下, 最大主應(yīng)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(yīng)力集中。當(dāng)軋輥在機(jī)架中為“Y”形放置時(shí), 其最大主應(yīng)力值為 = 83.24MPa, 1max而機(jī)架其它部位的主應(yīng)力均在 31.69MPa 以下。所以, 在機(jī)架承受軋制力的過(guò)程中, 軋輥“Y”形放置要比“人”形放置機(jī)架的最大主應(yīng)力水平低。但用第四強(qiáng)度理論來(lái)分析, 兩組方機(jī)架的最大等效應(yīng)力分別為 =291.4MPa 和 = 2max?3max290.2MPa, 機(jī)架其它部位的等效應(yīng)力為 = 104.3MPa, 103.7MPa 可2max3見(jiàn), 兩組機(jī)架的強(qiáng)度和剛度相同。兩組機(jī)架的等效應(yīng)力分布云圖如圖 3。3 軋制力按 90°分布時(shí)脫管機(jī)方機(jī)架的變形與應(yīng)力分布當(dāng)軋制力在軋輥支座上的作用面積增大至 90°時(shí), 由于軋制力作用區(qū)域的增加, 機(jī)架的變形量和應(yīng)力峰值明顯減少 (圖 4)。當(dāng)軋輥呈“人” 形放置時(shí), 機(jī)架最大位移為 = 0.1409mm ,最大主應(yīng)力峰值為 = 48.39MPa; 而當(dāng)1max?1max?軋輥呈“Y”形放置時(shí),機(jī)架最大位移為 =0.209mm , 最大主應(yīng)力峰值為1max?= 46173MPa。1max4.兩種軋制力作用下的機(jī)架應(yīng)力比較對(duì)脫管機(jī)方機(jī)架進(jìn)行有限元分析, 并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算 (表 1)。(1) 脫管機(jī)工作時(shí), 方機(jī)架變形較小。如果軋制力作用在軋輥支座外側(cè)接觸面的 60°范圍內(nèi), 方機(jī)架最大變形為 0.3mm 左右。當(dāng)軋制力作用范圍增大,方機(jī)架最大位移減小至 0.21mm 左右。(2) 方機(jī)架受軋制力作用的軋輥支座外側(cè)端部存在一定的應(yīng)力集中, 最大主應(yīng)力峰值為 112.4MPa, 最大等效應(yīng)力峰值為 291.4MPa。而機(jī)架其它部位的應(yīng)力較小。(3) 軋制力的大小及作用方向直接影響著機(jī)架的變形及應(yīng)力分布狀態(tài)。 軋制力作用范圍越小,作用力越集中, 機(jī)架的應(yīng)力集中就越明顯。所以,確定軋制力的實(shí)際分布狀態(tài), 對(duì)了解機(jī)架真實(shí)應(yīng)力分布具有重要意義。(4) 由于支座外側(cè)有一定的應(yīng)力集中, 盡管衰減很快, 但仍可能會(huì)對(duì)機(jī)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(yīng)力峰值。5 結(jié)論脫管機(jī)方機(jī)架的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)是合理的。但是, 由于載荷是以集中力方式作用的, 對(duì)載荷作用處的峰值應(yīng)力可能會(huì)有一定影響。同時(shí), 脫管機(jī)的工作是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 僅靠有限元靜力分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要想了解方機(jī)架在鋼管軋制過(guò)程中的真實(shí)應(yīng)力分布, 還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè), 并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治觥?