脱管机主传动系统设计

脱管机方机架有限元应力分布浅析内蒙古科技大学机械工程学院 06 级机械 1 班摘要 对轧钢设备中脱管机机架进行了有限元静力分析, 对两种常用的载荷分布方式作用下机架的结构力学特性进行了比较, 得出了该类型机架的应力分布情况。叙词 脱管机 机架 有限单元法 应力分布全套设计加 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脱管机是无缝钢管生产的关键设备之一。脱管机是将连轧管机轧出的钢管从芯棒上脱去的设备，它是 MPM 限动芯棒连轧管工艺中不可分割的一部分。正因为有 MPM 连轧管机的存在脱管机是将连轧管机轧出的钢管从芯棒上脱去的设备，它是 MPM 限动芯棒连轧管工艺中不可分割的一部分。正因为有 MPM 连轧管机的存在，所以必须有脱管机将钢管连续不断地从芯棒上脱去。由于脱管机在线脱管的工艺，省去了线外脱棒机，从而缩短了工艺流程，提高了终轧温度，防止了缺陷的产生，并且在脱管的同时也起到一点延伸与定径的作用。1.有关力学模型脱管机方机架采用铸钢铸造而成, 轧辊呈星形放置。每个方机架又分为结构对称的左、右两半 (图 1)。方机架上、下边沿装有导轨, 机架上边缘与导轨有间隙可沿导轨移动。在机架左下角(A 处) 和右上角 (B 处) 设有限制机架在X Y 平面内位移的挡块。当钢管通过轧辊时, 轧制力通过轧辊作用到轧辊支座而传递到方机架上。我们假定轧辊与支座外侧的接触范围分别为 60和90, 轧制力按 PminPmax= 15 的比例分配在机架相应节点上, 并不考虑沿钢管移动方向的 Z 向力 , 分析轧制力在轧辊与支座接触区的分布状况。由于脱管机在正常工作时机架上的三个轧辊呈“人”形或“Y”形分布, 其所受约束不相同,故需建立两种力学模型如图 2 所示。根据机架的结构特点, 都约束方机架下导轨处的垂直方向 Y 向位移和 Z 向位移及上导轨处的 Z 向位移, 并约束图 1 中 A 处机架 X 向和 Y 向位移及 B 处的 X 向位移。脱管机方机架的计算参数为: 节点 1112 个, 四面体单元 3251 个。2.轧制力按 60分布时脱管机方机架的变形与应力分布图 2a 为轧辊为 “人” 形放置时的机架变形图。由于轧制力的作用, 轧辊支座沿径向向外偏移, 在机架的水平两侧和上方导轨附近均有一定位移。图中亮的浅色区域为变形最大区域, 最大位移为 D= 01308mm , 浅色区域由于约束的作用变形最小。图 2b 为轧辊“Y” 型放置时的机架变形图。图中亮的浅色区域最大变形值为 D max= 01293mm。由于此时轧制力作用在轧辊支座上的方向不同,机架最大变形位置主要在机架水平两侧, 而机架上方导轨附近的位移较小。可见, 由于轧辊在方机架中放置的位置不同, 尽管轧制力所引起的机架位移最大值在数值上相近, 但机架变形情况不同。对轧辊“人”形放置的一组机架, 机架的整体应力水平均在 37135M Pa 以下, 最大主应力主要分布在轧辊支座有轧制力作用的部位, 其值约为 = 1max112.1MPa。 因此, 在轧辊支座上轧制力作用区域不可避免地存在着一定的应力集中。当轧辊在机架中为“Y”形放置时, 其最大主应力值为 = 83.24MPa, 1max而机架其它部位的主应力均在 31.69MPa 以下。所以, 在机架承受轧制力的过程中, 轧辊“Y”形放置要比“人”形放置机架的最大主应力水平低。但用第四强度理论来分析, 两组方机架的最大等效应力分别为 =291.4MPa 和 = 2max3max290.2MPa, 机架其它部位的等效应力为 = 104.3MPa, 103.7MPa 可2max3见, 两组机架的强度和刚度相同。两组机架的等效应力分布云图如图 3。3 轧制力按 90分布时脱管机方机架的变形与应力分布当轧制力在轧辊支座上的作用面积增大至 90时, 由于轧制力作用区域的增加, 机架的变形量和应力峰值明显减少 (图 4)。当轧辊呈“人” 形放置时, 机架最大位移为 = 0.1409mm ,最大主应力峰值为 = 48.39MPa; 而当1max1max轧辊呈“Y”形放置时,机架最大位移为 =0.209mm , 最大主应力峰值为1max= 46173MPa。1max4.两种轧制力作用下的机架应力比较对脱管机方机架进行有限元分析, 并进行强度计算 (表 1)。(1) 脱管机工作时, 方机架变形较小。如果轧制力作用在轧辊支座外侧接触面的 60范围内, 方机架最大变形为 0.3mm 左右。当轧制力作用范围增大,方机架最大位移减小至 0.21mm 左右。(2) 方机架受轧制力作用的轧辊支座外侧端部存在一定的应力集中, 最大主应力峰值为 112.4MPa, 最大等效应力峰值为 291.4MPa。而机架其它部位的应力较小。(3) 轧制力的大小及作用方向直接影响着机架的变形及应力分布状态。 轧制力作用范围越小,作用力越集中, 机架的应力集中就越明显。所以,确定轧制力的实际分布状态, 对了解机架真实应力分布具有重要意义。(4) 由于支座外侧有一定的应力集中, 尽管衰减很快, 但仍可能会对机架的使用寿命有一定影响。建议在此处采取一定措施, 以降低其应力峰值。5 结论脱管机方机架的强度和刚度设计是合理的。但是, 由于载荷是以集中力方式作用的, 对载荷作用处的峰值应力可能会有一定影响。同时, 脱管机的工作是一个极其复杂的动态过程, 仅靠有限元静力分析是远远不够的。要想了解方机架在钢管轧制过程中的真实应力分布, 还应进行现场实测, 并对实测数据进行有限元动力分析。