六輥軋機剛度特性有限元_杜鳳山_圖文

1、第17卷第3期2010年6月塑性工程學(xué)報J OU RNAL O F PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 117No 13J un 12010doi :1013969/j 1issn 1100722012120101031029六輥軋機剛度特性有限元3(11燕山大學(xué)機械工程學(xué)院,秦皇島066004杜鳳山1,2張尚斌1黃華貴1(21燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室,秦皇島066004王貴國1任新意1摘要:板帶軋機的橫向剛度和縱向剛度對于板形、板厚控制十分重要,研究不同狀態(tài)下的剛度變化規(guī)律對提高板形、板厚綜合控制的精度具有重要意義。在三維彈塑性有限元模型的基礎(chǔ)上

2、,基于某廠1420末機架六輥CVC 軋機實際參數(shù),建立了板帶軋制整體有限元模型。利用該模型研究板寬、竄輥、輥徑和彎輥力的變化對軋機橫向剛度的影響,以及中間輥的竄輥量變化對軋機縱向剛度的影響,為軋機的板形、板厚控制量的調(diào)整,提供了參考依據(jù),也為板帶軋制過程中板形、板厚在線設(shè)定,以及控制模型的研究和優(yōu)化,提供了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:六輥軋機;有限元法;橫向剛度;縱向剛度中圖分類號:T G335158文獻標識碼:A 文章編號:100722012(20100320148205Finite element study of the rigidity characteristics of a six 2hig

3、h millDU Feng 2shan 1,2ZHAN G Shang 2bin 1HUAN G Hua 2gui 1Wang Gui 2guo 1REN Xin 2yi 1(11Mechanical Department of Yanshan University ,Qinhuangdao 066004China (21Yanshan University Metastable Materials Science &Technology State Key Laboratory ,Qinhuangdao 066004China Abstract :The vertical and t

4、ransverse rigidity of the strip mill are important to the gauge and shape control of the rolled strip.The 32D finite element whole model of six 2high mill was established based on the practical parameters of 1420at the final stand.The effects of strip width ,roll shifting ,roll diameter and bending

5、force on the transverse rigidity of the six 2high mill were studied.The effect of roll shifting of the middle roll on the vertical rigidity was also calculated.The results provide reference for regulating con 2trol value of strip gauge and strip shape ,and also provide theoretical basis for online s

6、etting of strip gauge and strip shape.K ey w ords :six 2high mill ;finite element ;transverse rigidity ;vertical rigidity3國家自然科學(xué)基金重點資助項目(50534020;國家支撐計劃資助項目(2007BAF02B12;河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2009000418;教育部博士點基金資助項目(20060216001。杜鳳山E 2mail :f sdu ysu 1edu 1cn作者簡介:杜鳳山,男,1960年生,博士生導(dǎo)師收稿日期:2009211216;修訂日期:20092

7、11227引言隨著現(xiàn)代板材加工工業(yè)向高度自動化方向發(fā)展,以及冷軋板帶材的使用范圍日益廣泛,用戶對冷軋板材的幾何形狀和尺寸精度的要求越來越高,從而促進了科研工作者對板形、板厚影響因素的深入研究1。對于普通的四輥軋機,當軋機的結(jié)構(gòu)一定時,軋機的橫向剛度和縱向剛度基本上保持不變2。但是在六輥軋機上,為了消除有害接觸以實現(xiàn)對板形的有效控制,采用的工作輥和中間輥的軸向移動和彎輥控制會改變軋機的橫向和縱向剛度3,而這一問題對于六輥軋機的板形、板厚控制十分重要。但目前對六輥軋機剛度特性分析的研究比較少,且主要依靠壓靠法和軋制法等實驗手段。本文在現(xiàn)有的對六輥軋機剛度特性研究的基礎(chǔ)上,利用三維彈塑性有限元法4,

8、在考慮機架和軸承座的彈性變形的條件下,建立了包含機架、輥系和板帶的板帶軋制過程整體有限元分析模型。研究板寬、竄輥、輥徑和彎輥力的變化對軋機橫向剛度的影響,以及中間輥的竄輥量變化對軋機縱向剛度的影響,為軋機的板形、板厚控制量的調(diào)整提供參考依據(jù)。1綜合分析模型的建立在三維彈塑性有限元模型的基礎(chǔ)上,建立包含機架、輥系和板帶的板帶軋制過程整體有限元仿真模型。在板帶和工作輥之間附加一層摩擦元,以處理板帶與軋輥的接觸關(guān)系。模型中軋輥、軸承座和機架為彈性體,軋件為彈塑性體。整體有限元模型如圖1所示。機架、輥系和板帶的物理參數(shù)如表1所示,模型的基本幾何參數(shù)如表2所示 。圖1六輥軋機三維有限元整體模型Fig 1

9、1The 3D finite element whole model of 62roll mill表1物理性能Tab 11Physical properties參數(shù)數(shù)值機架和輥系彈性模量/MPa2115×105泊松比0.3密度/kg/m 37.85×103帶鋼彈性模量/MPa211×105泊松比0.3密度/kg/m 37.85×103變形抗力,/MPa=629+5220176表2模型的幾何參數(shù)/mmTab 12Parameters of the model in mm參數(shù)數(shù)值支承輥軋輥直徑1200輥身長度1350輥徑直徑600軸承間距2150中間輥軋輥直

10、徑550輥身長度1510輥徑直徑280軸承間距2230橫移量-80+80工作輥軋輥直徑400輥身長度1350輥徑直徑240軸承間距2230帶鋼入口厚度0.802該模型具有位移加載、力加載兩種加載方式,可以用來實現(xiàn)定輥縫和定軋制力兩種軋制情況下的仿真。軋制壓下,通過調(diào)整壓下螺絲長度,施加y 向的位移實現(xiàn);定軋制力軋制,通過機架和軸承座上對應(yīng)的壓下螺絲位置,施加相應(yīng)的軋制力實現(xiàn)。工作輥依靠粘貼在端部的剛性面帶動旋轉(zhuǎn),在摩擦力的作用下帶動中間輥和支承輥旋轉(zhuǎn)。為便于板帶的咬入,在軋件靠尾部的剛性面,以略小于軋輥線速度的速度向前推進,以實現(xiàn)板帶咬入。在帶鋼咬入后,剛性面與帶鋼分離,帶鋼在摩擦層單元的帶動

11、下完成軋制過程。為提高計算精度以及減小計算費用,在板帶軋制仿真過程中,僅對軋輥的接觸區(qū)域以及工作輥與帶鋼之間的可能接觸區(qū)域網(wǎng)格進行細化,模型選用8節(jié)點六面體等參單元。利用該模型,可以得到軋制過程的力能參數(shù),以及輥系、機架、板帶在軋制過程的各種位移、應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果和分布規(guī)律。2軋機橫向剛度特性分析211橫向剛度特性在軋制壓力的作用下,軋輥將產(chǎn)生彎曲變形,呈凹形(假設(shè)軋輥為平輥。由于軋輥的彎曲變形,沿帶鋼寬度方向的厚度會出現(xiàn)不均,即出現(xiàn)橫向厚差。軋機抵抗橫向彈性變形的能力稱為軋機的橫向剛度,軋輥的橫向剛度一般用橫向剛度系數(shù)K S 表示,即K S =P(1式中P 軋制壓力的波動值板凸度的波動值一般情況

12、下,軋制力P 與板凸度的關(guān)系比較復(fù)雜,凡是對工作輥變形產(chǎn)生影響的因素,如軋件寬度、張力分布、軋輥直徑、輥凸度等均對其產(chǎn)生影響。但當其他條件均不變,且軋制力在正常的工作范圍之內(nèi)波動時,則可以近似地認為軋制力P 與之間的關(guān)系為線性,因此,可以近似地將式(1改寫成差分形式,即K S =P 1-P 21-2(2式中P 1,P 2分別為在工作范圍內(nèi)的軋制力1,2與軋制力P 1,P 2相對應(yīng)的板凸度軋機的橫向剛度系數(shù)K S 反映了軋機承載輥縫凸度抵抗軋制力波動而保持不變的能力,K S 越大,承載輥縫越穩(wěn)定,對軋制過程的板形控制也越有利。212不同參數(shù)變化對橫向剛度的影響21211板寬變化對橫向剛度的影響在

13、其他條件不變的情況下,根據(jù)板帶寬度在實941第3期杜鳳山等:六輥軋機剛度特性有限元際工藝能力范圍內(nèi),對板寬分別取760mm 、810mm 、860mm 、910mm 、960mm 、1010mm 、1060mm 、1110mm 和1160mm 進行建模,利用所建六輥軋機整體有限元模型進行分析,通過仿真計算得到不同板寬情況下的橫向剛度值,并得到板寬變化對軋機橫向剛度的影響規(guī)律。不同板寬情況下的軋機橫向剛度特性如圖2所示 。圖2板寬變化對橫向剛度的影響Fig 12The effects of plate width on transverse rigidity由圖2可知,板寬760mm 時橫向剛度

14、為4371t/mm ,板寬960mm 時橫向剛度為5746t/mm ,板寬1160mm 時橫向剛度為10027t/mm 。橫向剛度系數(shù)隨著板寬的增加而不斷增大,其關(guān)系近似于二次曲線。這說明在板寬變化范圍內(nèi),板帶的寬度值越大,軋制力對板帶凸度的影響越不明顯,因此單位凸度所需的軋制力越大。21212中間輥竄輥量變化對橫向剛度的影響在其他條件不變的情況下,在該六輥軋機中間輥竄輥量變化范圍內(nèi),分別取0mm 、10mm 、20mm 、30mm 、40mm 、50mm 、60mm 、70mm 和80mm 進行建模,利用所建六輥軋機整體有限元模型進行分析,通過仿真計算,得到不同竄輥量情況下的橫向剛度值,并得

15、到竄輥量變化對軋機橫向剛度的影響規(guī)律。不同竄輥量情況下的軋機橫向剛度特性如圖3所示。圖3竄輥量變化對橫向剛度的影響Fig 13The effects of plate width on transverse rigidity由圖3可知,竄輥量從0mm 變化到80mm 時,橫向剛度對應(yīng)著從5746t/mm 增加到9226t/mm 。橫向剛度系數(shù)隨著竄輥量的增加而不斷增大,其關(guān)系近似于二次曲線,且竄輥量越大,橫向剛度增加幅度越大。21213輥徑變化對橫向剛度的影響為考慮輥徑變化對六輥軋機橫向剛度的影響,在其他條件不變的情況下,在該六輥軋機輥徑變化范圍內(nèi),把工作輥、中間輥和支撐輥分別取5個不同的輥徑

16、進行建模,利用所建六輥軋機整體有限元模型進行分析,通過仿真計算,得到不同輥徑情況下的橫向剛度值,并得到輥徑變化對軋機橫向剛度的影響規(guī)律。不同輥徑情況下的軋機橫向剛度特性如圖4所示 。圖4輥徑變化對橫向剛度的影響a 工作輥;b 中間輥;c 支撐輥Fig 14The effects of roll diameter on transverse rigidity由圖4可知,無論是工作輥輥徑、中間輥輥徑,還是支撐輥輥徑,隨著輥徑的增加,軋機的橫向剛度都呈現(xiàn)近似線性的增加。工作輥輥徑從380mm 增加到420mm 時,對應(yīng)軋機橫向剛度從5111t/mm 增加到7194t/mm ;中間輥輥徑從540mm

17、增加到051塑性工程學(xué)報第17卷550mm時,對應(yīng)軋機的橫向剛度從5586t/mm增加到5746t/mm;支撐輥輥徑從1150mm增加到1250mm時,對應(yīng)軋機的橫向剛度從5075t/mm增加到6423t/mm。輥徑增加單位毫米使軋機橫向剛度改變最大的是工作輥,由此得到工作輥輥徑變化,對軋機橫向剛度的影響最大。這一結(jié)論符合軋輥直徑增大,軋輥彎曲變形剛度增大,從而使軋機橫向剛度增大的規(guī)律。同時也說明,軋輥直徑越大,軋輥的橫向剛度越大,隨著板帶軋制生產(chǎn)的進行,磨輥會使整個軋機的橫向剛度發(fā)生變化。因此,設(shè)定板形參數(shù)應(yīng)該考慮輥徑變化因素的影響。21214彎輥力變化對橫向剛度的影響彎輥力橫向剛度是指在其

18、他工況條件不變的情況下,帶鋼凸度發(fā)生單位變化所需要調(diào)節(jié)的彎輥力值,用彎輥力橫向剛度系數(shù)K W表示,即K W=W1-W21-2(3式中W1,W2在工作輥范圍內(nèi)的兩個彎輥力1,2與彎輥力W1,W2相對應(yīng)的板凸度彎輥力的作用效果與軋制力的作用相反,施加正彎輥力可以減少板帶凸度。因此,彎輥力橫向剛度系數(shù)的值越大,表示彎輥力對凸度的調(diào)節(jié)能力越強。不同中間輥橫移量的情況下,中間輥彎輥力橫向剛度系數(shù)K W1和工作輥彎輥力橫向剛度系數(shù)K W2的變化情況如圖5所示。圖5彎輥力橫向剛度特性曲線a中間輥;b工作輥Fig15The characteristic curve of transverserigidity

19、of bending force圖5分別給出中間輥彎輥力橫向剛度和工作輥彎輥力橫向剛度隨中間輥竄輥量變化情況。由圖5a 可知,隨著中間輥橫移量增大,工作輥彎輥力橫向剛度和中間輥彎輥力橫向剛度都隨之增加,且工作輥端部與中間輥端部越接近時,彎輥的影響也越明顯。由此驗證了,聯(lián)合使用中間輥橫移和加大彎輥力可以明顯增大凸度控制能力的結(jié)論。由圖5a還可知,在同一中間輥橫移量的情況下,工作輥彎輥橫向剛度值大于中間輥彎輥橫向剛度,這說明工作輥彎輥對板帶凸度的調(diào)節(jié)能力大于中間輥彎輥。3軋機縱向剛度特性分析軋機的彈性變形是輥系的彈性變形和機架(包括軸承的彈性變形之和,如果設(shè)軋輥及機架的縱向剛度系數(shù)分別為K1和K2

20、,則軋機的縱向剛度系數(shù)K 為1K=1K1+1K2(4當機架的結(jié)構(gòu)一定時,K2為常數(shù)。此時的軋機剛度系數(shù)K的變化就只取決于軋輥輥系剛度系數(shù)K1。不同中間輥橫移情況下的輥系剛度有所不同,因此軋機總的縱向剛度值也會受到影響。為研究竄輥量對軋機縱向剛度的影響,應(yīng)用所建有限元模型,在不同竄輥量的情況下對軋機的縱向剛度進行研究。在1420末機架六輥軋機中間輥竄輥量變化范圍內(nèi),中間輥橫移量分別取0mm、20mm、40mm、60mm、80mm進行仿真計算,得到不同竄輥量下軋機的縱向剛度,如圖6所示 。圖6軋機縱向剛度變化圖Fig16The change of rolling mills toughness由圖

21、6可以看出,在中間輥橫移的過程中,軋機的縱向剛度隨中間輥的橫移量的增大而減小,且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。竄輥導(dǎo)致輥間接觸狀態(tài)、壓力分布及輥間彈性壓扁的隨之變化,使輥系的彈性彎曲撓度發(fā)生變化。這也是中間輥橫移影響軋機縱向剛度的原因。151第3期杜鳳山等:六輥軋機剛度特性有限元4結(jié)果驗證以某廠1420五機架冷連軋的末機架六輥軋機為例,調(diào)用本文所計算的彎輥力橫向剛度和軋制力橫向剛度計算出口板凸度與實際檢測結(jié)果比較。軋機基本參數(shù)見表2。所軋帶鋼為Q235鋼板,寬度為113m,軋制速度為25m/s,前張力為86168M Pa,后張力為76152M Pa,來料厚度為017793mm,出口厚度為01735mm。

22、結(jié)果如表3所示。表3六輥軋機板凸度結(jié)果比較Tab13Comparison of actual values withcalculated in62roll mill彎輥力/ MN 軋制力/MN實際凸度/m計算凸度/m相對誤差/%0.1 1.98-7.8-7.27.700.2 1.98-10.3-9.57.800.3 1.98-11.2-11.9 6.250.4 1.98-13.4-14.2 5.900.5 1.98-15.7-16.5 5.10通過對某廠1420五機架末機架5的分析,當彎輥力分別取011MN,012MN,013MN,014MN, 015MN,軋制力取1198MN時,對板凸度計算值和現(xiàn)場檢測結(jié)果比較,計算結(jié)果的相對誤差在8%以內(nèi),表明本文計算的彎輥力和軋制力的橫向剛度真實有效。此計算結(jié)果已在某廠1100雙機架冷連軋可逆