1、第17卷第3期2010年6月塑性工程學(xué)報(bào)J OU RNAL O F PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 117No 13J un 12010六輥軋機(jī)剛度特性有限元3(11燕山大學(xué)機(jī)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島066004王貴國(guó)1任新意1摘要:板帶軋機(jī)的橫向剛度和縱向剛度對(duì)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(duì)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,基于某廠1420末機(jī)架六輥CVC 軋機(jī)實(shí)際參數(shù),建立了板帶軋制整體有限元模型。利用該

2、模型研究板寬、竄輥、輥徑和彎輥力的變化對(duì)軋機(jī)橫向剛度的影響,以及中間輥的竄輥量變化對(duì)軋機(jī)縱向剛度的影響,為軋機(jī)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(guò)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(jī);有限元法;橫向剛度;縱向剛度Finite element study of the rigidity characteristics of a six 2high millDU Feng 2shan 1,2ZHAN G Shang 2bin 1HUAN G Hua 2gui 1Wang Gui 2guo 1REN Xin 2yi 1(11Mecha

3、nical Department of Yanshan University ,Qinhuangdao 066004China (21Yanshan University Metastable Materials Science &Technology State Key Laboratory ,Qinhuangdao 066004China Abstract :The vertical and transverse rigidity of the strip mill are important to the gauge and shape control of the rolled str

4、ip.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 force on the transverse rigidity of the six 2high mill were studied.The effect of roll shifting of

5、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 setting of strip gauge and strip shape.K ey w ords :six 2high mill ;finite element ;transverse rigid

6、ity ;vertical rigidity3國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50534020;國(guó)家支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007BAF02B12;河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2009000418;教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20060216001。杜鳳山E 2mail :f sdu ysu 1edu 1cn作者簡(jiǎn)介:杜鳳山,男,1960年生,博士生導(dǎo)師收稿日期:2009211216;修訂日期:2009211227引言隨著現(xiàn)代板材加工工業(yè)向高度自動(dòng)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(duì)冷軋板材的幾何形狀和尺寸精度的要求越來(lái)越高,從而促進(jìn)了科研工作者對(duì)板形、板厚影響因素的深入研究1。對(duì)于

7、普通的四輥軋機(jī),當(dāng)軋機(jī)的結(jié)構(gòu)一定時(shí),軋機(jī)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(jī)上,為了消除有害接觸以實(shí)現(xiàn)對(duì)板形的有效控制,采用的工作輥和中間輥的軸向移動(dòng)和彎輥控制會(huì)改變軋機(jī)的橫向和縱向剛度3,而這一問(wèn)題對(duì)于六輥軋機(jī)的板形、板厚控制十分重要。但目前對(duì)六輥軋機(jī)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(shí)驗(yàn)手段。本文在現(xiàn)有的對(duì)六輥軋機(jī)剛度特性研究的基礎(chǔ)上,利用三維彈塑性有限元法4,在考慮機(jī)架和軸承座的彈性變形的條件下,建立了包含機(jī)架、輥系和板帶的板帶軋制過(guò)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(duì)軋機(jī)橫向剛度的影響,以及中間輥的竄輥量變化對(duì)軋機(jī)縱向剛度的影響,

8、為軋機(jī)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(jī)架、輥系和板帶的板帶軋制過(guò)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(jī)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(jī)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(jī)三維有限元整體模型Fig 11The 3D finite element whole model of 62roll mill表1物理性能Tab 11Physical properties參數(shù)數(shù)值機(jī)架和輥系彈性模量/MPa21

9、15105泊松比0.3密度/kg/m 37.85103帶鋼彈性模量/MPa211105泊松比0.3密度/kg/m 37.85103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(zhǎng)度1350輥徑直徑600軸承間距2150中間輥軋輥直徑550輥身長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)定輥縫和定軋制力兩種軋制情況下的仿

10、真。軋制壓下,通過(guò)調(diào)整壓下螺絲長(zhǎng)度,施加y 向的位移實(shí)現(xiàn);定軋制力軋制,通過(guò)機(jī)架和軸承座上對(duì)應(yīng)的壓下螺絲位置,施加相應(yīng)的軋制力實(shí)現(xiàn)。工作輥依靠粘貼在端部的剛性面帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),在摩擦力的作用下帶動(dòng)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(jìn),以實(shí)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(dòng)下完成軋制過(guò)程。為提高計(jì)算精度以及減小計(jì)算費(fèi)用,在板帶軋制仿真過(guò)程中,僅對(duì)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(jìn)行細(xì)化,模型選用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元。利用該模型,可以得到軋制過(guò)程的力能參數(shù),以及輥系、機(jī)架、板帶在軋制過(guò)程的各種位移

11、、應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果和分布規(guī)律。2軋機(jī)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(huì)出現(xiàn)不均,即出現(xiàn)橫向厚差。軋機(jī)抵抗橫向彈性變形的能力稱為軋機(jī)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(dòng)值板凸度的波動(dòng)值一般情況下,軋制力P 與板凸度的關(guān)系比較復(fù)雜,凡是對(duì)工作輥?zhàn)冃萎a(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(duì)其產(chǎn)生影響。但當(dāng)其他條件均不變,且軋制力在正常的工作范圍之內(nèi)波動(dòng)時(shí),則可以近似地認(rèn)為軋制力P 與之間的關(guān)系為線性,因此,可以近似地將

12、式(1改寫(xiě)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(duì)應(yīng)的板凸度軋機(jī)的橫向剛度系數(shù)K S 反映了軋機(jī)承載輥縫凸度抵抗軋制力波動(dòng)而保持不變的能力,K S 越大,承載輥縫越穩(wěn)定,對(duì)軋制過(guò)程的板形控制也越有利。212不同參數(shù)變化對(duì)橫向剛度的影響21211板寬變化對(duì)橫向剛度的影響在其他條件不變的情況下,根據(jù)板帶寬度在實(shí)941第3期杜鳳山等:六輥軋機(jī)剛度特性有限元際工藝能力范圍內(nèi),對(duì)板寬分別取760mm 、810mm 、860mm 、910mm 、960mm 、1010mm 、1060mm 、1110mm 和1160mm 進(jìn)

13、行建模,利用所建六輥軋機(jī)整體有限元模型進(jìn)行分析,通過(guò)仿真計(jì)算得到不同板寬情況下的橫向剛度值,并得到板寬變化對(duì)軋機(jī)橫向剛度的影響規(guī)律。不同板寬情況下的軋機(jī)橫向剛度特性如圖2所示 。圖2板寬變化對(duì)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(shí)橫向剛度為4371t/mm ,板寬960mm 時(shí)橫向剛度為5746t/mm ,板寬1160mm 時(shí)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(shuō)明在板寬變化范圍內(nèi),板帶的寬度值越大,軋制力對(duì)板帶凸度的影響

14、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(duì)橫向剛度的影響在其他條件不變的情況下,在該六輥軋機(jī)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(jìn)行建模,利用所建六輥軋機(jī)整體有限元模型進(jìn)行分析,通過(guò)仿真計(jì)算,得到不同竄輥量情況下的橫向剛度值,并得到竄輥量變化對(duì)軋機(jī)橫向剛度的影響規(guī)律。不同竄輥量情況下的軋機(jī)橫向剛度特性如圖3所示。圖3竄輥量變化對(duì)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0

15、mm 變化到80mm 時(shí),橫向剛度對(duì)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(duì)橫向剛度的影響為考慮輥徑變化對(duì)六輥軋機(jī)橫向剛度的影響,在其他條件不變的情況下,在該六輥軋機(jī)輥徑變化范圍內(nèi),把工作輥、中間輥和支撐輥分別取5個(gè)不同的輥徑進(jìn)行建模,利用所建六輥軋機(jī)整體有限元模型進(jìn)行分析,通過(guò)仿真計(jì)算,得到不同輥徑情況下的橫向剛度值,并得到輥徑變化對(duì)軋機(jī)橫向剛度的影響規(guī)律。不同輥徑情況下的軋機(jī)橫向剛度特性如圖4所示 。圖4輥徑變化對(duì)橫向剛度的影響a 工作輥;b 中間輥;c 支撐輥F

16、ig 14The effects of roll diameter on transverse rigidity由圖4可知,無(wú)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(jī)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(shí),對(duì)應(yīng)軋機(jī)橫向剛度從5111t/mm 增加到7194t/mm ;中間輥輥徑從540mm 增加到051塑性工程學(xué)報(bào)第17卷550mm時(shí),對(duì)應(yīng)軋機(jī)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(shí),對(duì)應(yīng)軋機(jī)的橫向剛度從5075t/mm增加到6423t/mm。輥徑增加單位毫米使軋機(jī)橫向剛度改變

17、最大的是工作輥,由此得到工作輥輥徑變化,對(duì)軋機(jī)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(jī)橫向剛度增大的規(guī)律。同時(shí)也說(shuō)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(jìn)行,磨輥會(huì)使整個(gè)軋機(jī)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(duì)橫向剛度的影響彎輥力橫向剛度是指在其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(gè)彎輥力1,2與彎輥力W1,W2相對(duì)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

18、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(duì)凸度的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。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 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(shí),彎輥的影響

19、也越明顯。由此驗(yàn)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(shuō)明工作輥彎輥對(duì)板帶凸度的調(diào)節(jié)能力大于中間輥彎輥。3軋機(jī)縱向剛度特性分析軋機(jī)的彈性變形是輥系的彈性變形和機(jī)架(包括軸承的彈性變形之和,如果設(shè)軋輥及機(jī)架的縱向剛度系數(shù)分別為K1和K2,則軋機(jī)的縱向剛度系數(shù)K 為1K=1K1+1K2(4當(dāng)機(jī)架的結(jié)構(gòu)一定時(shí),K2為常數(shù)。此時(shí)的軋機(jī)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(jī)總的縱向剛度值也會(huì)受到影響。為研究竄輥量對(duì)軋機(jī)縱向剛度的

20、影響,應(yīng)用所建有限元模型,在不同竄輥量的情況下對(duì)軋機(jī)的縱向剛度進(jìn)行研究。在1420末機(jī)架六輥軋機(jī)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(jìn)行仿真計(jì)算,得到不同竄輥量下軋機(jī)的縱向剛度,如圖6所示 。圖6軋機(jī)縱向剛度變化圖Fig16The change of rolling mills toughness由圖6可以看出,在中間輥橫移的過(guò)程中,軋機(jī)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(jī)縱向剛度的原因。151第3期杜鳳山等

21、:六輥軋機(jī)剛度特性有限元4結(jié)果驗(yàn)證以某廠1420五機(jī)架冷連軋的末機(jī)架六輥軋機(jī)為例,調(diào)用本文所計(jì)算的彎輥力橫向剛度和軋制力橫向剛度計(jì)算出口板凸度與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果比較。軋機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)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(lái)料厚度為017793mm,出口厚度為01735mm。結(jié)果如表3所示。表3六輥軋機(jī)板凸度結(jié)果比較Tab13Comparison of actual values withcalculated in62roll mill彎輥力/ MN 軋制力/MN實(shí)際凸度/m計(jì)算凸度/m相對(duì)誤差/%0.3 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(guò)對(duì)某廠1420五機(jī)架末機(jī)架5的分析,當(dāng)彎輥力分別取011MN,012MN,013MN,014MN, 015MN,軋制力取1198MN時(shí),對(duì)板凸度計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果比較,計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差在8%以內(nèi),表明本文計(jì)算的彎輥力和軋制力的橫向剛度真實(shí)有效。此計(jì)算結(jié)果已在某廠1100雙機(jī)架冷連軋可逆軋機(jī)上得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。5結(jié)論1在板寬