Analyse und Strukturoptimierung von Stützwalzenbrüchen

Zusammenfassung: Die Ursache für den Stützwalzenbruchunfall in einem Kaltwalzwerk wurde analysiert und ein Optimierungsplan vorgeschlagen. Zur Analyse und Berechnung des Optimierungsplans wurde eine Finite-Elemente-Software verwendet. Nach der Umsetzung des Optimierungsplans kam es zu keinem Walzenbruchunfall mehr.

Schlüsselwörter: Stützwalzen; Strukturoptimierung; Finite Elemente

Die Produktionskapazität von kaltgewalztem Bandstahl ist ein wichtiger Indikator für den Entwicklungsstand der Stahlindustrie eines Landes. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Stahlindustrie verwenden große und mittelgroße Stahlunternehmen zur Herstellung von kaltgewalztem Bandstahl meist kombinierte kontinuierliche Beiz-Walz-Anlagen, während kleine Unternehmen noch immer meist eingerüstige reversible Kaltwalzanlagen verwenden.

Ein Kaltwalzwerk verfügt derzeit über eine 1050 mm breite, eingerüstige Kaltwalzanlage mit gutem Produktionsstatus. Um sich an die Marktnachfrage anzupassen, wurde das Walzwerk modifiziert, um die Produktpalette zu erweitern. Nach der Modifikation ist es in der Lage, Stahlplatten mit einer Breite von 1200 mm herzustellen. Nachdem die Anlage renoviert und modernisiert wurde, begann sie mit der Herstellung von 1200 mm breiten Stahlplatten, doch während des Produktionsprozesses kam es häufig zu Unfällen mit gebrochenen Stützrollen.

Zu diesem Zweck analysierte der Autor als Reaktion auf die Anforderungen des Unternehmens den Walzenbruchunfall und schlug einen Optimierungsplan vor.

Grundparameter des Walzwerks

Zur Hauptausrüstung des 1050 mm eingerüstigen reversiblen Kaltwalzwerks gehören ein Haspelwagen, eine Startmaschine, ein Fronthaspel, ein Frontentladewagen, ein Sexto-Walzwerk,

Hydraulische Scheren hinter der Maschine, Haspeln hinter der Maschine, Entladewagen hinter der Maschine und Hauptantriebsvorrichtungen des Walzwerks usw. Es wird Bandstahl mit einer Dicke von 0,16 bis 1,4 mm und einer Breite von 950 bis 1200 mm produziert; Produktmaterialien sind Kohlenstoffbaustahl, hochwertiger Kohlenstoffbaustahl, niedriglegierter Stahl usw.; repräsentative Güten sind: Q215, 08Al, SPCC, SPCD, SPCE, IF; Produktionskapazität 220.000 t/a; Rohlingdicke: 3 bis 3,5 mm, Breite: 950 bis 1200 mm; maximale Materialfestigkeit σs ≤ 590 N/mm2, maximale σb ≤ 900 N/mm2. Die maximale Walzkraft beträgt 12500 kN und die maximale Walzgeschwindigkeit 850 m/mm.

Analyse der Ursachen für Walzenbrüche

Nach Kenntnisstand vor Ort gibt es keine besonderen Arbeitsbedingungen für Walzenbruchunfälle. Manchmal ereignet sich der Walzenbruchunfall während des Walzens und manchmal ereignet sich der Walzenbruchunfall unmittelbar nachdem die Walzen gegeneinander gedrückt werden. Die Position der gebrochenen Walzen ist relativ festgelegt und sie befinden sich alle in einer kleinen Nut im Walzenzapfen (siehe Abbildung 1, Abbildung 2). Zunächst wird festgestellt, dass die Spannungskonzentration in der „Nut“ zu groß ist.

Abbildung 1 Bild der defekten Walze vor Ort

Abbildung 2 Strukturdiagramm der aktuellen Struktur Stützrolle

Strukturanalyse von Stützwalzen

Die Länge der Stützwalze vor der Modifikation beträgt 1040 mm (siehe Abbildung 3). Da der Benutzer bei der Transformation dem Prinzip der vollständigen Nutzung der Originalteile folgt, sollten Form und Größe anderer Strukturen bei der Verlängerung des Walzenkörpers so weit wie möglich unverändert bleiben und die Gesamtlänge der Walze so weit wie möglich unverändert bleiben. Schließlich wurde die Länge des Stützwalzenkörpers von 1040 mm auf 1200 mm verlängert und die Gesamtlänge von 3336 mm auf 3356 mm erhöht. Darüber hinaus wurde die ursprüngliche Übergangsmethode „runde Ecke + Abschrägung“ an der Verbindung von Walzenzapfen und Walzenkörper aufgehoben und in einen direkten Übergang der Abrundungskante geändert (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5).

Bild 3 Strukturdiagramm der Stützwalzen vor der Modifikation

Abbildung 4 Detailansicht des Stützwalzenübergangsbereichs vor der Modifikation

Bild 5 Detailansicht des Übergangsbereichs der Stützwalzen in der aktuellen Struktur

Es ist ersichtlich, dass die „Rille“ ein Spannungskonzentrationsbereich ist und eine Spannungskonzentration auftritt, nachdem die Walzkraft angewendet wurde. In der ursprünglichen Struktur kam es jedoch während des Gebrauchs zu keinen Walzenbruchunfällen. Nach der Modifikation wurde ein Teil des Materials an der Verbindung zwischen Walzenzapfen und Walzenkörper entfernt, was den Biegewiderstand des Walzenzapfens verringerte, während die „Rillen“-Struktur erhalten blieb. Das Risiko einer Spannungskonzentration erhöht sich und das Unfallpotenzial steigt.

Analyse der Stützrollenanordnung

Der Autor überprüfte die modifizierte Stützrollenbaugruppe anhand der Montagezeichnung der Stützrolle vor der Modifikation und der Stützrollenteilzeichnung nach der Modifikation durch den Benutzer (siehe Abbildung 6). Mit Ausnahme der Stützrolle, des Stützrollenlagersitzes und des Schulterrings sind alle Teile auf dem Bild Originalteile und werden gemäß den technischen Anforderungen der Originalbaugruppe ausgeführt.

Abbildung 6 Montageschema der aktuellen Strukturstützrolle

Während des Überprüfungsprozesses stellte der Autor fest, dass während des Montageprozesses der Stützrolle aufgrund struktureller Einschränkungen die abgerundeten Ecken des Innenrings des vierreihigen Zylinderlagers mit der Fase der Stützrolle in Kontakt kamen und nicht eng mit dem Schulterring passen konnten (siehe Abbildung 7). Infolgedessen können der Innenring und der Außenring des vierreihigen Zylinderlagers nicht in axialer Richtung fixiert werden. Da der Innenring und der Schulterring des Lagers durch thermische Montage mit der Stützrolle zusammengebaut werden, können sie sich nicht relativ zur Stützrolle bewegen. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Innenring und dem Schulterring des vierreihigen Zylinderlagers ein Spalt, und die Position stimmt fast mit der „Nut“-Position der Stützrolle überein. Während des Produktionsprozesses wird die Spannung hier unter Einwirkung der Walzkraft weiter erhöht.

Abbildung 7 Vergrößerte Ansicht der Stützrollenbaugruppe

Optimierungsplan

Durch die obige Analyse schlägt der Autor die folgenden zwei Optimierungslösungen vor (siehe Abbildung 8).

Abbildung 8 Optimierungsplan für Stützrollen

In den beiden Optimierungsplänen ist die Rollenlänge gleich. Um die Transformationsanforderungen zu erfüllen, wird empfohlen, die ursprüngliche „Rillen“-Struktur aufzuheben und in einen abgerundeten R10-Übergang zu ändern. Nur der Übergangsbereich an der Verbindung von Walzenzapfen und Walzenkörper ist unterschiedlich (siehe Abbildung 8 (b), (c)). Der Übergangsbereich von Schema 1 verwendet einen großen R30-Bogenübergang; der Übergangsbereich von Schema 2 verwendet einen R40-Bogen und einen 25. Abschrägungs-R20-Bogen-Umfangsübergang.

Finite-Elemente-Analyse und Berechnung

In diesem Artikel werden mithilfe der umfangreichen technischen Analysesoftware Ansys/Workbench vier Optionen analysiert und berechnet: das ursprüngliche Design des Benutzers, das geänderte Design des Benutzers, unser optimiertes Design 1 und das optimierte Design 2.

Erstellen des Modells

(1) Erstellen Sie ein dreidimensionales Volumenmodell

Entsprechend der Struktur und den Belastungseigenschaften der Stützrolle nimmt der Autor ein Viertel der Stützrolle zur Modellierung. Um die aufgebrachten Belastungen und Einschränkungen den tatsächlichen Arbeitsbedingungen näher zu bringen, werden der Innenring des vierreihigen Zylinderlagers und die Stützrolle integriert und das Volumenmodell der Zwischenrolle und des Stützrollenlagersitzes erstellt (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9 3D-Vollmodell

(2) Maschenteilung

Das Netz wurde mithilfe räumlicher Hexaederelemente aufgeteilt und in Bereichen verfeinert, in denen Spannungskonzentrationen auftreten können. Insgesamt wurden 1.674.559 Knoten und 460.071 Elemente erhalten (siehe Abbildung 10). Dieses Modell ist ein nichtlineares Analysemodell mehrerer Kontaktkörper.

Abbildung 10 Maschenaufteilung des ursprünglichen Entwurfsschemas

(3) Randbedingungen

1) Stellen Sie den Kontakt zwischen der Zwischenrolle und der Stützrolle sowie zwischen der Stützrolle und dem Lagersitz her.

2) Symmetriebeschränkungen auf der Symmetrieebene anwenden. Vertikal feste Beschränkungen werden unterhalb der Zwischenrolle angewendet.

3) Eine Viertelwalzkraft von 312,5 t auf den Lagersitz aufbringen.

Der Autor gibt die Randbedingungen des ursprünglichen Entwurfsschemas an (siehe Abbildung 11). Da die Randbedingungen dieselben sind, werden die Randbedingungen der anderen drei Schemata nicht angezeigt.

Abbildung 11 Randbedingungen des ursprünglichen Entwurfs

Nach der Ergänzung der Randbedingungen steht das Modell grundsätzlich und erfüllt die Berechnungsbedingungen.

Analyse und Berechnung

Nach der Berechnung und Analyse der ursprünglichen Konstruktionsstruktur wurde ein Von-Mises-Spannungsverteilungswolkendiagramm erstellt. Die maximale Spannung betrug 358,57 MPa und trat an der „Rille“ auf (siehe Abbildung 12).

Abbildung 12 Spannungswolkendiagramm der ursprünglichen Struktur

Nach der Berechnung und Analyse der bestehenden Struktur wurde ein Von-Mises-Spannungsverteilungswolkendiagramm erstellt. Die maximale Spannung betrug 377,67 MPa und trat an der „Rille“ auf (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13 Spannungswolkendiagramm der bestehenden Struktur

Nach der Berechnung und Analyse des optimierten Konstruktionsschemas 1 wurde das Von-Mises-Spannungsverteilungswolkendiagramm erstellt. Die maximale Spannung betrug 325,3 MPa und trat im Übergangsbereich an der Verbindung von Walzenzapfen und Walzenkörper auf (siehe Abbildung 14). Nach der Berechnung und Analyse des optimierten Konstruktionsschemas 2 wurde das Von-Mises-Spannungsverteilungswolkendiagramm erstellt. Die maximale Spannung betrug 287,85 MPa und trat im Übergangsbereich an der Verbindung von Walzenzapfen und Walzenkörper auf (siehe Abbildung 15).

Das für die Stützrolle ausgewählte Material ist YB-65 und die Streckgrenze σs = 650 MPa, woraus sich die maximale Spannung und der Sicherheitsfaktor des Dorns ergeben (siehe Tabelle 1). Es ist ersichtlich, dass nach der Änderung durch den Benutzer der Sicherheitsfaktor der Stützrolle stark reduziert wurde, was das Risiko bei der Verwendung der Stützrolle erhöhte; während das optimale Design 2 einen höheren strukturellen Sicherheitsfaktor als das optimale Design 1 aufweist und der Endbenutzer das optimale Design 2 als endgültige Lösung festlegte.

Abbildung 14 Spannungswolkendiagramm der optimierten Designlösung 1

Abbildung 15 Spannungswolkendiagramm der optimierten Entwurfsoption 2

Tabelle 1 Maximale Spannung, die durch den Dorn unter verschiedenen Belastungen erzeugt wird

planen	Maximale Spannung (MPa)	Sicherheitsfaktor
originelles Design	358.57	1.81
bestehende Struktur	377.67	1.72
Optimiertes Design 1	325.3	2
Optimiertes Design 2	287.85	2.26

Abschluss

Dieser Optimierungsplan wurde in die tatsächliche Produktion und Anwendung umgesetzt und es kam nicht wieder zu Unfällen mit Walzenbrüchen.