Analyse et optimisation structurelle de la rupture des rouleaux de support

Résumé : La cause de l'accident de rupture du rouleau de sauvegarde dans un laminoir à froid a été analysé et un plan d'optimisation a été proposé. Un logiciel d'éléments finis a été utilisé pour analyser et calculer le plan d'optimisation. Après la mise en œuvre du plan d'optimisation, aucun accident de rupture de rouleau ne s'est produit à nouveau.

Mots clés: rouleaux de sauvegarde; optimisation structurelle ; éléments finis

La capacité de production de feuillards laminés à froid est un indicateur important du niveau de développement de l'industrie sidérurgique d'un pays. Avec le développement continu de l'industrie sidérurgique, les grandes et moyennes entreprises sidérurgiques utilisent principalement des unités combinées de décapage et de laminage en continu pour produire des feuillards laminés à froid, tandis que les petites entreprises utilisent encore principalement des unités de laminage à froid réversibles à cage unique.

Un laminoir à froid dispose actuellement d'une unité de laminage à froid à cage unique de 1 050 mm avec un bon état de production. Afin de s'adapter à la demande du marché, le laminoir a été modifié pour élargir la gamme de produits. Après la modification, il est capable de produire des plaques d'acier d'une largeur de 1 200 mm. Après la rénovation et la modernisation de l'unité, elle a commencé à produire des plaques d'acier de 1 200 mm de large, mais des accidents de rupture de rouleau de secours se sont produits fréquemment pendant le processus de production.

À cette fin, en réponse aux besoins de l’entreprise, l’auteur a analysé l’accident de rupture de rouleau et a proposé un plan d’optimisation.

Paramètres de base du laminoir

L'équipement principal du laminoir à froid réversible monocage de 1050 mm comprend un chariot d'enroulement, une machine de démarrage, un enrouleur frontal, un chariot de déchargement frontal, un laminoir à six niveaux,

Cisailles hydrauliques derrière la machine, enrouleurs derrière la machine, chariots de déchargement derrière la machine et principaux dispositifs de transmission du laminoir, etc. Elle produit des bandes d'acier d'une épaisseur de 0,16 à 1,4 mm et d'une largeur de 950 à 1 200 mm ; les matériaux du produit comprennent l'acier de construction au carbone, l'acier de construction au carbone de haute qualité, l'acier faiblement allié, etc. ; les nuances représentatives comprennent : Q215, 08Al, SPCC, SPCD, SPCE, IF ; capacité de production 220 000 t/a ; épaisseur de la pièce brute : 3 à 3,5 mm, largeur : 950 à 1 200 mm ; résistance maximale du matériau σs ≤ 590 N/mm2, σb maximum ≤ 900 N/mm2. La force de laminage maximale est de 12 500 kN et la vitesse de laminage maximale est de 850 m/mm.

Analyse des causes de rupture des rouleaux

Selon les connaissances acquises sur le terrain, il n'existe pas de conditions de travail spécifiques pour les accidents de rupture de rouleau. Parfois, l'accident de rupture de rouleau se produit pendant le laminage, et parfois, l'accident de rupture de rouleau se produit juste après que les rouleaux sont pressés les uns contre les autres. L'emplacement des rouleaux cassés est relativement fixe et ils sont tous situés dans une petite rainure du col du rouleau (voir Figure 1, Figure 2). On détermine initialement que la concentration de contrainte au niveau de la « rainure » est trop importante.

Figure 1 Photo du rouleau cassé sur place

Figure 2 Schéma structurel du rouleau de support de la structure actuelle

Analyse structurelle de rouleaux de sauvegarde

La longueur du rouleau de support avant modification est de 1040 mm (voir Figure 3). Étant donné que l'utilisateur adhère au principe d'utilisation complète des pièces d'origine lors de la transformation, la forme et la taille des autres structures doivent rester inchangées autant que possible pendant l'allongement du corps du rouleau, et la longueur totale du rouleau doit être conservée inchangée dans toute la mesure du possible. Enfin, la longueur du corps du rouleau de support a été allongée de 1040 mm à 1200 mm, et la longueur totale a été augmentée de 3336 mm à 3356 mm. De plus, la méthode de transition originale « coin rond + biseau » à la jonction du col du rouleau et du corps du rouleau est annulée et modifiée en une transition directe du congé (voir Figure 4 et Figure 5)

Figure 3 Schéma structurel des rouleaux de sauvegarde avant modification

Figure 4 Vue détaillée de la zone de transition des rouleaux de sauvegarde avant modification

Figure 5 Vue détaillée de la zone de transition des rouleaux de secours dans la structure actuelle

On peut voir que la « rainure » est une zone de concentration de contraintes, et la concentration de contraintes se produit après l'application de la force de laminage. Cependant, aucun accident de rupture de rouleau ne s'est produit dans la structure d'origine pendant l'utilisation. Après la modification, une partie du matériau à la jonction du col du rouleau et du corps du rouleau a été retirée, ce qui a réduit la résistance à la flexion du col du rouleau, tandis que la structure de la « rainure » a été conservée. Le risque de concentration de contraintes s'intensifie et le potentiel d'accidents augmente.

Analyse de l'assemblage du rouleau de support

L'auteur a examiné l'assemblage du rouleau de support modifié en se basant sur le plan d'assemblage du rouleau de support avant modification et sur le plan des pièces du rouleau de support après modification par l'utilisateur (voir Figure 6). À l'exception du rouleau de support, du siège de roulement du rouleau de support et de la bague d'épaulement, toutes les pièces de l'image sont des pièces d'origine et sont exécutées conformément aux exigences techniques d'assemblage d'origine.

Figure 6 Schéma de montage du rouleau de support de la structure actuelle

Au cours du processus d'examen, l'auteur a constaté que pendant le processus d'assemblage du rouleau de support, en raison de limitations structurelles, les coins arrondis de la bague intérieure du roulement cylindrique à quatre rangées étaient en contact avec le chanfrein du rouleau de support et ne pouvaient pas s'adapter étroitement à la bague d'épaulement (voir la figure 7). En conséquence, la bague intérieure et la bague extérieure du roulement cylindrique à quatre rangées ne peuvent pas être fixées dans la direction axiale. Étant donné que la bague intérieure et la bague d'épaulement du roulement sont assemblées avec le rouleau de support par assemblage thermique, elles ne peuvent pas se déplacer par rapport au rouleau de support. De cette façon, un espace se formera entre la bague intérieure et la bague d'épaulement du roulement cylindrique à quatre rangées, et la position coïncidera presque avec la position de « rainure » du rouleau de support. Au cours du processus de production, la contrainte ici sera encore augmentée sous l'action de la force de laminage.

Figure 7 Vue agrandie de l'ensemble du rouleau de support

Plan d'optimisation

Grâce à l’analyse ci-dessus, l’auteur propose les deux solutions d’optimisation suivantes (voir Figure 8).

Figure 8 Plan d'optimisation du rouleau de secours

Dans les deux plans d'optimisation, la longueur du rouleau est la même. Afin de répondre aux exigences de transformation, il est recommandé d'annuler la structure de « rainure » de conception d'origine et de la remplacer par une transition arrondie R10. Seule la zone de transition à la jonction du col du rouleau et du corps du rouleau est différente (voir Figure 8 (b), (c)). La zone de transition du schéma 1 adopte une transition à grand arc R30 ; la zone de transition du schéma 2 adopte une transition complète en arc R40 et 25 biseau-arc R20.

Analyse et calcul par éléments finis

Cet article utilise le logiciel d'analyse d'ingénierie à grande échelle Ansys/Workbench pour analyser et calculer quatre options : la conception originale de l'utilisateur, la conception modifiée de l'utilisateur, notre conception optimisée 1 et la conception optimisée 2.

Construire le modèle

(1) Établir un modèle solide tridimensionnel

En fonction de la structure et des caractéristiques de charge du rouleau de support, l'auteur prend un quart du rouleau de support pour la modélisation. Afin de rapprocher les charges et les contraintes appliquées des conditions de travail réelles, la bague intérieure du roulement cylindrique à quatre rangées et le rouleau de support sont intégrés, et le modèle solide du rouleau intermédiaire et du siège du roulement du rouleau de support est établi (voir Figure 9).

Figure 9 Modèle solide 3D

(2) Division des mailles

Le maillage a été divisé à l'aide d'éléments spatiaux hexaédriques et a été affiné dans les zones où une concentration de contraintes peut se produire. Au total, 1 674 559 nœuds et 460 071 éléments ont été obtenus (voir Figure 10). Ce modèle est un modèle d'analyse non linéaire de corps de contact multiples.

Figure 10 Division du maillage du schéma de conception d'origine

(3) Conditions aux limites

1) Établir un contact entre le rouleau intermédiaire et le rouleau d'appui, et entre le rouleau d'appui et le siège du roulement.

2) Appliquer des contraintes de symétrie sur le plan de symétrie. Des contraintes fixes verticalement sont appliquées sous le rouleau intermédiaire.

3) Appliquez une force de roulement d'un quart de 312,5 t sur le siège du roulement.

L'auteur donne les conditions aux limites du schéma de conception original (voir Figure 11). Comme les conditions aux limites sont les mêmes, les conditions aux limites des trois autres schémas ne sont pas représentées.

Figure 11 Conditions limites du schéma de conception d'origine

Une fois les conditions aux limites ajoutées, le modèle est fondamentalement établi et répond aux conditions de calcul.

Analyse et calcul

Après calcul et analyse de la structure de conception d'origine, un diagramme de distribution des contraintes de von Mises a été obtenu. La contrainte maximale était de 358,57 MPa, apparaissant au niveau de la « rainure » (voir Figure 12).

Figure 12 Diagramme de nuage de contraintes de la structure d'origine

Après calcul et analyse de la structure existante, un diagramme de distribution des contraintes de Von-Mises a été obtenu. La contrainte maximale était de 377,67 MPa, apparaissant au niveau de la « rainure » (voir Figure 13).

Figure 13 Diagramme de nuage de contraintes de la structure existante

Français Après le calcul et l'analyse du schéma de conception optimisé 1, le diagramme de nuage de distribution des contraintes de Von-Mises a été obtenu. La contrainte maximale était de 325,3 MPa, qui apparaissait dans la zone de transition à la jonction du col du rouleau et du corps du rouleau (voir Figure 14). Après le calcul et l'analyse du schéma de conception optimisé 2, le diagramme de nuage de distribution des contraintes de Von-Mises a été obtenu. La contrainte maximale était de 287,85 MPa, qui apparaissait dans la zone de transition à la jonction du col du rouleau et du corps du rouleau (voir Figure 15).

Le matériau choisi pour le rouleau de support est YB-65 et la limite d'élasticité σs = 650 MPa, à partir de laquelle la contrainte maximale et le facteur de sécurité du mandrin sont obtenus (voir tableau 1). On peut voir qu'après la modification de l'utilisateur, le facteur de sécurité du rouleau de support a été considérablement réduit, ce qui a augmenté le risque d'utilisation du rouleau de support ; tandis que la conception optimale 2 a un facteur de sécurité structurelle plus élevé que la conception optimale 1, et l'utilisateur final a déterminé la conception optimale 2 comme solution finale.

Figure 14 Diagramme de nuage de contraintes de la solution de conception optimisée 1

Figure 15 Diagramme de nuage de contraintes de l'option de conception optimisée 2

Tableau 1 Contrainte maximale générée par le mandrin sous différentes charges

plan	Contrainte maximale (MPa)	Facteur de sécurité
conception originale	358.57	1.81
structure existante	377.67	1.72
Conception optimisée 1	325.3	2
Conception optimisée 2	287.85	2.26

Conclusion

Ce plan d'optimisation a été mis en œuvre dans la production et l'application réelles, et aucun accident de rupture de rouleau ne s'est produit à nouveau.