Анализ и структурная оптимизация поломки опорных валков

Аннотация: Причина поломки опорного ролика в аварии стан холодной прокатки был проанализирован и предложен план оптимизации. Для анализа и расчета плана оптимизации использовалось программное обеспечение конечных элементов. После внедрения плана оптимизации больше не произошло ни одного несчастного случая, связанного с поломкой рулона.

Ключевые слова: резервные рулоны; структурная оптимизация; конечный элемент

Мощность производства холоднокатаной полосовой стали является важным показателем уровня развития сталелитейной промышленности страны. С непрерывным развитием сталелитейной промышленности крупные и средние сталелитейные компании в основном используют непрерывные травильно-прокатные агрегаты для производства холоднокатаной полосовой стали, в то время как небольшие компании по-прежнему в основном используют одноклетьевые реверсивные агрегаты холодной прокатки.

В настоящее время на холоднопрокатном стане имеется одноклетьевой агрегат холодной прокатки шириной 1050 мм с хорошим производственным статусом. Для того чтобы адаптироваться к рыночному спросу, прокатный стан был модернизирован с целью расширения ассортимента продукции. После модернизации он способен производить стальные листы шириной 1200 мм. После реконструкции и модернизации агрегата он начал производить стальные листы шириной 1200 мм, но в процессе производства часто случались аварии, связанные с поломкой опорных роликов.

С этой целью, в ответ на потребности предприятия, автор проанализировал аварию, связанную с поломкой ролика, и предложил план оптимизации.

Основные параметры прокатного стана

Основное оборудование одноклетьевого реверсивного стана холодной прокатки 1050 мм включает в себя моталку, стартовую машину, переднюю моталку, переднюю разгрузочную машину, шестивалковый прокатный стан,

Гидравлические ножницы позади машины, моталки позади машины, разгрузочные тележки позади машины и главные передаточные устройства прокатного стана и т. д. Он производит полосовую сталь толщиной 0,16~1,4 мм и шириной 950~1200 мм; материалы продукции включают углеродистую конструкционную сталь, высококачественную углеродистую конструкционную сталь, низколегированную сталь и т. д.; представительные марки включают: Q215, 08Al, SPCC, SPCD, SPCE , IF; производственная мощность 220 000 т/год; толщина заготовки: 3~3,5 мм, ширина: 950~1 200 мм; максимальная прочность материала σs ≤ 590 Н/мм2, максимальная σb ≤ 900 Н/мм2. Максимальное усилие прокатки составляет 12500 кН, а максимальная скорость прокатки составляет 850 м/мм.

Анализ причин поломки рулонов

Согласно пониманию на месте, нет никаких особых условий работы для аварий с поломкой валков. Иногда авария с поломкой валков происходит во время прокатки, а иногда авария с поломкой валков происходит сразу после того, как валки прижимаются друг к другу. Расположение сломанных валков относительно фиксировано, и все они расположены в небольшой канавке в шейке валка (см. Рисунок 1, Рисунок 2). Первоначально определяется, что концентрация напряжений в «канавке» слишком велика.

Рисунок 1. Фотография сломанного ролика на месте.

Рисунок 2. Структурная схема существующей конструкции опорного ролика

Структурный анализ резервные рулоны

Длина опорного ролика до модификации составляет 1040 мм (см. Рисунок 3). Поскольку пользователь придерживается принципа полного использования оригинальных деталей при трансформации, форма и размер других конструкций должны быть максимально сохранены неизменными при удлинении корпуса валка, а общая длина валка должна быть максимально сохранена неизменной. Наконец, длина корпуса опорного ролика была удлинена с 1040 мм до 1200 мм, а общая длина была увеличена с 3336 мм до 3356 мм. Кроме того, исходный метод перехода «круглый угол + скос» на стыке шейки валка и корпуса валка отменен и изменен на прямой переход галтели (см. Рисунок 4 и Рисунок 5)

Рисунок 3. Структурная схема опорных валков до модификации

Рисунок 4 Подробный вид переходной зоны опорных валков до модификации

Рисунок 5. Детальный вид переходной зоны опорных валков в текущей конструкции.

Видно, что «канавка» является областью концентрации напряжений, и концентрация напряжений возникнет после приложения силы прокатки. Однако в исходной конструкции в процессе эксплуатации не произошло ни одного несчастного случая, связанного с поломкой валков. После модификации часть материала на стыке шейки валка и корпуса валка была удалена, что снизило сопротивление изгибу шейки валка, в то время как структура «канавки» все еще была сохранена. Риск концентрации напряжений усиливается, а вероятность несчастных случаев увеличивается.

Анализ узла опорного ролика

Автор рассмотрел модифицированный узел опорного ролика на основе сборочного чертежа опорного ролика до модификации и чертежа деталей опорного ролика после модификации пользователем (см. Рисунок 6). За исключением опорного ролика, гнезда подшипника опорного ролика и плечевого кольца, все детали на рисунке являются оригинальными деталями и выполнены в соответствии с техническими требованиями оригинальной сборки.

Рисунок 6 Схема сборки текущей конструкции опорного ролика

В процессе рассмотрения автором было установлено, что в процессе сборки опорного ролика из-за конструктивных ограничений скругленные углы внутреннего кольца четырехрядного цилиндрического подшипника соприкасались с фаской опорного ролика и не могли плотно прилегать к буртику (см. рис. 7). В результате внутреннее кольцо и наружное кольцо четырехрядного цилиндрического подшипника не могут быть зафиксированы в осевом направлении. Поскольку внутреннее кольцо и буртик подшипника собираются с опорным роликом методом термической сборки, они не могут перемещаться относительно опорного ролика. Таким образом, между внутренним кольцом и буртиком четырехрядного цилиндрического подшипника будет образовываться зазор, а положение практически совпадет с положением «канавки» опорного ролика. В процессе производства напряжение здесь будет еще больше увеличиваться под действием силы прокатки.

Рисунок 7 Увеличенный вид узла опорного ролика

План оптимизации

На основе вышеприведенного анализа автор предлагает следующие два решения по оптимизации (см. рисунок 8).

Рисунок 8 План оптимизации опорного ролика

В двух планах оптимизации длина рулона одинакова. Для того чтобы соответствовать требованиям трансформации, рекомендуется отменить исходную конструкцию «канавки» и изменить ее на скругленный переход R10. Отличается только переходная область на стыке шейки валка и корпуса валка (см. Рисунок 8 (b), (c)). Переходная область Схемы 1 принимает большой дуговой переход R30; переходная область Схемы 2 принимает дугу R40 и 25. Скос-дуга R20 комплексный переход.

Конечно-элементный анализ и расчет

В этой статье используется крупномасштабное программное обеспечение для инженерного анализа Ansys/Workbench для анализа и расчета четырех вариантов: исходный проект пользователя, измененный проект пользователя, наш оптимизированный проект 1 и оптимизированный проект 2.

Построить модель

(1) Создание трехмерной твердотельной модели

По структуре и нагрузочным характеристикам опорного ролика автором для моделирования принимается четверть опорного ролика. Для приближения приложенных нагрузок и ограничений к реальным условиям работы внутреннее кольцо четырехрядного цилиндрического подшипника и опорный ролик интегрируются, а также устанавливается твердотельная модель промежуточного ролика и посадочного места опорного ролика (см. рис. 9).

Рисунок 9. Твердая 3D-модель

(2) Разделение сетки

Сетка была разделена с использованием пространственных гексаэдрических элементов и была уточнена в областях, где может возникнуть концентрация напряжений. Всего было получено 1 674 559 узлов и 460 071 элементов (см. Рисунок 10). Эта модель является нелинейной аналитической моделью множественных контактных тел.

Рисунок 10. Разделение сетки исходной схемы проектирования

(3) Граничные условия

1) Установите контакт между промежуточным роликом и опорным роликом, а также между опорным роликом и гнездом подшипника.

2) Применить ограничения симметрии на плоскости симметрии. Вертикально фиксированные ограничения применяются ниже промежуточного ролика.

3) Приложите к гнезду подшипника четверть усилия прокатки 312,5 т.

Автор приводит граничные условия исходной расчетной схемы (см. рис. 11). Поскольку граничные условия одинаковы, граничные условия остальных трех схем не показаны.

Рисунок 11 Граничные условия исходной схемы проектирования

После добавления граничных условий модель в основном установлена и соответствует условиям расчета.

Анализ и расчет

После расчета и анализа исходной конструкции получена диаграмма облака распределения напряжений по Мизесу. Максимальное напряжение составило 358,57 МПа и возникло в «канавке» (см. рисунок 12).

Рисунок 12 Диаграмма облака напряжений исходной конструкции

После расчета и анализа существующей конструкции получена диаграмма облака распределения напряжений по Мизесу. Максимальное напряжение составило 377,67 МПа и возникло в «канавке» (см. рисунок 13).

Рисунок 13 Диаграмма облака напряжений существующей конструкции

После расчета и анализа оптимизированной расчетной схемы 1 получена диаграмма облака распределения напряжений по Мизесу. Максимальное напряжение составило 325,3 МПа, которое возникло в переходной зоне на стыке шейки валка и бочки валка (см. рисунок 14). После расчета и анализа оптимизированной расчетной схемы 2 получена диаграмма облака распределения напряжений по Мизесу. Максимальное напряжение составило 287,85 МПа, которое возникло в переходной зоне на стыке шейки валка и бочки валка (см. рисунок 15).

Материал, выбранный для опорного ролика, — YB-65, а предел текучести σs = 650 МПа, из которого получены максимальное напряжение и запас прочности оправки (см. Таблицу 1). Видно, что после модификации пользователем запас прочности опорного ролика значительно снизился, что увеличило риск использования опорного ролика; в то время как оптимальная конструкция 2 имеет более высокий запас прочности конструкции, чем оптимальная конструкция 1, и конечный пользователь определил оптимальную конструкцию 2 как окончательное решение.

Рисунок 14 Диаграмма облака напряжений оптимизированного проектного решения 1

Рисунок 15 Диаграмма облака напряжений оптимизированного варианта конструкции 2

Таблица 1 Максимальное напряжение, создаваемое оправкой при различных нагрузках

план	Максимальное напряжение (МПа)	Коэффициент безопасности
оригинальный дизайн	358.57	1.81
существующая структура	377.67	1.72
Оптимизированный дизайн 1	325.3	2
Оптимизированный дизайн 2	287.85	2.26

Заключение

Данный план оптимизации был внедрен в реальное производство и применение, и больше не произошло ни одного несчастного случая, связанного с поломкой роликов.