Phân tích và tối ưu hóa cấu trúc của sự cố vỡ cuộn dự phòng

Tóm tắt: Nguyên nhân gây ra tai nạn gãy cuộn dự phòng trong máy cán nguội đã được phân tích và đề xuất một kế hoạch tối ưu hóa. Phần mềm phần tử hữu hạn đã được sử dụng để phân tích và tính toán kế hoạch tối ưu hóa. Sau khi thực hiện kế hoạch tối ưu hóa, không xảy ra tai nạn gãy cuộn nữa.

Từ khóa: cuộn sao lưu; tối ưu hóa cấu trúc; phần tử hữu hạn

Năng lực sản xuất thép cuộn cán nguội là một chỉ số quan trọng về trình độ phát triển của ngành thép của một quốc gia. Với sự phát triển liên tục của ngành thép, các công ty thép vừa và lớn chủ yếu sử dụng các đơn vị kết hợp cán nguội liên tục để sản xuất thép cuộn cán nguội, trong khi các công ty nhỏ vẫn chủ yếu sử dụng các đơn vị cán nguội đảo ngược một giá đỡ.

Một nhà máy cán nguội hiện có một đơn vị cán nguội một trụ 1050 mm với tình trạng sản xuất tốt. Để thích ứng với nhu cầu thị trường, nhà máy cán đã được cải tiến để mở rộng phạm vi sản phẩm. Sau khi cải tiến, nó có khả năng sản xuất các tấm thép có chiều rộng 1200 mm. Sau khi đơn vị được cải tạo và nâng cấp, nó bắt đầu sản xuất các tấm thép rộng 1200 mm, nhưng các sự cố gãy con lăn dự phòng đã xảy ra thường xuyên trong quá trình sản xuất.

Để đạt được mục đích này, nhằm đáp ứng nhu cầu của doanh nghiệp, tác giả đã phân tích sự cố gãy con lăn và đề xuất phương án tối ưu hóa.

Thông số cơ bản của máy cán

Thiết bị chính của máy cán nguội đảo chiều đơn 1050 mm bao gồm một toa xe cuộn, một máy khởi động, một máy cuộn phía trước, một toa xe dỡ hàng phía trước, một máy cán sáu tầng,

Máy cắt thủy lực phía sau máy, máy cuộn phía sau máy, xe đẩy dỡ hàng phía sau máy và các thiết bị truyền động chính của máy cán, v.v. Sản xuất thép dải có độ dày 0,16 ~ 1,4 mm và chiều rộng 950 ~ 1200 mm; vật liệu sản phẩm bao gồm thép kết cấu cacbon, thép kết cấu cacbon chất lượng cao, thép hợp kim thấp, v.v.; các loại tiêu biểu bao gồm: Q215, 08Al, SPCC, SPCD, SPCE, IF; năng suất sản xuất 220.000 tấn / năm; độ dày phôi: 3 ~ 3,5 mm, chiều rộng: 950 ~ 1 200 mm; cường độ vật liệu tối đa σs ≤ 590 N / mm2, σb tối đa ≤ 900 N / mm2. Lực cán tối đa là 12500kN và tốc độ cán tối đa là 850 m / mm.

Phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng cuộn giấy bị hỏng

Theo hiểu biết tại chỗ, không có điều kiện làm việc cụ thể nào cho tai nạn gãy trục lăn. Đôi khi tai nạn gãy trục lăn xảy ra trong quá trình cán, và đôi khi tai nạn gãy trục lăn xảy ra ngay sau khi các trục lăn được ép vào nhau. Vị trí của các trục lăn bị gãy tương đối cố định và chúng đều nằm ở một rãnh nhỏ trên cổ trục lăn (xem Hình 1, Hình 2). Ban đầu xác định rằng ứng suất tập trung tại “rãnh” quá lớn.

Hình 1 Hình ảnh con lăn bị hỏng tại chỗ

Hình 2 Sơ đồ kết cấu con lăn đỡ kết cấu hiện tại

Phân tích cấu trúc của cuộn sao lưu

Chiều dài của con lăn dự phòng trước khi sửa đổi là 1040 mm (xem Hình 3). Vì người dùng tuân thủ nguyên tắc tận dụng tối đa các bộ phận ban đầu trong quá trình biến đổi, nên hình dạng và kích thước của các cấu trúc khác phải được giữ nguyên càng nhiều càng tốt trong khi thân con lăn được kéo dài và chiều dài tổng thể của con lăn phải được giữ nguyên ở mức tối đa. Cuối cùng, chiều dài của thân con lăn hỗ trợ được kéo dài từ 1040 mm đến 1200 mm và chiều dài tổng thể được tăng từ 3336 mm đến 3356 mm. Ngoài ra, phương pháp chuyển đổi "góc tròn + vát" ban đầu tại điểm nối của cổ con lăn và thân con lăn bị hủy bỏ và được sửa đổi thành chuyển đổi trực tiếp của fillet (xem Hình 4 và Hình 5)

Hình 3 Sơ đồ cấu trúc của các cuộn dự phòng trước khi sửa đổi

Hình 4 Góc nhìn chi tiết của vùng chuyển tiếp cuộn sao lưu trước khi sửa đổi

Hình 5 Góc nhìn chi tiết về vùng chuyển tiếp của các cuộn dự phòng trong cấu trúc hiện tại

Có thể thấy rằng “rãnh” là vùng tập trung ứng suất, và sự tập trung ứng suất sẽ xảy ra sau khi lực lăn được áp dụng. Tuy nhiên, không có tai nạn gãy cuộn nào xảy ra trong cấu trúc ban đầu trong quá trình sử dụng. Sau khi sửa đổi, một phần vật liệu tại mối nối của cổ cuộn và thân cuộn đã được loại bỏ, điều này làm giảm khả năng chống uốn của cổ cuộn, trong khi cấu trúc “rãnh” vẫn được giữ lại. Nguy cơ tập trung ứng suất tăng lên và khả năng xảy ra tai nạn tăng lên.

Phân tích cụm con lăn dự phòng

Tác giả đã xem xét cụm con lăn dự phòng đã được sửa đổi dựa trên bản vẽ lắp ráp của con lăn dự phòng trước khi sửa đổi và bản vẽ các bộ phận con lăn dự phòng sau khi được người dùng sửa đổi (xem Hình 6). Ngoại trừ con lăn dự phòng, ổ trục con lăn dự phòng và vòng vai, tất cả các bộ phận trong hình đều là bộ phận gốc và được thực hiện theo yêu cầu kỹ thuật lắp ráp ban đầu.

Hình 6 Sơ đồ lắp ráp của con lăn hỗ trợ kết cấu hiện tại

Trong quá trình đánh giá, tác giả nhận thấy rằng trong quá trình lắp ráp con lăn dự phòng, do hạn chế về mặt cấu trúc, các góc bo tròn của vòng trong của ổ trục trụ bốn dãy đã tiếp xúc với vát của con lăn dự phòng và không thể lắp khít với vòng vai (xem Hình 7). Do đó, vòng trong và vòng ngoài của ổ trục trụ bốn dãy không thể cố định theo hướng trục. Vì vòng trong và vòng vai của ổ trục được lắp ráp với con lăn đỡ bằng cách lắp ráp nhiệt nên chúng không thể di chuyển so với con lăn đỡ. Theo cách này, một khe hở sẽ được hình thành giữa vòng trong và vòng vai của ổ trục trụ bốn dãy và vị trí sẽ gần như trùng với vị trí "rãnh" của con lăn dự phòng. Trong quá trình sản xuất, ứng suất ở đây sẽ được tăng thêm dưới tác động của lực lăn.

Hình 7 Góc nhìn phóng to của cụm con lăn dự phòng

Kế hoạch tối ưu hóa

Qua phân tích trên, tác giả đề xuất hai giải pháp tối ưu sau (xem Hình 8).

Hình 8 Kế hoạch tối ưu hóa con lăn dự phòng

Trong hai phương án tối ưu hóa, chiều dài cuộn là như nhau. Để đáp ứng các yêu cầu chuyển đổi, nên hủy cấu trúc “rãnh” thiết kế ban đầu và thay đổi thành chuyển tiếp R10 tròn. Chỉ có vùng chuyển tiếp tại điểm giao nhau của cổ cuộn và thân cuộn là khác nhau (xem Hình 8 (b), (c)). Vùng chuyển tiếp của Sơ đồ 1 áp dụng chuyển tiếp cung lớn R30; vùng chuyển tiếp của Sơ đồ 2 áp dụng cung R40 và chuyển tiếp toàn diện cung vát-R20 25.

Phân tích và tính toán phần tử hữu hạn

Bài viết này sử dụng phần mềm phân tích kỹ thuật quy mô lớn Ansys/Workbench để phân tích và tính toán bốn phương án: thiết kế ban đầu của người dùng, thiết kế đã sửa đổi của người dùng, thiết kế tối ưu 1 của chúng tôi và thiết kế tối ưu 2.

Xây dựng mô hình

(1) Thiết lập mô hình rắn ba chiều

Theo đặc điểm cấu trúc và tải trọng của con lăn đỡ, tác giả lấy một phần tư con lăn đỡ để mô hình hóa. Để làm cho tải trọng và ràng buộc được áp dụng gần hơn với điều kiện làm việc thực tế, vòng trong của ổ trục trụ bốn dãy và con lăn dự phòng được tích hợp, và mô hình rắn của con lăn trung gian và ổ trục con lăn dự phòng được thiết lập (xem Hình 9).

Hình 9 Mô hình rắn 3D

(2) Phân chia lưới

Lưới được chia bằng các phần tử lục diện không gian và được tinh chỉnh ở những khu vực có thể xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất. Tổng cộng có 1.674.559 nút và 460.071 phần tử được thu được (xem Hình 10). Mô hình này là mô hình phân tích phi tuyến tính của nhiều vật thể tiếp xúc.

Hình 10 Phân chia lưới của sơ đồ thiết kế ban đầu

(3) Điều kiện biên giới

1) Thiết lập tiếp xúc giữa con lăn trung gian và con lăn dự phòng, và giữa con lăn dự phòng và ổ trục.

2) Áp dụng ràng buộc đối xứng trên mặt phẳng đối xứng. Các ràng buộc cố định theo chiều dọc được áp dụng bên dưới con lăn trung gian.

3) Tác dụng lực lăn bằng 1/4 lực 312,5 tấn vào ổ trục.

Tác giả đưa ra các điều kiện biên của sơ đồ thiết kế ban đầu (xem Hình 11). Vì các điều kiện biên là giống nhau nên các điều kiện biên của ba sơ đồ khác không được hiển thị.

Hình 11 Điều kiện biên của sơ đồ thiết kế ban đầu

Sau khi thêm các điều kiện biên, mô hình về cơ bản đã được thiết lập và đáp ứng các điều kiện tính toán.

Phân tích và tính toán

Sau khi tính toán và phân tích cấu trúc thiết kế ban đầu, một biểu đồ đám mây phân bố ứng suất von-mises đã được thu được. Ứng suất tối đa là 358,57 MPa, xuất hiện tại “rãnh” (xem Hình 12).

Hình 12 Biểu đồ đám mây ứng suất của cấu trúc ban đầu

Sau khi tính toán và phân tích cấu trúc hiện có, một biểu đồ đám mây phân bố ứng suất von-mises đã được thu được. Ứng suất tối đa là 377,67 MPa, xuất hiện tại "rãnh" (xem Hình 13).

Hình 13 Biểu đồ đám mây ứng suất của kết cấu hiện có

Sau khi tính toán và phân tích sơ đồ thiết kế tối ưu 1, biểu đồ đám mây phân bố ứng suất von-mises đã thu được. Ứng suất cực đại là 325,3 MPa, xuất hiện ở vùng chuyển tiếp tại điểm giao giữa cổ cuộn và thân cuộn (xem Hình 14). Sau khi tính toán và phân tích sơ đồ thiết kế tối ưu 2, biểu đồ đám mây phân bố ứng suất von-mises đã thu được. Ứng suất cực đại là 287,85MPa, xuất hiện ở vùng chuyển tiếp tại điểm giao giữa cổ cuộn và thân cuộn (xem Hình 15).

Vật liệu được chọn cho con lăn dự phòng là YB-65, và giới hạn chảy σs = 650 MPa, từ đó thu được ứng suất và hệ số an toàn tối đa của trục (xem Bảng 1). Có thể thấy rằng sau khi người dùng sửa đổi, hệ số an toàn của con lăn dự phòng đã giảm đi rất nhiều, điều này làm tăng rủi ro khi sử dụng con lăn dự phòng; trong khi thiết kế tối ưu 2 có hệ số an toàn về mặt kết cấu cao hơn thiết kế tối ưu 1 và người dùng cuối xác định thiết kế tối ưu 2 là giải pháp cuối cùng.

Hình 14 Biểu đồ đám mây ứng suất của giải pháp thiết kế tối ưu 1

Hình 15 Biểu đồ đám mây ứng suất của phương án thiết kế tối ưu 2

Bảng 1 Ứng suất tối đa do trục tạo ra dưới các tải trọng khác nhau

kế hoạch	Ứng suất tối đa (MPa)	Hệ số an toàn
thiết kế ban đầu	358.57	1.81
cấu trúc hiện có	377.67	1.72
Thiết kế tối ưu 1	325.3	2
Thiết kế tối ưu 2	287.85	2.26

Phần kết luận

Kế hoạch tối ưu hóa này đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng thực tế, không còn xảy ra tai nạn gãy lô nào nữa.