悬臂式开卷机四棱锥套的分析与改进

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摘要： 本文主要研究悬臂式开卷机四棱锥套的结构及受力，分析失效原因，利用SolidWorks软件对开卷机卷筒的两个主要零件（卷筒四棱锥套和扇形板）建模仿真，进行有限元分析，并提出改进方案。

Abstract： This paper mainly studies the structure and stress of the rectangular pyramid of cantilever-type uncoiler， analyzes the failure causes， carries out the modeling and simulation of the two main components （drum rectangular pyramid and fan-shaped board） of the uncoiler by SolidWorks software to carry out the finite element analysis and put forward the improvement scheme.

关键词： 开卷机；有限元分析；结构改进

Key words： uncoiler；finite element analysis；institutional improvement

中图分类号：TG751.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0089-05

0 引言

开卷机是钢板（带）冷轧机组或者热轧精整机组的关键辅助设备之一，在带钢的轧制或者精整过程中主要起到开卷、钢卷支撑并在机组的运行过程中提供和控制带钢的后张力。目前可胀缩卷筒的悬臂式开卷机在生产中得到了广泛应用。

开卷机中最重要的部件是卷筒，可胀缩卷筒径向上的胀缩是通过开卷机卷筒上通过斜面接触的棱锥套和扇形板轴向运动转变为径向位移来实现的。由于棱锥套和扇形板接触面的上的受力非常大，在开卷机开卷的过程中二者的接触面上要传递转矩，还要承受非常大的来自钢卷的压力，所以棱锥套上燕尾槽边缘发生断裂的情况时有发生。

为解决上述问题，本文将在SolidWorks/CAD软件中创建开卷机四棱锥套的模型导入到ABAQUS/CAE中进行有限元分析。希望通过有限元分析找出开卷机卷筒四棱锥套本身存在的薄弱环节，并针对薄弱环节进行有针对性的结构改进，力图消除四棱锥套结构上的缺陷。对于降低开卷机卷筒事故的发生率，延长开卷机卷筒的工作寿命，以及整个接下来钢材生产环节的正常运行都具有重要的意义。

1 单卷筒可胀缩开卷机结构及失效分析

1.1 2250热轧平整分卷机组结构

2250热连轧平整分卷机组采用先进的实用技术及装备，对热轧后的碳素钢及汽车结构用钢等钢卷进行平整，以利于提高板材表面质量和板形，改善板材的机械性能，也可以作为钢卷分切线使用。

开卷机为四斜楔液压胀缩，悬臂型卷筒式开卷机。它由卷筒，活动支架，传动装置，交流电动机，CPC对中控制装置，悬臂端活动支撑及底座七个部分组成，如图1所示。

卷筒采用四斜楔胀缩式。一个用合金钢制作的卷筒芯轴由胀缩油缸推动，带动扇形板产生径向位移，使卷筒胀缩。四个扇形板用特殊铸钢制造，具有高硬度与耐磨损的表面。卷筒的结构如图2所示。

1.2 开卷机卷筒四棱锥套燕尾槽失效分析

在实际生产过程中，开卷机卷筒的四棱锥套燕尾槽部位发生折断，如图3和图4所示。由于四棱锥燕尾槽的根部存在应力集中的现象，使物体产生疲劳裂纹，引起脆性材料断裂。在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。

2 开卷机卷筒四棱锥套的设计与受力分析

2.1 四棱锥套和扇形板三维建模

利用SolidWorks软件对开卷机卷筒的两个主要零件（四棱锥套和扇形板）进行了建模仿真。

图5是开卷机卷筒四棱锥套的SolidWorks三维建模；图6是开卷机卷筒扇形板的SolidWorks三维建模；图7是开卷机卷筒四棱锥套和扇形板的SolidWorks装配图。

2.2 四棱锥面压力分析

为了计算卷筒胀缩缸的胀缩力，必须先计算出作用在四棱锥棱锥面上的压力T。如图8所示，投影压力T作用在每一块扇形板的值为：

式中 d―卷筒直径，mm；b―带钢宽度，mm；P―卷筒上的径向压应力，MPa；卷筒直径d=762mm；钢宽度b=1900mm。

卷筒上的径向压应力为

将以上参数代入式（1）中得

2.3 燕尾槽受力分析

如图9所示，扇形板与带钢内表面接触存在摩擦力Nμ，摩擦力形成的转矩需要四棱锥套上的燕尾槽与扇形板上的燕尾槽之间的力F去平衡。已知扇形板胀紧后卷筒半径R=381mm，由于燕尾板与燕尾槽的接触面在径向上的投影尺寸相对于四棱锥套的尺寸非常小，所以可以取燕尾板与燕尾槽接触中心到卷筒中心的距离作为力F切向分量所形成转矩的距离。

扇形板上的转矩平衡公式如下：

NμR=8Fcos30°r1（2）

式中N=7181.10kN；μ=0.2；R=381mm；r1=285mm；。

代入式（2）中得：

开卷机卷筒上一共有8个燕尾槽，根据上面公式可知，每个燕尾槽与燕尾板之间的力的大小均为为274.72kN。

2.4 扇形板斜楔面受力分析

如图10扇形板斜楔面受力，可以求出：

3 开卷机卷筒四棱锥套有限元分析

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，它能够解决从简单的线性分析问题到复杂的非线性分析的问题。其自动交互式导入可以将用户在SolidWorks软件中创建的模型快速的传递到ABAQUS/CAE中，运用ABAQUS软件进行有限元受力分析首先要定义四棱锥套材料的性能，该四棱锥套采用的材料是球墨铸铁（QT500-7），其杨氏模量（弹性模量）为173GPa，泊松比为0.3，对四棱锥套的约束主要是两个面，一个是四棱锥套与主轴配合的面，另一个就是拉杆作用力所作用的面，如图11所示。

由于已经求出了作用在四棱锥套燕尾槽一侧的作用力和四棱锥套斜楔上的作用力。需要注意的是燕尾槽上的作用力在加载的时候并不是整个燕尾槽的一侧都有力的作用，卷筒在胀缩的时候燕尾槽与扇形板上的燕尾板是有错位的，所以燕尾板只有一部分与燕尾槽是接触上的，这是ABAQUS在加载载荷时必须要考虑到的。四棱锥套载荷加载如图12所示。

由于四棱锥套的结构比较复杂，不规则实体较多，这无疑给ABAQUS网格划分增加了一定的难度，为了简化网格划分难度，同时又不影响分析结果的精确性，采用增加应力分析关键部位的网格密度，对于应力分析非关键部位减小网格密度的方法，这样在不影响分析精确性的基础上，节省了分析时间，可谓一举两得。网格划分图13所示。

经过以上一系列的ABAQUS有限元分析的必要工作之后就可以进行最后的提交分析的工作了分析结果如图13所示。

通过ABAQUS应力分析结果可以看出，四棱锥套最大应力出现的部位是燕尾槽一侧的圆弧过度区，最大应力值达到467.3MPa，对于QT500-7球墨铸铁来说其力学性能如表1所示，其抗拉强度为500MPa，屈服强度为320MPa。467.3MPa远大于320MPa，燕尾槽如果采用这中结构形式必然会在带钢生产过程中引发事故，导致燕尾槽的断裂，影响整个热轧精整生产线的生产，所以必须对四棱锥套的机构进行改进。

4 开卷机卷筒四棱锥套结构改进及有限元分析

4.1 四棱锥套结构改进

针对开卷机卷筒四棱锥套燕尾槽出现的问题，采用降低应力集中的方法，决定采用双曲率型线和三曲率型线代替之前燕尾槽单一的过度圆弧，同时将燕尾槽倾斜的角度变大，降低应力集中，从而防止开卷机卷筒四棱锥套燕尾槽的断裂失效，改进措施如图14所示。

4.2 改进后开卷机卷筒四棱锥套有限元分析

改进后的四棱锥套进行ABAQUS有限元分析的步骤同结构改进之前的步骤一样，经过零件导入――材料属性定义――约束和载荷加载――网格划分――提交分析等几个主要步骤，保证材料属性、约束和载荷位置以及网格划分方式保持不变，分析结果如图15、图16所示。

通过ABAQUS有限元模拟的结果可以看出，开卷机卷筒四棱锥套燕尾槽结构由单一的圆弧过度改进到双曲率型线和三曲率型线过度，并且增大了燕尾槽的倾斜角度之后，应力集中现象有了明显的改善，从一开始的最大应力的467.3MPa降到了双曲率型线的280.2MPa和三曲率型线的238.5MPa，已经小于开卷机卷筒四棱锥套材料（QT500-7）本身的屈服极限320MPa，并且可以从应力云图中可以看出最大应力的分布区域面积也相较结构没有改进之前有了明显的减小。

通过双曲率型线和三曲率型线应力集中的对比发现，三曲率型线相较于双曲率型线对降低应力集中效果更佳明显。这样可以大胆的预测，随着过渡圆角处圆弧数量的增加，对降低应力集中的效果也将明显增加，不过受制于加工技术和难度的限制，不可能无限制的增加过渡圆角处曲率的数目，相较之下应用双曲率型线既能够有效的减小应力集中现象，也不至于增加加工难度。

5 结论

针对开卷机卷筒四棱锥套出现的燕尾槽断裂失效的问题进行了有针对性的ABAQUS有限元受力分析，并针对分析后的结果对开卷机卷筒四棱锥套燕尾槽的进行了修改。开卷机卷筒的四棱锥套燕尾槽在实际的使用过程中出现过断裂的现象，经过ABAQUS有限元分析发现在燕尾槽圆弧过度的地方存在明显的应力集中现象，也正是这里的应力集中导致燕尾槽的断裂。用双曲率型线和三曲率型线代替原来的单一圆弧过度，同时增大了燕尾槽的倾斜角度，经过对改进后的四棱锥套进行ABAQUS有限元分析，发现应力集中现象有了明显的改善并且最大应力处的应力已经明显小于四棱锥套材料本身的屈服极限，说明结构改进是合理并且成功的。并且通过三曲率型线和双曲率型线的对比发现，三曲率型线能更好地降低应力集中。

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