冷连轧机主传动剪式安全销的弹塑性数值分析.pdf

重 型 机 械 1 0 7 冷连轧机主传动剪式安全销的弹塑性数值分析 闰成琨 ，黄煜 ，王 大号 ( 中国重型机械研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 3 2 ) 摘要：轧机主传动系统的安全销需要在一定过载的情况下及时断裂以保证设备安全。针对中国 重型机械研究院设计成套的冷连轧机现场调试过程中安全销出现的失效问题，对其进行了三维弹塑性 有限元的应力应变分析，对今后的设计提出了一些改进意见。 关键词 ：安全销；弹塑性本构关系；有限元；失效 中图分类 号 ：T G 3 3 3 1 3 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 1 1 9 6 X( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 0 7 0 5 Ela s t ic - p la s t ic n ume r ica l a na ly s is o f s he a r p in f o r ma in t r a n s mis s io n o f co ld t a n de m r o lling YAN Ch e n g k u n， HUANG Yu， W ANG Da - h a o ( C h i n a N a t io n a l H e a v y Ma ch i n e r y R e s e a r ch I n s t it u t e C o ，L t d ，X i a n 7 1 0 0 3 2 ，C h in a ) Abs t r act： I n o r d e r t o k e e p t he e q u ip me nt s a f e，t h e f r a ct u r e o f t he s he a r pin f o r t h e ma in t r a n s mis s io n s y s t e m in r o llin g mill mu s t o ccu r o n t ime wh e n t h e s y s t e m is o v e r lo a d e d T h e 3 - D e la s t ic p la s t ic fi n it e e le me n t me t h o d is u s e d t o a n a ly z e t h e f a ilu r e o f t h e s h e a r p in w h ich a p p e a r e d in t h e d e b u g g in g p r o ce s s o f t h e co ld t a n d e m r o ilin g mill d e s ig n e d b y C h in a Na t io n a l He a v y Ma ch in e r y R e s e a r ch I n s t it u t e C o ， L t d S o me co n s t r u ct iv e a d v ice s a r e pu t f o r wa r d K e y wor ds：s he a r p in；e la s t ic p la s t ic co ns t it ut ive r e la t io n； fi n it e e le me n t me t ho d；f a ilur e 1 前 言 剪销式安全联轴器 由于结构简单 ，造价低 ， 在一些矿山机械 、起重运输设备上常被用作过载 保护装置。它 的工作原理是当传递扭矩 过大时 ， 联轴器上的安全销被剪断 ，使传动 中断 ，从而保 护传动系统 中的重要零部件 。许多从 国外引进的 轧制设备 ，以及中国重型机械研究院 自主成套设 计 的五机架全连续式冷轧机组主传动部分均采用 了这种装置作为必要 的机械保护 。 但是在设备的使用过程 中，包括从国外 引进 的设备 ，都 出现 了安全销大量 非正 常断裂 的情 况 ，使厂家的生产效率大大降低 。这是 由于剪式 安全销的工作特性，既要保证安全销不会在正常 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 5 0 6；修 订 日期 ：2 0 1 10 51 2 作者简介 ：闫成琨 ( 1 9 8 3一) ，男 ，硕士 ，中国重 型机 械研究 院 有 限公 司助理工程师 。 工况条件下被剪断 ，又要保证其在非正常过载 的 情况下及时地被剪断，传统的机械设计手段很难 准确把握。实际生产中，厂家大都是 自行逐步增 加安全销 的抗剪强度 或个数 ，直 到不再断 裂为 止。这不仅增加了生产成本 ，也给设备安全带来 许多不确定性。我院在对冷连轧主传动的剪销式 安全联轴器设计时 ，虽然充分参考了国外的设计 经验和不足 ，预先准备了多种规格 的安全销和配 置方案，但是在调试过程 中仍然出现了安全销非 正常剪断的现象 。本文利用已经比较成熟的有 限 单元法 ，对在冷连轧调试过程中安全销的不同工 况进行 了弹塑性应力应变分析 ，并对今后的设计 提 出了一些改进意见。 2 剪销式安全联轴器及安全销结构 我院的冷连轧主传动剪销式安全联轴器配备 了四种不同规格的安全销 ，安全销规格是按照安 全销腰 部 最 细部 分 的直 径 为准 ，有 1 1 m m， 1 O 8 重 型 机 械 1 2 mm， 1 3 m m， 1 4 m m等。在实际的生产 过程中，根据主轧机不同的工况 ，可以选择使用 不同规格 的安全销 。安全联轴器预留有 1 2个销 孔 ，正常生产时一般只安装 2 4个。如果必要 ， 在调试过程中可以适当增加安全销的数 目。冷连 轧机组使用的安全销如图 1所示。 嵩 譬 图 1 安全销及其安装位置示意图 F ig 1 S h e a r p in a n d it s mo u n t ing p o s it io n 3 有限元数值分析模型 3 】 力学模 型 本机组主轧机上下工作辊独立传动 ，每个工 作辊均为两台直流电动机 串联输人。在电机和齿 轮变速箱之间 ，配置有剪销式安全联轴器 。为了 方便进行数值分析 ，需要计算出单个安全销的受 力情况并作合理简化 。 计算电机的输出扭矩可以根据公式 9 54 9 式中， 为 电机 额定 扭矩 ，N m，P为 电机功 率 ，k W，N电机额定 电压转速 ，r mi n 。 单台电机的基本参数为：功率 P=1 0 0 0 k W， 额定电压转速 N= 2 7 0 r m in 。可以得到两台电机 串联布置输出的最大扭矩 M = 7 0 7 4 0 N m。 根据联轴器 的安全销分布( 图 2 ) ，由于分布 圆直径是安全销腰部直径 的 4 05 O倍 ，因而可 以忽略安全销在其分布圆内外侧受力大小的差异 和对安全销的扭转效应 ，将作用在安全销上 的受 力看作是纯剪力分布 ，其合力为 F ，可 以 由电 机额定扭矩 ，通过下式计算得 出： 式中，R为安全销在安全联轴器上的分布圆半径 ， n为安装安全销的数量 。本机组所使用的安全联 轴器预留了 1 2个销孔 ，即 n最大可以取到 1 2 。实 际生产 当中，一般取 n= 2或 4 。本机组设计中初 步选用 4个安全销，即 n= 4 。安全销的分布圆半 径 R= 0 2 7 5 m，可得 F = 6 4 3 1 0 N。 图 2 安全销的分布和受力简化 Fig 2 Lo a d dis t r ibu t io n a n d s t r e s s s imp lif ica t io n o f s h e a r p in 考虑到 F 只是安全销腰部 的内部剪力 ，并 不是直接作用在安全销上 的力 ，就要对分析对象 进行受力分析，得 出其力边界条件 。直接作H 在 安全销上 的力是 有一定斜 率 的分布式 载荷 ( 图 3 ) ，但是考 查 重点 是安 全销 的腰部 破坏 情 况， 可以将受力简化为图4中所示 这样也可以保 址 安全销腰部的受力情况与真实情况一致 。 、 I 兰 一一一一一 -一 一 一 【 、 ， 一 ， 3 分布力， J ： 意 F ig 3 S ch e ma t ic o f d is t r ibu t e d o r e e() n s h e m p j J I 1 ) f J 广r v 4 剪 力简化示意 图 F ig 4 S ch e ma t ic o f s imp lif ie d s h e a r f o r ce 根据安全销的工作状况，其位移边界条件 叮 以简化为两端简支梁 ，根据力和弯矩平衡条件 ， 这样就可以计算出安全销的剪力和弯矩 ， Y= 0 ，即 一F+F = 0 对于弯矩中心 点， M = 0 ，且 D R X( L+r )+ X r = 0 在本机组初选 设计 中，安 全销 的尺寸 L= 6 0 ml t l，r =2 5 I ll I ll，代入上两式 ，可以求得 安全销在销轴弧面的分布力，对弧度方向积 重 型 机 械 1 0 9 分 ，可以得到分布力 P和端部载荷 ，的关系为 J0 p R s i 眦 出= F 本文分析的安全销半径 R=1 4 m m，可得 P =2 3 9 3 0 0 0 Nm。 由此 ，安全销的力边界条件和位移边界条件 均 已知 。 3 2 材料的弹塑性本构关系 本机组设计所用安全销 的材料为 4 5钢 ，其 单向拉伸 一 曲线如图 5所示 7 8 。 00 。 4 。 0 。 0 2 l。 0 。 0 0 】 图5 4 5钢单向拉伸曲线 Fig 5 Unia x ia l t e ns ion C llr v e o f 45 # s t e e l 除了材料的基本 O - 一 曲线 ，一般而言 ，弹 塑性数值分析还必须依据三个基本准则来对材料 进行判断 。这三个基本准则分别为屈服准则 ，流 动准则 ，硬化准则 。 以屈服 面理论为 基础 ，常用 的屈 服条件有 T r e s ca 屈服条件和 y o n Mis e s屈服条件 。两者在 屈服面上 的投影轨迹 如图 6所示 。从 中可 以看 出，T r e s ca 屈服条件在棱边处 ( 或屈服轨迹在六 边形的角点处) 导数不存在 ，而 y o n Mis e s 屈服条 件处处连续可导 ，因而在数值计算的处理上 y o n Mis e s 屈服条件更加方便 。另外 ，大量实验结果 表明 ，y o n Mis e s屈服条 件 比 T r e s ca屈 服条件大 多数情况下更接近塑性材料的真实屈服情况。安 全销的材料为 4 5钢 ，V O 1 3 Mis e s 屈服条件也更为 适用。故本 文在有 限元计算 中的屈 服条件 也 以 V O 13 Mis e s 屈服条件为准。 流动准则规定了塑性应变增量 的分量和应力 分量 以及应力增 量分量 之 间的关 系。v o n Mis e s 流动准则 ，其 向量方 向沿应力空间内后继屈服面 的法线方 向。 硬化准则规定 了材料进入塑性变形后的后继 屈服函数。在有限元分析的当中，随动强化准则 一 般用于小应变分析 ，各 向同性硬化准则适用于 大应变的情况。对于本文所分析的对象而言 ，由 于可能出现的大应变破坏情况 ，采用了各项 同性 硬化准则作为基本准则。 由前分析可知，安全销的材料模型可以使用 多线性率不相关型各 向同性强化模型 ，并依据图 5对其单 向拉伸 一 曲线建立近似 的材料数据 模 型 口 ! _、 0 。 G ( a) ( h) 图6 T r e s ca 屈服条件和 v o n M is e s 屈服条件的投影轨迹 F ig 6 P r o j e ct i o n t r a ce o f T r e s ca a n d y o n Mis e s y ie ld cr it e r io ns 3 3 有限元计算 由于设备调试 现场针对 许多不 同工况 ，进 行 了许多安全销配置方案 的尝试 。对每一 种情 况逐一建 立模 型进 行分 析既 不现 实也没 必要 。 本文只选 择 了其 中具 有 代表 性 的 工况 进 行 了 分析。 现场调试过程 中，按照最初的 4个安全销配 置方案 ，使用最 大规格 的安全销 ( l4 m l T 1 ) ，1 # _5 # 机架 的安全销几乎全部发 生了非正常剪断 的情况 ，故本文选择对 4个 1 4 n l m安全销配置 方案进行有限元分析。 对 1 4 m m安全销建立三维实体模型。由于 安全销的腰部的不规则性 ，需 要使 用 四面体 网 格划分 ，同时为 了保证精度 ，使用了 1 0节点四 面体单元。其余规则部分使用六面体网格来保 证均匀性和计算精度 ，使用 了 2 0节点六面体单 元 。在两种单元 的结合部 分 ，使用 了六 面体单 元 和四面体单元 的结合 技术 。网格划分 结果 如 图 7 。 按照前节计算得 出的力边界条件和位移边界 条件施加 载荷 ，计算结果 以 V O l l M is e s 等效应变 云图显示 ，如图 8所示 。 由分析结果可 见，最 大等效应变 已经超过 2 5 ，说明安全销已经处于失效状态。这与实际 使用情况一致。现场被剪 断的安全销 如图 9 所示 2 0 l1 N 0 4 重 型 机 械 4 分析与讨论 本文利用数值分析的手段 ，对冷连轧主传动 剪式安全销进行 了不 同配置下 的分析 ，得到了与 生产现场使用情况相吻合的结论。 需要指出的是，本文所分析 的安全销实际上 并未处于合理的工作状态。这主要出于以下原因： ( 1 ) 由于实际轧制过程 中，有时需要轧机短 时间内处于一定程度的过载状态 ，一般是电机额 定转矩的 1 2 5倍 以内，此时安全联 轴器最好 不 会剪断失效。本文所分析的第二种情况下，安全 销 已经处于发生微小塑性变形的状态 ，不能够承 受 1 2 5 的过载 ，没有处于合理的工作状态 ； ( 2 ) 由于轧机在停机后需要重新穿带 ，会经 常出现轧机反方向转动 的情况 ，使安全销承受一 定频率 的交变载荷 ，通常是低周疲劳载荷 。这会