（机械工程专业论文）地下卷取机入口导板强度分析.pdf

武汉科技大学硕士毕业论文第1 页 摘要 地下卷取机是热轧线主要的生产设备之一。而地下卷取机入口导板是地下卷取机正常 工作不可或缺的一部分，是地下卷取机正常工作的保证。地下卷取机入口导板长期在高温 下承受冲击载荷的作用，实际工况十分恶劣，时常发生撕裂现象。本文针对入口导板的撕 裂现象，对入口导板的受力建立数学模型，进行有限元分析。利用有限元分析的结果进行 疲劳强度分析，找出故障点，提出改进方案。主要内容有： 1 对地下卷取机入口导板进行受力分析，建立数学模型，求解出造成最大弯矩的冲击 载荷和冲击载荷作用位置。 2 利用有限单元法对地下卷取机入口导板进行分析，计算出入口导板上的应力分布， 找出薄弱位置。 3 根据有限元分析出的薄弱位置和应力值，利用无限寿命分析法来进行疲劳强度分 析，同时采用修正的p s 一曲线估算焊缝的疲劳寿命。 4 针对有限元分析出的薄弱位置提出改进方案，对改进方案进行有限元分析，校核疲 劳强度，并估算其疲劳寿命。 本文对地下卷取机入口导板受力分析进行数学建模，结合有限元分析的方法来对入口 导板进行有限元分析，并采用修正的p s 一曲线估算焊缝的疲劳寿命。整个分析过程与 实际情况比较吻合，为受冲击载荷结构的分析提供了一种参考方法。 关键词：地下卷取机；入口导板；有限元法；疲劳强度； 第1 i 页武汉科技大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t h ed o w n - t o i l e ri sam a i n l ye q u i p m e n ti nh o ts t r i pm i l l ，t h ee n t r ys i d eg u i d e so ft h e d o w n - t o i l e ra r ei n d i s p e n s a b l ep a r t so fd o w n - t o i l e r , a s s u r i n gr e g u l a rw o r k t h es e v e r ew o r k c o n d i t i o ni m p r o v e st h ef r e q u e n tt e a r i n go fe n t r ys i d eg u i d e sw h i c hs u f f e rf r o ms h o c kl o a da th i 曲 t e m p e r a t u r ef o ral o n gt i m e t h ep a p e rf o c u so nt h ef a i l u r eo ft h et e a r i n go fe n t r ys i d eg u i d e s ，w e b u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n t r ys i d eg u i d e s ，a p p l yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a c c o r d i n gt o r e s u l t so ft h ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h er e a s o no ff a u l ti so b t a i n e da n dt h ei m p r o v e m e n ti s p r o p o s e d t h ef o l l o w i n gi st h em a i nw o r k 1 t h cf o r c ea n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n t r ys i d eg u i d e sa r ec a r r i e do u t f r o mt h e a b o v ea n a l y s i s ，t h em a g n i t u d ea n dt h el o c a t i o no fs h o c kl o a dw h i c hc a u s et h em a x i m u mb e n d i n g m o m e n ta r ec a l c u l a t e d 2 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe n t r ys i d eg u i d e sa r et a c k l e dt h r o u g hf i n i t ed e m e n tm e t h o d c a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s so fe n t r ys i d eg u i d e s ，f i n dt h el o c a t i o no fw e a k n e s s 3 a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o no fw e a k n e s sa n ds t r e s sv a l u e s ，f a t i g u er e s i s t a n c ea n a l y s i s i s a c c o m p l i s h e db yt h em e t h o do fi n f i n i t e l i f ea n a l y s i s w h a ti sm o r e ，t h eu s a g eo fc u r v et o e s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo fw e l d e ds e a m s 4 t h ei m p r o v e m e n ti sp r o p o s e db a s e do nt h el o c a t i o no fw e a k n e s st h r o u g hi n f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ei m p r o v e ds t r u c t u r ei sp e r f o r m e d ，t e s t i n gt h ef a t i g u e r e s i s t a n c e ，e s t i m a t i n gt h ef a t i g u el i f e 1 1 1 ep a p e rb u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe n t r ys i d eg u i d e s ，a c c o m p l i s h e dt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i su s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dc o m eu pw i t ht h ep s - nc u r v et oe s t i m a t et h e f a t i g u el i f eo fw e l d e ds e a m s t h ew h o l ea n a l y s i sf i t st h ep r a c t i c ec o n d i t i o n ，p r o v i d i n ga r e f e r e n c e m e t h o dt ot h es h o c kl o a da n a l y s i ss t r u c t u r e k e y w o r d s ：d o w n c o i l e r ；e n t r ys i d eg u i d e s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；f a t i g u er e s i s t a n c e 武汉科技大学硕士毕业论文第1 页 1 1 热轧生产工艺流程 1 绪论 热轧生产无疑是钢铁生产中很重要的一个部分。轧钢生产以其高效性，连续性，和生 产产品的多样性得到了广泛的应用。本次课题主要研究热轧带钢地下卷取设备入口导板的 强度问题。下面简要介绍一下热轧带钢的生产工艺流程，工艺流程图如图1 1 。 设置 图i i 热轧带钢生产工艺流程图 c c i 卜冷装炉；h c r - 热装炉；d h c r 一直接热装；h d r - 一直接轧制 连铸车间送来的来料通过冷装炉( c c r ) 、热装炉( h c r ) 、或直接热装( d h c r ) 1 1 1 等方式， 经称重后送入加热炉加热；或通过直接轧制( h d r ) 的方式，经称重后进入边部加热器加热。 第2 页武汉科技大学硕士毕业论文 加热后的板坯经高压水除鳞进入定宽压力机进行定宽；随后进入粗轧机组轧制。粗轧后的 板坯经过带有保温罩的输送辊道进入切头飞剪进行切头。切头后的带钢经高压水除鳞后进 去精轧机组。通过精轧机组轧制后的带钢经层流冷却进入地下卷取机卷取成卷。最后经过 打捆、喷印、称重、精整等制成成品。 由热轧带钢工艺流程可以看出，卷取是一个十分重要的工序。卷取机位于主轧线末端， 将通过粗轧、精轧生产出来的长带钢卷取成钢卷成品。卷取机是主轧线上最重要的生产设 备之一。而卷取机的入口导板位于卷取机夹送辊和卷筒之间，主要起将带钢头部导入卷筒 与l 号助卷辊之间的间隙，保证顺利卷取的作用，是卷取机设备中十分重要的部分。 1 2 卷取机概述 1 2 1 卷取机发展概况 最早卷取机的形式有固定卷筒式卷取机【2 卅( 固定式，如图1 2 所示) 和轧制线式卷取机 ( 移动式，如图1 3 所示) 。移动式卷筒卷取机又分为卷筒高度与轧制线保持一致，随着卷径 的增大，卷筒逐渐下移式和固定式。下移式结构复杂，固定式只适用于最后一个卷取机。 移动式卷取机的主要作用是为了改善带钢卷的卷取形状。现在，由于轧制速度的高速化， 钢卷单重大型化，超厚高强度带钢的需求量增多等愿意，卷取机一般都采用固定卷筒式的 卷取机。卷取机的卷取厚度要求已由过去的1 3 r a m 增加到最大3 0 m m 。 2 图1 2 固定卷筒式卷取机 l 一带钢；2 一夹送辊；3 3 号助卷辊：4 1 号助卷辊；5 一l 号助卷辊 武汉科技大学硕士毕业论文第3 页 i 一 图1 3 轧制线式卷取机 l 一带钢；2 _ 夹送辊；3 一弹簧；4 一l 号助卷辊； 5 一拉杆；6 _ _ 2 号助卷辊；7 - - 3 号助卷辊 a 四滑道八辊式卷取机 c 四滑道四辊式卷取机 b 无滑道八辊式卷取机 d 无滑道三辊式卷取机 第4 页武汉科技大学硕士毕业论文 e 无滑道四辊式卷取机无滑道二辊式卷取机 图1 4 卷取机分类 l 一夹送辊；2 带钢；3 一卷筒；4 助卷辊 卷取机最早的结构形式为四滑道八辊式【2 1 ( 如图1 4 a ) 。每个辊架上装有两个抱辊可沿滑 道移动。四个辊架在两个气缸带动下通过连杆系统做往复运动。由于辊架多次在滑道上往 复移动产生磨损，引起滑道间隙变大，棍子倾斜，抱辊与卷筒之间间隙不均匀、压力不相 等。因此，容易造成钢卷塔形，甚至有可能使辊架在滑道内卡死，抱辊不能动作，无法实 现卷取。后来出现了无滑道八辊式卷取机( 如图1 4 b ) ，虽然它有效防止了滑道磨损问题， 但实践证明八个抱辊是多余的。后来发展为四滑道四辊式卷取机( 如图1 4 c ) ，每个辊架上 只装一个抱辊，扔保留了复杂的连杆系统。 随着轧制技术的发展，要求进行低温卷取宽厚高强度合金钢带。这使抱辊承受较大的 冲击载荷和弯曲载荷，载荷传递到连杆系统和辊架移送气缸等。复杂的连杆系统不堪重负， 于是出现了二滑道四辊式卷取机。在相对位置上设有两个辊架，每个辊架上装两个抱辊， 使冲击载荷和弯曲载荷传递给辊架移送气缸，由辊架移送气缸中的压缩空气来缓冲载荷， 有效的防止冲击载荷引起的抱辊与卷筒之间间隙增大。由于抱辊多，结构复杂，给制造维 修都带来诸多不便；抱辊气缸由杠杆控制，杠杆系统铰接点多，误差大，系统响应迟缓等 问题。目前国内外新的卷取机多采用抱辊数少的方式，如三辊式( 如图1 4 d ) 、两辊式( 如图 1 4 n 卷取机。两辊式卷取机结构简单，但卷取带钢结构不够紧密，适用于小卷径，窄带钢。 国内外生产实践表明三辊式卷取机对于厚度大于1 0 m m 的厚带钢和厚度在1 0 m m 以下的薄 带钢都有很好的效果，在现在的生产实践中被广泛采用。2 0 世纪8 0 年代开始，出现了气一 液型和液压型卷取机。他们的卷取能力和精度都高于气动式卷取机。气液型卷取机夹送辊、 助卷辊的辊缝设定由液压缸完成，咬钢时产生的冲击振动由气缸吸收。液压型卷取机夹送 辊和助卷辊辊缝由液压伺服系统调节，精度极高，冲击和振动由液压缸吸收。同时，为了 避免和减轻带钢头部在卷第二、三圈时产生压痕，助卷辊采用跳跃控n ( m c ，压力和位置共 同控制) 技术。2 0 世纪9 0 年代以来，我国新建或改造卷取机大多采用液压型卷取机，旧式 气动式卷取机逐步淘汰。 近年来，针对薄带钢在输出辊道上运行不稳定，易飘浮等特点限制了穿带速度。为了 武汉科技大学硕士毕业论文第5 页 缩短穿带时间，减少故障，提高产量，确保最终轧制温度，国外已出现了近距离卷取机。 它与精轧机组末端的距离4 啦7 0 m 。卷取时，靠夹送辊和卷筒之间建立张力，保证卷取质 量。它适用于高温卷取带钢和薄带钢卷取。 1 2 2 卷取机作业过程 带钢在精轧机时，根据带钢的成品厚度、宽度、热屈服强度、单位张力，用计算机设 定侧导板、夹送辊、助卷辊的开口度和卷筒的张力、弯曲力矩、夹送辊力矩、以及各种超 前率和滞后率等。带钢头部进入卷取机前，输出辊道、夹送辊、助卷辊、卷筒均以不同的 速度超前率运转。如图1 5 所示常用三辊地下卷取机结构图。夹送辊上下两辊之间通常偏 置1 5 。 2 0 。左右，带钢头部进入夹送辊后，偏置的夹送辊提供一定的力使带钢头部向下 弯曲，经过由上下导板、助卷辊、卷筒形成的楔形间隙进入1 号助卷辊。地下卷取机助卷 辊采用跳跃控制【5 。1 别( a j c ，压力和位置共同控制) 的方式，通过程序有效的“避让”带钢头部， 从而更好的保证卷取质量。在卷筒和助卷辊的超前率作用下，带钢被紧紧的卷在卷筒上。 经过3 4 圈，带钢头部卷紧后，输出辊道、夹送辊、助卷辊和卷筒的速度超前率变为0 ， 与带钢速度同步，依靠精轧机组、助卷辊和卷筒之间形成的张力进行卷取。 图1 5 某厂三辊地下卷取机结构图 1 、2 一上下夹送辊3 一下导板4 一卷筒5 一助卷辊6 一油缸 当带钢尾部离开最后一架精轧机时，输出辊道、和夹送辊则以一定的速度滞后率 1 0 1 运转，以此来提供卷取所需张力。同时，l 号助卷辊压在钢卷上，保证尾部离开精轧机后 带钢卷的卷取质量。 在卷取的过程当中，入口导板一直起着导向和保护其他设备的作用。当带钢头部即将 进入卷取机时，夹送辊下降到工作位置，入口导板也同时下降，与下导板形成一个楔形间 隙。当带钢头部经由偏置夹送辊的轧制力作用后以一定的卷取速度进入楔形间隙，冲击到 第6 页武汉科技大学硕士毕业论文 入口导板上。在入口导板的导向作用下，带钢头部沿着下导板进入由l 号助卷辊和卷筒形 成的间隙，顺利开始正常卷取。当带钢头部进入到卷筒周围开始卷取后，入1 3 导板在气缸 的作用下抬起，入口导板的一个工作周期完成。 1 2 3 卷取机结构简介 卷取机位于精轧机组输出辊道末端，主要结构如图1 6 所示，由入口侧导板，夹送辊， 入1 3 导板，助卷辊，卷筒【5 2 2 】等设备组成。入口侧导板主要用于带钢进入卷取机时对带钢 进行对中，保证卷型。夹送辊是一对上大下小并有1 0 0 一2 0 0 偏角【1 1 1 的辊子。它的主要作用 是使带钢头部弯曲顺利进去入口导板；带钢尾部离开精轧机组时，对带钢提供张力以保证 卷型。助卷辊主要作用是准确的将带钢头部导到卷筒上，用一定的压紧力将带钢压在卷筒 上，保证卷曲质量；对带钢进行一定的弯曲加工适于卷取，压住带钢尾部，防止上翘和松 卷。入口导板主要与助卷辊和卷筒形成斜楔，将带钢头部顺利导入助卷辊。卷筒主要由扇 形块，斜楔，心轴，液压缸等组成。由斜楔组成的二次胀缩机构来保证紧密的卷取。 其中入口导板是将带钢引入地下卷取机卷取部分的核心设备，是将主轧线上精轧机组 和地下卷取机连接起来的枢纽，同时还起着保护其他设备，防止带钢头部进入地下卷取机 冲击到其他设备上的作用。入口导板的工作情况正常与否，直接影响着卷取机能否正常卷 取。 夹 图1 7 卷取机结构示意图 武汉科技大学硕士毕业论文第7 页 1 3 选题背景 1 3 1 卷取机要求 卷取机是在高速、有较大冲击载荷的恶劣条件下工作的。它的结构复杂，故障率高。 鉴于其工作环境，卷取机要求包括以下几个方面。 1 ) 具有较高的咬入速度和卷取速度； 2 ) 能处理大吨位的带卷以提高带钢生产率； 3 ) 能卷取较大厚度范围的带材【”】，特别是厚带和合金钢带，以扩大品种； 4 ) 有较强的速控能力，能控制稳定的张力和卷取过程； 5 ) 能提供大张力实现低温卷取，得到较好的带钢质量和性能； 6 ) 要保证卷型良好，高速卷取时有良好的动平衡性； 7 ) 结构尽量简单，动作可靠，便于检修和维护。 1 3 2 卷取机现状 近年来研发的低温轧制技术的发展，和高附加值高强度的厚板钢的需求增多，对于整 个轧制线的设备要求都提升了。在实际生产中，某钢厂卷取机的卷取能力显得力不从心， 故障率也明显增高。 目前在实际生产中，卷取机通常存在以下几种问题。 1 ) 在卷入阶段，卷取机主传动系统受到巨大的冲击载荷： 2 ) 在卷取头部翘曲的厚板时常将夹送辊辊缝冲开，使速度不稳；进入助卷辊时也使 助卷辊被冲开，导致钢卷内圈不圆； 3 ) 卷取厚板时，卷筒二次膨胀不到位，造成钢卷内圈不紧； 4 ) 有时因卷取速度的改变而导致卷筒主电机跳闸； 5 ) 助卷辊斜槽发生断裂； 6 ) 目前低温高强钢正在试生产，卷取温度为2 0 0 4 0 0 时，所需的弯曲力和卷取力 矩增大，这对卷取机的卷取能力提出新要求； 7 ) 卷取机入口导板发生撕裂，导致卷取机不能正常工作。 其中卷取机入口导板发生撕裂是当前理论研究中经常被忽略的问题。入口导板在地下 卷取机的工作过程中起着导向保证卷取和保护其他设备的重要作用。现在由于大规格、高 附加值、高强度宽厚板生产需求的增多，入口导板的强度问题凸显出来。在某钢厂的实际 生产中，入口导板近年来发生撕裂的现象越来越多，影响了生产线的正常生产。 1 3 3 选题意义 热轧线地下卷取机入口导板长期在高温下接受热轧带钢的冲击载荷作用，工作环境比 第8 页武汉科技大学硕士毕业论文 较恶劣。最近几年科技飞速发展，在钢材需求量特别大的建筑、航空、船舶、输送管道等 行业，对钢材的机械性能有了更高的要求。对生产线各设备的生产能力有了更高的要求。 因此，有必要对地下卷取机入口导板的强度分析。 由图1 4 可看出，无论是何种卷取机，夹送辊和卷筒系统之间都有一段空白空间。如果 没有入口导板进行导向作用，带钢头部将在这个空间内以一定的卷取速度自由运动。也就 是说它很有可能不能顺利进入到卷筒周围进行卷取，而是冲击到地下卷取机的卷筒或助卷 辊、机架等其他部位。轻则影响正常生产，重则冲坏其他设备。 目前对于地下卷取机的研究主要集中在地下卷取机系统仿真研究，地下卷取机高速卷 取，最高转速确定，卷取机a j c 系统分析，地下卷取机主传动系统，控制系统，助卷辊， 夹送辊偏转角【5 - 1 s 等方向。对于地下卷取机入口导板的专项研究少有人涉及。但是在实际 生产中，入口导板在地下卷取机中是一个不可或缺的必要设备，是安全生产、顺利完成卷 取的保证。地下卷取机入口导板长期承受带钢头部的冲击载荷作用，工作环境比较恶劣， 加上超出设计强度、规格的高强度宽厚板的生产，入口导板的使用寿命越来越短。因此， 有必要对卷取机入口导板进行系统的分析。 地下卷取机的入口导板是指安装在夹送辊和卷筒之间，引导带钢进入1 号助卷辊的设 备。它是保证整个卷取工艺流程中的核心设备之一，直接影响着带钢的卷取正常进行。在 实际生产中，入口导板长期承受带钢头部的冲击，带钢的冲击载荷导致入口导板的撕裂故 障时有发生。由于他的位置特殊性拆卸安装多有不便，一旦发生故障，轻则费工费时，重 则影响正常生产。在实际工况中虽采用了一定的应急措施，但是随着低温高强度钢的需求 加大，对地下卷取机的各设备要求升级。因此一直存在的入口导板强度问题也成为了一个 亟待解决的问题。 当带钢头部通过偏置的夹送辊时，夹送辊会对带钢头部施加一定的轧制力，使带钢头 部向下弯曲。向下弯曲的带钢头部会以一定的卷取速度冲击到入口导板上，经入口导板导 向作用后，使带钢头部能顺利进入地下卷取机1 号助卷辊和卷筒之间的间隙，顺利开始卷 取，保证轧制线的正常生产。现在带钢产品种类很多，各种带钢的规格、强度、尺寸和轧 制温度存在一定的差异。这些都会影响带钢头部通过夹送辊轧制力作用时的弯曲程度，从 而影响到入口导板所受带钢头部冲击载荷的大小。如何确定冲击载荷的大小和作用点位置 成为一个难点。 1 4 本课题主要研究内容 1 ) 地下卷取机入口导板进行模型受力分析 由于带钢经过偏置夹送辊的轧制力作用后，带钢行进方向偏转角度在一定的范围内变 化，因此冲击载荷的大小和作用位置也在一定的范围内不断变化。根据地下卷取机各设备 位置关系进行建模分析。假设一定的理想条件，建立数学模型，通过数学分析找出最大冲 击载荷的作用位置。对入口导板施加最大冲击载荷，分析地下卷取机入口导板的受载情况。 2 ) 对入口导板进行有限元分析 武汉科技大学硕士毕业论文第9 页 在对入口导板进行受力分析的基础上，运用实体建模软件进行建模。并将模型导入有 限元分析软件。参考现场工况对模型加载，求解模型的应力分布。对计算结果进行分析， 找出薄弱环节，并对薄弱点进行强度校核和疲劳寿命估计。 3 ) 针对薄弱点提出改进方案 在有限元分析的基础上，针对薄弱位置提出改进方案。对改进方案进行有限元分析， 求解出改进后地下卷取机入口导板的应力分布情况。并根据有限元分析结果，对改进后的 入口导板进行疲劳寿命估计。 第1 0 页武汉科技大学硕士毕业论文 2 卷取机入口导板数学模型分析 卷取机入口导板位于夹送辊和助卷辊之间，主要起将经由夹送辊作用后弯曲的带钢头 部导入助卷辊和卷筒之间，使助卷辊顺利压紧带钢头部在卷筒周围，保证卷取质量。 由于生产需要，现在带钢品种需求多样化，强度等机械性能各异，导致带钢头部经由 夹送辊提供的夹送力作用后，带钢头部的弯曲程度在一定范围内变化，即与生产水平线的 夹角有变化。带钢头部经夹送辊作用后撞击在入口导板上的位置有一定的变化，即带钢头 部冲击载荷的作用位置也在一定的范围内变化。因此，需要针对卷取机各相关设备的位置 关系，进行模型简化，建立数学模型，找出最恶劣载荷位置。 2 1 数学模型的建立 由地下卷取机的工作过程分析可知，地下卷取机入口导板只在带钢头部进入地下卷取 机时承受带钢头部作用的冲击载荷。当带钢头部进入卷筒周围开始卷取时，入口导板在气 缸的作用下抬起，不再承受带钢的冲击。因此，模拟带钢头部进入地下卷取机的过程，找 出其中的关系建立数学模型。 2 1 1 冲击载荷表达式 地下卷取机主要设备位置如图2 1 所示。带钢头部经过夹送辊的夹送力作用后向下弯 曲，进入由入口导板、下导板形成的楔形间隙。带钢头部冲击到入口导板上后被顺利导入 1 号助卷辊与卷筒之间的间隙中，开始顺利卷取。现就卷取机各相关设备位置建立入口导 板最大冲击加载的数学模型。 如图2 1 所示，简化数学模型，进行以下假设： 4 1 ) 假设经由夹送辊作用后的带钢头部以速度矿冲击到入口导板上，c 点处。 _ 2 ) 假设y 与入口导板之间的夹角为9 。 3 ) 假设带钢头部与入口导板撞击后沿着入口导板方向向下运动。 带钢头部冲击入口导板情况如图2 1 所示。假设带钢头部以速度元冲击在入c i 导板c 点上。经入口导板作用后带钢头部以速度旷沿入口导板向下运动。 武汉科技大学硕士毕业论文第1 1 页 奄簿 图2 1 带钢头部冲击入口导板不意图 由以上假设可知，疙在入口导板法向的速度分量完全作用在入口导板上。即带钢头部 在入1 ：3 导板法向的动量分量完全由入口导板吸收。由于带钢卷取时的温度一般在4 0 0 0 c 以 上，带钢一般也有上百米。当带钢头部冲击力作用在地下卷取机入口导板上时，带钢在高 温下可能会存在一定的塑性应变导致带钢尾部质量在冲击载荷瞬间有可能作用不到入口 导板上。为了研究的准确性，根据实际情况插入修正系数后，并取后= 0 4 。根据动量定理， 带钢头部初始动量后研坑在入口导板法向的分量尼m 疙s i n 9 ，由入口导板提供的法 向冲量戽x t 抵消。由此建立平衡方程， k m x v o xs i n o = ex t ( 2 1 ) 那么， 尼= k x m v 广o s i n o ( 2 2 ) 由图2 2 可知， l c = 一厶 ( 2 3 ) = 厶x e o t o ( 2 4 ) 当地下卷取机各主要设备位置确定后，厶、厶的长度可以确定，因此由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得出， 口= l c = 厶x c o t o 一厶 ( 2 5 ) 第1 2 页武汉科技大学硕士毕业论文 由式( 2 2 ) 和式( 2 5 ) 可知，参数质量m ，初速度v o ，冲击载荷作用时间t ，位置参数厶和 厶都可以通过实际情况和现场测试进行确定。因此，可知和口都是关于冲击角度口的函 数。 2 1 1 最恶劣加载位置与冲击载荷作用点函数关系 由图2 1 可知，带钢头部冲击入口导板时，在入口导板的法向可以建立平衡方程。入 口导板主要受弯矩作用，根据入口导板的受力特点，可以简化成梁受力来进行分析。 令入口导板转动中心为a 点，垂直入口导板底面的力为只；令气缸作用力作用点为b 点，为垂直入口导板底面的力，大小为瓦；令冲击载荷作用点为c 点，冲击力在垂直入口 导板底面方向的分量为f c 。 1 当带钢头部冲击位置c 在a b 之间时，以a 点为原点，以a b 方向为正方向建立坐 标系，受力分析如图2 2a ) 所示。设l c = a ，那么可列出平衡方程： 对b 点力矩平衡， c x l a 矗+ 最( k a ) = 0 ( 2 6 ) 对a 点力矩平衡， 足口一尼l a b = 0 ( 2 7 ) 由平衡方程( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可得出， e ：一壁譬型； ( 2 8 ) 1 占 咒= 等 ( 2 9 ) 以a 点为原点，a b 向右方向为工正向，建立坐标轴如图2 2a ) 所示。对梁进行弯矩分 析。 如图2 2a ) 所示，集中力忍作用于c 点，梁在a c 和c b 两段内的弯矩不能用同一方 程来表示，应分段考虑。假设a c 段内距原点为工的任意截面。截面以左只有外力e 。按 照弯矩的计算方法和符号规则，求得这一截面上的c 和m 的表达式。 a c 段内的弯矩分析，在a c 段内截面以左只受外力c 的作用， 武汉科技大学硕士毕业论文第1 3 页 b ( x ) ：一! 圣二掣 ( o x 口)( 2 1 0 ) b m ( x ) ；一f c x ( - l s - 一a ) x ( o 工口) ( 2 12 ) o _ 口 c b 段内的弯矩分析，在c b 段内截面以左既有外力c 的作用，同时还受集中力尼的 作用。因此， m ( x ) ：一墅掣x + 疋( 工一口) ( 口石虬仙) ( 2 1 3 ) 口 由式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 画出梁的弯矩图，如图2 2c ) 所示。可求出梁的最大弯矩为 坂。：一f c x ( l a _ b - a 一) x a ，最大弯矩作用点在c 点。 上口 2 当带钢头部冲击位置c 在b 点后面时，受力分析如图2 2b ) 所示。设l c = 口，那 么可列出平衡方程： 对b 点力矩平衡， e x l a 丑= 疋( 口一占)( 2 1 4 ) 对a 点力矩平衡， 最口一最厶j = 0 ( 2 1 5 ) 由平衡方程( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) n 得出， 析。 e = ， - b 兀= 等 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 以a 点为原点，a b 向右方向为z 正向，建立坐标轴如图2 2 b ) 所示。对梁进行弯矩分 如图2 2b ) 所示，集中力疋作用于c 点，梁在a b 和b c 两段内的弯矩不能用同一方 程来表示，应分段考虑。假设a b 段内去距原点为x 的任意截面。截面以左只有外力c 。 按照弯矩的计算方法和符号规则，求得这一截面上的乓和膨的表达式。 第1 4 页武汉科技大学硕士毕业论文 i f b ia 1 ac b d x a ) 当c 点位于a b 之间的受力分析 磊 l 1 c b ) 当c 点位于a b 之外的受力分析 - ( k - a ) x a l a s c ) 当c 点位于a b 之间的弯矩图 f cx ( 怠- k ) i 一_ 一鳓 | v d ； ：一 ab x d ) 当c 点位于a b 之外的弯矩图 图2 2 简化梁模型受力分析和弯矩图 武汉科技大学硕士毕业论文第1 5 页 此， a b 段内弯矩分析，在a b 段内截面只受外力e 的作用，因此， b ( 功：e ：垦兰譬二丝( 0 s x l 詹) ( 2 1 8 ) 口 m ( x ) ：只工：互兰譬二丝x ( o s 石 l b ) ( 2 1 9 ) _ 0 b c 段内弯矩分析，在b c 段内截面以左既受外力只作用，同时还受外力兄作用，因 m ( x ) ：e 石一b o t 矗) ：互兰睾二丝x 一冬竺 一l 曰) o a bu b = 疋( a z )( l 占x a ) ( 2 2 0 ) 由式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 画出梁的弯矩图，如图2 2d ) 所示。可求出梁的最大弯矩 m 一= 疋( 口一l 口) ，最大弯矩作用点在b 点处。 综上所述，当带钢头部冲击点c 位于a b 段内时，最大弯矩作用点与c 点重合，最大 弯矩大小为m 一：一互兰些掣；当带钢头部冲击点c 位于a b 段外时，最大弯矩作 丑 用点在b 点处，最大弯矩大小为m 一= 疋( 口一l 占) ，即最大弯矩m 嘲与带钢头部冲击点 c 的函数关系如下， k ：一墅些d 塑( o 口 匕) 占 肘一= 疋( 口一l 占) ( l 占5 口匕) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 结合在最恶劣加载位置与冲击载荷作用点函数关系中关于最大弯矩m 一的分析，可得 出最大弯矩m 一关于冲击角度0 的函数关系。 当( o 口 丑) 时， m 一一塑业型k 等等幽幽 ：警( 厶c o t 9 一乙j 一厶) ( 厶c o s 口一厶s i n 乡) ( 2 2 3 ) o t 当( l j 口二肋) 时， 第1 6 页武汉科技大学硕士毕业论文 m 一= 生塑半( 厶c o t p 一厶一l 口) = 生兰兰1 2 厶c o s 口一( 厶+ 厶丑) s i n 曰】 2 2 求解数学模型 ( 2 2 4 ) 经过对于带钢头部冲击入e l 导板的过程模拟分析，建立了数学模型，并推导出了最大 弯矩肘一随冲击角度秒之间的函数关系。对入口导板进行受力分析可知，入口导板主要受 弯曲应力，因此最大弯矩m 一的作用就是最恶劣的载荷。带入实际参数，根据函数关系式 ( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 求出最恶劣的载荷作用位置和最大弯矩m 一的大小。 2 2 1 参数确定 根据图2 1 所示进行分析可知，卷取机各主要设备位置确定以后，各位置参数就可以 随之确定。用c a d 辅助设计软件，针对某钢厂的地下卷取机参数进行分析如图2 3 所示， 可得出 八、 y 图2 3 地下卷取机实际参数分析 当地下卷取机入口导板处于工作位置时，用c a d 辅助设计软件分析可知，厶= 5 3 5 8 5 武汉科技大学硕士毕业论文第1 7 页 m m ； 厶= 1 0 0 4 2 6m m ；l a 矗= 1 1 6 2 3m m ； 当c 点与a 点重合时，秒= 2 8 0 9 0 ； 当c 点与b 点重合时，秒= 1 3 8 9 0 ； 当作用点c 点在入口导板最末端时，p = 1 0 5 7 0 ； 因此，位置偏角秒的变化范围为，1 0 5 7 0 臼2 8 0 9 0 。 结合某钢厂地下卷取机现场实际工作情况，了解到一些现场工艺参数。 表2 1 卷取机能力参数表 最大卷重( 吨) 3 8 单位卷重( k m m ) 最大2 4 厚度( m m ) 1 2 2 5 4 宽度( m m ) 7 0 肌2 1 3 0 卷径( m m ) 1 0 0 0 - 2 1 5 0 最大内径( m m ) 7 6 0 机架开口度( m m ) 2 4 0 0 最大带钢速度( 州s ) 2 1 轧制节奏( s )平均9 0 秒 带钢温度( )最大7 3 0 v ，最小4 0 0 ( 6 m m 厚度以下带钢) 进行最恶加载分析，理论上应该取最大重量，最大速度进行分析。但是，在实际生产 中，厚板的穿带速度达不到最大带钢速度，穿带速度与最大带钢速度存在一定的此消彼长 的关系。对入口导板冲击最大的也不一定是单卷最重的带钢。因此，根据实际情况，选取 质量参数和速度。 结合某钢厂的生产实际情况得知，在生产管线钢x 8 0 时，带钢对入口导板的冲击比较 大，其具体工艺参数如表2 2 所示。 表2 2 管线钢x $ o 生产工艺参数 厚度宽度重量f 7 轧制速度卷取速度 1 8 4 m m 1 5 5 0 m m2 8 t 2 7 n 1 s3 n l s 因此，选取质量与速度参数如下： 朋= 2 8t ； 矿= 3 ，州s ； 冲击载荷作用时间t ，根据现场实际情况进行分析，取 t = 0 1 5s 。 2 2 2 模型求解 对式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 组成的数学模型进行分析。位置变化参数a 也是关于冲击角度0 的 第1 8 页武汉科技大学硕士毕业论文 因变量。 a = 厶c o t 0 一厶； 把位置参数变化转变为角度参数变化，并将各参数带入数学模型， 当1 0 5 7 0 0 1 3 8 9 0 时， m m l l x 一- 警 5 3 5 8 5 x 训一( 1 0 0 4 2 6 + 1 1 6 2 3 ) x s i n o ( 2 2 5 ) 当1 3 8 9 0 0 2 8 0 9 0 时， m 一= 篆慧等( 5 3 5 8 5 x c o t 0 - 1 1 6 2 3 - 1 0 0 4 2 6 ) ( 5 3 5 8 5 x c o s o - 1 0 0 4 2 6 x s i n o ) ( 2 2 6 ) 利用数学计算分析软件分别求解式( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) ，求得各区间m 一的最大值，并绘制 l m 。l 随冲击角度0 变化图如图2 4 所示。 图2 4 最大弯矩m 蛳变化图 当1 0 5 7 。口1 3 8 9 。时，m 一最大位置在口= 1 0 5 7 。时， 肘邮= 2 8 9 7 x 1 0 7 n m m 武汉科技大学硕士毕业论文 第1 9 页 由式( 2 2 ) 可求出， e ：0 4 x 2 8 x 1 0 3 x 3 x s i n 0 ：4 1 0 91 0 4n1x 1 ， = 一= q 。015 由式( 2 5 ) 可求出， a = l c = 5 3 5 8 5 x c o t 0 1 0 0 4 2 6 = 1 8 6 7 3m m 由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 口- j 求出， 只：一坚譬型_ 2 4 9 2 5 1 0 ； 1 j a b b = 譬= 6 6 0 1 5 1 0 4 n 口 当1 3 8 9 。0 2 8 0 9 。时，m 。最大位置在0 = 1 9 8 1 。时， m 。；= 2 4 9 1 2 x 1 0 m n m m 由式( 2 2 ) 可求出， e ：0 4 x 2 8 x 1 0 3 x 3 x s i n 0 ：一5 9 1 41 0 4n1x 1 ， = 一= 。015 由式( 2 5 ) 可求出， a = l c = 5 3 5 8 5 x o a t 0 1 0 0 4 2 6 = 4 8 3 3 1 m m 由式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 可求出 e ：一竖粤型：训3 4 8 1 0 n ； 工口 兄：f cx l a b ：3 1 5 6 6 1 0 4 n 口 2 3 本章小结 经上述过程建模分析可得出结论，如表2 3 所示。 表2 3 数学模型计算结果 护( 度)m 蝴( m m )c ( 柳兄( 忉疋( ) 1 0 5 7 4 1 0 9 x1 0 2 8 9 7 x 1 0 72 4 9 2 5 1 0 4 6 6 0 1 5 x 1 0 4 1 9 8 l 2 4 9 1 2x1 0 1 0- 4 4 3 4 8 x 1 0 43 1 5 6 6 x 1 0 47 5 9 1 4 x1 0 4 第2 0 页 武汉科技大学硕士毕业论文 由表2 3 比较可知，当带钢头部冲击角度0 = 1 9 8 1 。时，冲击载荷所作用的弯矩最大， m 一= 2 4 9 1 2 x 1 0 1 0 n m m ，此时冲击力疋为7 5 9 1 4 x 1 0 4 ，e 为4 4 3 4 8 1 0 4n ，兄为 3 1 5 6 6 x1 0 4n ，作用位置为距a 点4 8 3 3 1m m 处。因此，后续分析都采用这个最大冲击 载荷为标准来进行强度分析。 本章所作的主要工作是根据地下卷取的结构结合实际情况，进行受力分析，建立地下 卷取机入口导板在受冲击载荷时的数学模型。通过数学模型求出最大载荷位置及最大弯 矩，为后面的分析提供理论依据。 武汉科技大学硕士毕业论文第2 l 页 3 卷取机入口导板模型强度分析 地下卷取机入口导板的强度问题，目前少有人涉及。一般在工程技术领域中的强度分 析问题都可以用数学物理方程来描述。这些数学物理方程往往以偏微分方程的形式出现。 因此，能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，而且几何形状相当规则的 问题。对于大多存在复杂边界条件、结构或非线性问题等的工程问题，求解它的数学物理 方程相当困难。对于这类问题，在工程技术领域通常采用两种方法：简化假设法。将工程 问题的数学物理模型通过各种简化、假设，使其转化成为能够在简化条件下求解的问题。 这种方法往往由于简化和假设条件过多，而导致求解的结果失真甚至错误。另一种是数值 分析法。数值分析法是借助飞速发展的计算机技术，利用数值分析的工具来求解复杂工程 问题，获得问题高仿真的近似解方法。 目前在工程技术领域出现的数值分析方法主要有三种：有限元法【2 孓3 1 】、边界元法、有 限差分法。在工程应用实际中，有限元法以其独特的优势在工程技术领域被广泛应用。有 限元法与电子计算机结合，将整体函数用分段函数来表示以适用各种复杂边界条件，从而 求得数学物理方程的高仿真近似解。因此，本文采用有限元方法来对地下卷取机入口导板 进行强度分析。 3 1 有限元方法简介 有限元法也称为有限单元法【2 3 - 2 6 l ( f “t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，是随着电子计算机的 使用而发展起来的一种求解偏微分方程的数值计算方法，近似求解一般连续场问题的数值 方法。有限元法的核心思想就是以整化零，由简代繁。它将一个复杂的问题分解成为很多 个有限单元问题的集合。这些有限单元的问题一般都很简单，通过对这些简单小问题的推 导求解转换从而求解出复杂大问题的高仿真解。电子计算机的飞速发展有力的支撑了这一 将一个复杂问题化为数量庞大的简单小问题的方法。 用有限元方法求解工程问题大致可以分为三个主要步骤：有限元建模、有限元求解、 计算结果分析与整理。对应有限元软件，从程序上可分为：前处理、求解器、后处理三个 部分，如图3 1 所示。有限元分析前处理也称为有限元建模，主要包括建立几何模型；定 义材料参数、载荷、约束条件；网格划分；图形显示几部分。其中几何模型的建立可以采 用在有限元软件中直接建模，或用c a 辅助设计软件建模后导入有限元分析软件。图形 显示主要是在建模、参数定义、载荷和边界条件定义好后，用可视化的方法来直观的检查 所建立的有限元模型是否符合预期要求。有限元前处理主要用来提供有限元分析所需的有 限元计算数据。求解器是有限元程序的核心。它主要根据前处理提供的计算数据进行有限 元模型的力学计算。有限元程序后处理包括结果分析、结果图形显示、结果打印。后处理 第2 2 页武汉科技大学硕士毕业论文 主要用于计算者进行结果分析，检验计算结果是否与实际情况相符、数据筛选和计算结果、 图形等的输出。 3 2 卷取机入口导板的有限元分析 工程科技人员将有限元理论、数值计算技术、计算机辅助设计技术结合起来，开发了 一批强大、通用、便捷的有限元软件。其中较大型的有限元工程通用软件有a n s y s 、s a p 、 a d l n a 、a l g o r 、n a s t r a n 、a b a q u s 、c o s m o s 、m a r c 等。 3 2 1 建立入口导板有限元模型 建立有限元模型主要包含定义单元类型、实常数、材料属性，建立模型和网格划分等 内容。 1 定义单元类型 单元的选择十分重要，选择的好坏直接关系到分析的效率和精度。有限元单元种类丰 富，光在有限元软件中涉及的单元就有几百种。每一种单元类型在节点数、单元形状或适 用范围等各方面存在这一定的差异。按功能来分主要