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顶磨式轧辊磨床顶尖接触分析及优化

作者:2016-08-09 10:55文章来源:未知

  1 引言

  从近几年的市场需求看,进口大型轧辊磨床的价格要高出国产磨床的(3~6)倍。随着钢铁、船舶、航天等工业的发展,国内对重载高精度数控轧辊磨床的研究受到了各轧辊磨床生产厂家的重视,都先后投入到了重型轧辊磨床的研发中。轧辊磨床的磨削方式可分为托架支承磨削和顶尖支承磨削两种,简称托磨和顶磨。顶磨式轧辊磨床因其高效而受到轧辊生产厂家的青睐,但随着百吨级重量、微米级精度轧辊成为生产的需要,对机床结构的强度、刚度和稳定性也有了更严格的要求。

  在国外,利用CAD 及CAE 软件,直观高效设计出具有工程特性的三维功能模型,可以实现真正的虚拟设计和优化设计。大幅度提升设计效率,快速响应市场需求,满足市场和用户需求的新型产品。在进行新机器的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,其余的这可继承以往的信息,使设计效率提高了(3~5)倍。借助CAE 分析软件,完成新型机器投产前的仿真及优化,及时发现并改进产品的不足之处,从而在开发期间减少样机制造成本。贵州险峰机床厂作为国内为数不多研发重型高精度数控轧辊磨床厂家之一,根据多年经验,在现有的托磨机床结构基础上进行重型轧辊顶磨机床的研发,这样可以大大地降低研发的成本和周期。有限元法是目前广为采用的复杂零部件、机床床身、箱体结构、主轴系统等应力、应变、变形等的预测方法,分析结果可为磨床投产前的结构设计和优化提供参考指导。

  在重型数控轧辊磨床顶磨机床中,顶尖直接承受轧辊重力,是整个机床中受力和变形最大的部件。以险峰机床厂正研发的某型号顶磨机床顶尖为研究对象,如 所示,运用有限元仿真接触分析研究在104t 轧辊旋转作用下顶尖的受力状态以及锥面接触应力情况,并分析其薄弱环节,为顶尖的改进提供新的思路。

  2 建立接触分析模型

  ABAQUS 被称为“国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件”。顶尖与轧辊顶尖孔的接触问题是一种典型的边界条件非线性问题,接触区域大小和相互位置以及接触状态事先都是未知的,而是随时间变化、在计算过程中确定的,同时还需考虑接触面间的摩擦行为。

  2.1 网格模型及赋予材料

  顶尖与顶尖支体通过过盈配合联接,顶尖支体与固定主轴通过双列圆柱滚子轴承联接。在轧辊磨削加工中,由头尾架两相同顶尖支承轧辊重量,顶尖随着轧辊同步旋转,载荷及边界都关于轧辊中心面对称,为节省计算时间取一半为分析模型。

  轧辊总长度为“l”=4000mm,辊面直径d1=2000mm,总质量m=104t;顶尖直径d2=125mm,顶尖角α=90°。各部件材料属性,如 所示。

  六面体网格单元具有网格质量好、同部件所需网格数量更少、计算结果精度高和易收敛等优点。利用ABAQUS 的剖分功能对将部件剖为可以利用扫掠技术划分网格的区域,为部件划分六面体单元。在顶尖砂轮越程槽的位置,结构有突变,需对其划分更精细的网格。

  2.2 接触关系

  顶尖的锥面与顶尖孔完全配合,在两个锥面上划分完全相同的单元网格,令其结点可以一一对应,接触力可以得到精确的传递而得到准确的分析结果。

  法向行为采用ABAQUS 默认的“硬”接触,允许接触后分离,其含义为:接触面之间能够传递的接触压力大小不受限制;当接触压力变为零或负值时,两个接触面分离,并且去掉相应结点上的接触约束。切向行为在接触面间添加摩擦因数为0.1 的罚摩擦行为。如 所示。ABAQUS/Standard 中,在粘结(sticking)和滑移(slipping)两种状态之间的不连续性会导致收敛困难,使用一个允许“弹性滑移”的罚摩擦公式,即粘结的接触表面之间可以发生微小的相对运动,软件自动选择罚刚度( 中斜线斜率),这样便很好地解决了摩擦模型收敛难的问题。

  2.3 边界条件及载荷

  工厂磨削轧辊时,在头架拨盘的带动下,轧辊自身旋转速度为10r/min。创建一“动力,隐式”分析步,为轧辊和顶尖支体施加绕中心线的旋转约束,角速度ω=1.04667rad/s(10r/min),时间长度为6s(轧辊旋转一周时间)。目的是为了仿真分析顶尖在旋转工作状态下的受力情况。工况下,顶尖主要载荷来源于轧辊重力,为轧辊添加竖直向下的重力加速度,施加重力载荷。

  3 有限元分析结果

  3.1 应力分布情况

  应力是判断顶尖强度的重要标准。轧辊未转动时,顶尖的应力分布,如 所示。

  由云图可知,顶尖的最大综合应力Mises=530.4MPa,是压应力,位于砂轮越程槽内,节点编号963,根据第四强度理论判断,最大应力小于屈服强度750MPa,强度足够。从整体来看,应力分布不均匀,主要集中在砂轮越程槽,这种应力集中问题需要改善。

  以越程槽内结点963 为研究对象,导出其旋转一周的轴向应力,如 所示。

  拉应力为正,压应力为负,由图可以看出,顶尖在工况情况下,应力随时间呈正弦关系循环,交替承受拉应力和压应力,即交变应力。这可能导致顶尖因疲劳失效而破坏。

  3.2 变形情况

  刚度,是在外载作用下顶尖抵抗变形的能力。在轧辊重力下,顶尖头部会有向下弯曲的趋势,顶尖中心线的变形曲线,如 所示。顶尖总长度405mm,顶尖头部悬出顶尖支体长度为146mm。由 能够看出,顶尖尖端变形最大,约为0.162mm。曲线显示,顶尖头部悬出部分偏离原始中心线较大,这会导致顶尖偏心旋转,回转精度降低,产生振动,影响轧辊表面的磨削精度,因此需要增加顶尖刚度来减小变形。

  4 顶尖形状优化

  4.1 薄弱环节分析

  从应力分析结果来看,由于砂轮越程槽的存在,导致应力集中,又因为顶尖工作中承受的是较大交变载荷,增加了顶尖因疲劳破坏而断裂的风险。因此,有必要对越程槽进行进行结构改进,以降低应力集中,改善应力分布,从而提高疲劳寿命,减小疲劳断裂风险。从顶尖变形曲线来看,顶尖头部变形量较大,影响与顶尖孔的配合关系及自身的旋转精度,导致轧辊的磨削精度降低。因此,需优化顶尖结构,增加顶尖刚度,减小其变形量。

  4.2 优化设置

  优化目标:最大化顶尖刚度,使中心线最大变形量U<0.1mm。设计变量:(1)砂轮越程槽处圆角半径大小R;(2)顶尖直径大小D;(3)顶尖头部悬臂长度减小量ΔL。约束条件:①圆角半径R≤10mm;②顶尖直径D≤150mm;③悬臂长度减小量ΔL≤40mm。优化方法:以原始有限元模型为参照,以一定增量Δ 修改约束条件参数来重建有限元模型,通过重复“修改约束条件→重建有限元模型→查看结果是否满足目标”过程,直到满足优化目标为止,最终得到近似最优解。

  4.3 优化结果

  通过优化得到最后的约束参数值是砂轮越程槽处圆角R=8mm;顶尖直径比原始增加了20mm,D=145mm;头部悬臂长度比原始减少了40mm,即ΔL=40mm。优化前后的顶尖结构,如所示。在结果后处理中可以发现,优化后的顶尖最大综合应力Mises 为441.2MPa,比优化前降低了89.3MPa,位于顶尖与顶尖支体配合边界上。从整体应力分布来看,圆角及相邻区域应力较大,分布均匀合理,改进后的结构有效地改善了因越程槽带来的应力集中问题。优化后顶尖刚度得到了较大的提升,如 所示。

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