张凯
太原钢铁（集团）有限公司 太原市 邮编030000
摘要：国内某轧钢厂的粗轧机是原苏联产老式二辊往复式宽展轧机，近年来因工作辊扁头设计不合理、生产强度大及安全系数不足等原因造成扁头局部应力过大引起断裂现象。扁头频繁断裂不仅造成轧辊采购、使用成本居高不下，而且严重影响了现场的正常生产。为从根本上解决此问题，本文重点从轧辊的设计参数进行分析，并利用有限元分析后予以改进。
关键词：轧辊 扁头 有限元分析
引言：
国内某轧钢厂的粗轧机是原苏联产老式二辊往复式宽展轧机，于1966年投产使用，主要用途是使加热到预定温度的钢坯通过横纵往复轧制成设定的厚度，再由辊道送往万能轧机。配套的轧辊自建厂以来从未更改、一直沿用至今，但是在现在多品种、多规格、高强度生产局面下常因工作辊扁头设计不合理及安全系数不足造成扁头局部应力过大多次出现轧辊扁头断裂情况。
1．项目背景
该轧机的设计轧制坯料为80mm-230mm，轧制速度为1.5m/s，最大轧制力为2650T。该轧机生产环境较为恶劣，负荷大，生产节奏快，是该厂生产线上的重要设备之一。原设计轧辊参数：直径φl100mm，轧辊材质：60CrMnMo，承受最大扭矩为1250KNM。由于断裂部位均为扁头处断裂，且断裂部位多源自扁头内侧。
经过计算，将具体参数进行改进，具体如图1、图2所示：
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图1将扁头内侧圆角R10改为R30 图2 将R60圆角改为R100圆角
下面将对改进前后模型分别进行有限元分析：
2有限元分析
2.1改进前有限元分析：
建立模型：单个扁头所受扭矩为 1250KNm的一半。据工作辊的结构及载荷特点（对模型进行必要的简化），取扁头附近结构进行有限元分析，模型包括扁头和上、下铜垫瓦，
边界条件：根据扁头结构及载荷特点， 取整个扁头模型进行分析， 计算过程中对计算模型进行了一定的简化，网格划分采用实体标准网格，并在关心的区域进行了细化设定。划分单元时，共得到348456个节点， 244750个单元，网格划分模型如图3所示。此模型为多体接触的非线性分析模型。
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图3 网格划分模型
边界约束和施加载荷：在扁头与垫瓦之间建立面接触，上、下垫瓦的上、下面施加固定约束， 扁头两端各施加1250KNm最大载荷的一半扭矩。
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图4边界约束和施加载荷
计算分析：图5为扁头的 von-mises 应力分布云图，扁头凹槽的根部 R10mm圆弧上应力较高，最大应力达到580.6MPa，为局部应力集中； R60mm圆弧上应力较高， 最大应力达到516.8MPa， 为局部应力集中， 其余区域的应力均小于400MPa。
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图5 改进前扁头的 von-mises 应力分布云图
工作辊的材质为60CrMnMo， 屈服极限为σs=650~800MPa， 扁头的安全系数为Ns=650/580.6 ≈1.12。
2.2改进后的有限元分析：
对改进后模型进行同上简化，网格划分采用实体标准网格，并在关心的区域进行了细化设定。划分单元时，共得到352782个节点， 249371个单元，实施边界条件和同样的载荷加载后，进行计算分析。
图 6 为扁头的 von-mises 应力分布云图， 扁头R100mm圆弧上应力较高， 最大应力达到521.0MPa， 为局部应力集中， 扁头凹槽的根部圆弧由R30圆弧上应力较高，最大应力达到495MPa，为局部应力集中，其余区域的应力均小于400MPa。
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图6 改进后扁头的 von-mises 应力分布云图
改进后工作辊扁头的安全系数为Ns=650/521 ≈1.31。
3.结论：
扁头与辊径过渡处圆弧由R60mm改为R100mm后，局部最大应力由516Mpa变为521.0MPa，基本不变，而扁头凹槽处的根部圆弧R10mm改为R30mm后，局部最大应力由580.6Mpa降为521.0Mpa。总体安全系数由1.12提高至1.31，尺寸更改后的扁头安全系数较更改之前增加了17%，大大改善了扁头的受力情况，保证了轧辊的使用寿命。
参考文献
［1］王新荣，陈永波。《有限元法基础及ANSYS应用》.科学出版社
［2］康红梅.《ANSYS实验2：梁结构静力有限元分析》.