六辊轧机刚度特性有限元_杜凤山

1、第17卷第3期2010年6月塑性工程学报J OU RNAL O F PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol 117No 13J un 12010doi :1013969/j 1issn 1100722012120101031029六辊轧机刚度特性有限元3(11燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004杜凤山1,2张尚斌1黄华贵1(21燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,秦皇岛066004王贵国1任新意1摘要:板带轧机的横向刚度和纵向刚度对于板形、板厚控制十分重要,研究不同状态下的刚度变化规律对提高板形、板厚综合控制的精度具有重要意义。在三维弹塑性有限元模型的基础上

2、,基于某厂1420末机架六辊CVC 轧机实际参数,建立了板带轧制整体有限元模型。利用该模型研究板宽、窜辊、辊径和弯辊力的变化对轧机横向刚度的影响,以及中间辊的窜辊量变化对轧机纵向刚度的影响,为轧机的板形、板厚控制量的调整,提供了参考依据,也为板带轧制过程中板形、板厚在线设定,以及控制模型的研究和优化,提供了理论基础。关键词:六辊轧机;有限元法;横向刚度;纵向刚度中图分类号:T G335158文献标识码:A 文章编号:100722012(20100320148205Finite element study of the rigidity characteristics of a six 2hig

3、h millDU Feng 2shan 1,2ZHAN G Shang 2bin 1HUAN G Hua 2gui 1Wang Gui 2guo 1REN Xin 2yi 1(11Mechanical Department of Yanshan University ,Qinhuangdao 066004China (21Yanshan University Metastable Materials Science &Technology State Key Laboratory ,Qinhuangdao 066004China Abstract :The vertical and t

4、ransverse rigidity of the strip mill are important to the gauge and shape control of the rolled strip.The 32D finite element whole model of six 2high mill was established based on the practical parameters of 1420at the final stand.The effects of strip width ,roll shifting ,roll diameter and bending

5、force on the transverse rigidity of the six 2high mill were studied.The effect of roll shifting of the middle roll on the vertical rigidity was also calculated.The results provide reference for regulating con 2trol value of strip gauge and strip shape ,and also provide theoretical basis for online s

6、etting of strip gauge and strip shape.K ey w ords :six 2high mill ;finite element ;transverse rigidity ;vertical rigidity3国家自然科学基金重点资助项目(50534020;国家支撑计划资助项目(2007BAF02B12;河北省自然科学基金资助项目(E2009000418;教育部博士点基金资助项目(20060216001。杜凤山E 2mail :f sdu ysu 1edu 1cn作者简介:杜凤山,男,1960年生,博士生导师收稿日期:2009211216;修订日期:20092

7、11227引言随着现代板材加工工业向高度自动化方向发展,以及冷轧板带材的使用范围日益广泛,用户对冷轧板材的几何形状和尺寸精度的要求越来越高,从而促进了科研工作者对板形、板厚影响因素的深入研究1。对于普通的四辊轧机,当轧机的结构一定时,轧机的横向刚度和纵向刚度基本上保持不变2。但是在六辊轧机上,为了消除有害接触以实现对板形的有效控制,采用的工作辊和中间辊的轴向移动和弯辊控制会改变轧机的横向和纵向刚度3,而这一问题对于六辊轧机的板形、板厚控制十分重要。但目前对六辊轧机刚度特性分析的研究比较少,且主要依靠压靠法和轧制法等实验手段。本文在现有的对六辊轧机刚度特性研究的基础上,利用三维弹塑性有限元法4,

8、在考虑机架和轴承座的弹性变形的条件下,建立了包含机架、辊系和板带的板带轧制过程整体有限元分析模型。研究板宽、窜辊、辊径和弯辊力的变化对轧机横向刚度的影响,以及中间辊的窜辊量变化对轧机纵向刚度的影响,为轧机的板形、板厚控制量的调整提供参考依据。1综合分析模型的建立在三维弹塑性有限元模型的基础上,建立包含机架、辊系和板带的板带轧制过程整体有限元仿真模型。在板带和工作辊之间附加一层摩擦元,以处理板带与轧辊的接触关系。模型中轧辊、轴承座和机架为弹性体,轧件为弹塑性体。整体有限元模型如图1所示。机架、辊系和板带的物理参数如表1所示,模型的基本几何参数如表2所示 。图1六辊轧机三维有限元整体模型Fig 1

9、1The 3D finite element whole model of 62roll mill表1物理性能Tab 11Physical properties参数数值机架和辊系弹性模量/MPa2115×105泊松比0.3密度/kg/m 37.85×103带钢弹性模量/MPa211×105泊松比0.3密度/kg/m 37.85×103变形抗力,/MPa=629+5220176表2模型的几何参数/mmTab 12Parameters of the model in mm参数数值支承辊轧辊直径1200辊身长度1350辊径直径600轴承间距2150中间辊轧辊直

10、径550辊身长度1510辊径直径280轴承间距2230横移量-80+80工作辊轧辊直径400辊身长度1350辊径直径240轴承间距2230带钢入口厚度0.802该模型具有位移加载、力加载两种加载方式,可以用来实现定辊缝和定轧制力两种轧制情况下的仿真。轧制压下,通过调整压下螺丝长度,施加y 向的位移实现;定轧制力轧制,通过机架和轴承座上对应的压下螺丝位置,施加相应的轧制力实现。工作辊依靠粘贴在端部的刚性面带动旋转,在摩擦力的作用下带动中间辊和支承辊旋转。为便于板带的咬入,在轧件靠尾部的刚性面,以略小于轧辊线速度的速度向前推进,以实现板带咬入。在带钢咬入后,刚性面与带钢分离,带钢在摩擦层单元的带动

11、下完成轧制过程。为提高计算精度以及减小计算费用,在板带轧制仿真过程中,仅对轧辊的接触区域以及工作辊与带钢之间的可能接触区域网格进行细化,模型选用8节点六面体等参单元。利用该模型,可以得到轧制过程的力能参数,以及辊系、机架、板带在轧制过程的各种位移、应力应变结果和分布规律。2轧机横向刚度特性分析211横向刚度特性在轧制压力的作用下,轧辊将产生弯曲变形,呈凹形(假设轧辊为平辊。由于轧辊的弯曲变形,沿带钢宽度方向的厚度会出现不均,即出现横向厚差。轧机抵抗横向弹性变形的能力称为轧机的横向刚度,轧辊的横向刚度一般用横向刚度系数K S 表示,即K S =P(1式中P 轧制压力的波动值板凸度的波动值一般情况

12、下,轧制力P 与板凸度的关系比较复杂,凡是对工作辊变形产生影响的因素,如轧件宽度、张力分布、轧辊直径、辊凸度等均对其产生影响。但当其他条件均不变,且轧制力在正常的工作范围之内波动时,则可以近似地认为轧制力P 与之间的关系为线性,因此,可以近似地将式(1改写成差分形式,即K S =P 1-P 21-2(2式中P 1,P 2分别为在工作范围内的轧制力1,2与轧制力P 1,P 2相对应的板凸度轧机的横向刚度系数K S 反映了轧机承载辊缝凸度抵抗轧制力波动而保持不变的能力,K S 越大,承载辊缝越稳定,对轧制过程的板形控制也越有利。212不同参数变化对横向刚度的影响21211板宽变化对横向刚度的影响在

13、其他条件不变的情况下,根据板带宽度在实941第3期杜凤山等:六辊轧机刚度特性有限元际工艺能力范围内,对板宽分别取760mm 、810mm 、860mm 、910mm 、960mm 、1010mm 、1060mm 、1110mm 和1160mm 进行建模,利用所建六辊轧机整体有限元模型进行分析,通过仿真计算得到不同板宽情况下的横向刚度值,并得到板宽变化对轧机横向刚度的影响规律。不同板宽情况下的轧机横向刚度特性如图2所示 。图2板宽变化对横向刚度的影响Fig 12The effects of plate width on transverse rigidity由图2可知,板宽760mm 时横向刚度

14、为4371t/mm ,板宽960mm 时横向刚度为5746t/mm ,板宽1160mm 时横向刚度为10027t/mm 。横向刚度系数随着板宽的增加而不断增大,其关系近似于二次曲线。这说明在板宽变化范围内,板带的宽度值越大,轧制力对板带凸度的影响越不明显,因此单位凸度所需的轧制力越大。21212中间辊窜辊量变化对横向刚度的影响在其他条件不变的情况下,在该六辊轧机中间辊窜辊量变化范围内,分别取0mm 、10mm 、20mm 、30mm 、40mm 、50mm 、60mm 、70mm 和80mm 进行建模,利用所建六辊轧机整体有限元模型进行分析,通过仿真计算,得到不同窜辊量情况下的横向刚度值,并得

15、到窜辊量变化对轧机横向刚度的影响规律。不同窜辊量情况下的轧机横向刚度特性如图3所示。图3窜辊量变化对横向刚度的影响Fig 13The effects of plate width on transverse rigidity由图3可知,窜辊量从0mm 变化到80mm 时,横向刚度对应着从5746t/mm 增加到9226t/mm 。横向刚度系数随着窜辊量的增加而不断增大,其关系近似于二次曲线,且窜辊量越大,横向刚度增加幅度越大。21213辊径变化对横向刚度的影响为考虑辊径变化对六辊轧机横向刚度的影响,在其他条件不变的情况下,在该六辊轧机辊径变化范围内,把工作辊、中间辊和支撑辊分别取5个不同的辊径

16、进行建模,利用所建六辊轧机整体有限元模型进行分析,通过仿真计算,得到不同辊径情况下的横向刚度值,并得到辊径变化对轧机横向刚度的影响规律。不同辊径情况下的轧机横向刚度特性如图4所示 。图4辊径变化对横向刚度的影响a 工作辊;b 中间辊;c 支撑辊Fig 14The effects of roll diameter on transverse rigidity由图4可知,无论是工作辊辊径、中间辊辊径,还是支撑辊辊径,随着辊径的增加,轧机的横向刚度都呈现近似线性的增加。工作辊辊径从380mm 增加到420mm 时,对应轧机横向刚度从5111t/mm 增加到7194t/mm ;中间辊辊径从540mm

17、增加到051塑性工程学报第17卷550mm时,对应轧机的横向刚度从5586t/mm增加到5746t/mm;支撑辊辊径从1150mm增加到1250mm时,对应轧机的横向刚度从5075t/mm增加到6423t/mm。辊径增加单位毫米使轧机横向刚度改变最大的是工作辊,由此得到工作辊辊径变化,对轧机横向刚度的影响最大。这一结论符合轧辊直径增大,轧辊弯曲变形刚度增大,从而使轧机横向刚度增大的规律。同时也说明,轧辊直径越大,轧辊的横向刚度越大,随着板带轧制生产的进行,磨辊会使整个轧机的横向刚度发生变化。因此,设定板形参数应该考虑辊径变化因素的影响。21214弯辊力变化对横向刚度的影响弯辊力横向刚度是指在其

18、他工况条件不变的情况下,带钢凸度发生单位变化所需要调节的弯辊力值,用弯辊力横向刚度系数K W表示,即K W=W1-W21-2(3式中W1,W2在工作辊范围内的两个弯辊力1,2与弯辊力W1,W2相对应的板凸度弯辊力的作用效果与轧制力的作用相反,施加正弯辊力可以减少板带凸度。因此,弯辊力横向刚度系数的值越大,表示弯辊力对凸度的调节能力越强。不同中间辊横移量的情况下,中间辊弯辊力横向刚度系数K W1和工作辊弯辊力横向刚度系数K W2的变化情况如图5所示。图5弯辊力横向刚度特性曲线a中间辊;b工作辊Fig15The characteristic curve of transverserigidity

19、of bending force图5分别给出中间辊弯辊力横向刚度和工作辊弯辊力横向刚度随中间辊窜辊量变化情况。由图5a 可知,随着中间辊横移量增大,工作辊弯辊力横向刚度和中间辊弯辊力横向刚度都随之增加,且工作辊端部与中间辊端部越接近时,弯辊的影响也越明显。由此验证了,联合使用中间辊横移和加大弯辊力可以明显增大凸度控制能力的结论。由图5a还可知,在同一中间辊横移量的情况下,工作辊弯辊横向刚度值大于中间辊弯辊横向刚度,这说明工作辊弯辊对板带凸度的调节能力大于中间辊弯辊。3轧机纵向刚度特性分析轧机的弹性变形是辊系的弹性变形和机架(包括轴承的弹性变形之和,如果设轧辊及机架的纵向刚度系数分别为K1和K2

20、,则轧机的纵向刚度系数K 为1K=1K1+1K2(4当机架的结构一定时,K2为常数。此时的轧机刚度系数K的变化就只取决于轧辊辊系刚度系数K1。不同中间辊横移情况下的辊系刚度有所不同,因此轧机总的纵向刚度值也会受到影响。为研究窜辊量对轧机纵向刚度的影响,应用所建有限元模型,在不同窜辊量的情况下对轧机的纵向刚度进行研究。在1420末机架六辊轧机中间辊窜辊量变化范围内,中间辊横移量分别取0mm、20mm、40mm、60mm、80mm进行仿真计算,得到不同窜辊量下轧机的纵向刚度,如图6所示 。图6轧机纵向刚度变化图Fig16The change of rolling mills toughness由图

21、6可以看出,在中间辊横移的过程中,轧机的纵向刚度随中间辊的横移量的增大而减小,且呈现较好的线性关系。窜辊导致辊间接触状态、压力分布及辊间弹性压扁的随之变化,使辊系的弹性弯曲挠度发生变化。这也是中间辊横移影响轧机纵向刚度的原因。151第3期杜凤山等:六辊轧机刚度特性有限元4结果验证以某厂1420五机架冷连轧的末机架六辊轧机为例,调用本文所计算的弯辊力横向刚度和轧制力横向刚度计算出口板凸度与实际检测结果比较。轧机基本参数见表2。所轧带钢为Q235钢板,宽度为113m,轧制速度为25m/s,前张力为86168M Pa,后张力为76152M Pa,来料厚度为017793mm,出口厚度为01735mm。

22、结果如表3所示。表3六辊轧机板凸度结果比较Tab13Comparison of actual values withcalculated in62roll mill弯辊力/ MN 轧制力/MN实际凸度/m计算凸度/m相对误差/%0.1 1.98-7.8-7.27.700.2 1.98-10.3-9.57.800.3 1.98-11.2-11.9 6.250.4 1.98-13.4-14.2 5.900.5 1.98-15.7-16.5 5.10通过对某厂1420五机架末机架5的分析,当弯辊力分别取011MN,012MN,013MN,014MN, 015MN,轧制力取1198MN时,对板凸度计算值和现场检测结果比较,计算结果的相对误差在8%以内,表明本文计算的弯辊力和轧制力的横向刚度真实有效。此计算结果已在某厂1100双机架冷连轧可逆