液压管材矫直机机架工作状态有限元研究

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1、中国冶金装备网—中国冶金人的网15-70mm液压管材矫直机机架工作状态有限元研究摘要15-70mm液压管材矫直机为十二辊矫直机，采用有限元方法分析矫直过程中机架受力变形情况。研究建立了矫直机机架的三维模型，用最大理论矫直力作为工作载荷，对机架的形变进行有限元仿真分析研究。得出了机架的各单元、节点的变形值及应力值，找到了机架的应力和位移分布规律，并据此提出了机架的改进措施，为保证矫直精度打下基础。关键词液压矫直机机架三维建模有限元Finite-elementResearchoftheFramefor15-70mmHydraulicPipeStraighteningMachin

2、eZhangBaisenWangChangzhouSongJinchun(SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity)ABSTRACT15-70mmhydraulicpipestraighteningmachineisof12rollersdrivenbyhydrauliccylinders.Inthispaper,thedeformationoftheframewasanalyzedwithfinite-elementmethod.The3Dmodeloftheframewasestabl

3、ished;andtheworkingloadwasutilized.Throughthesimulationresearch,thestressdistributionconditionoftheframewasacquired,andimprovementmethodwasproposed.KEYWORDSHydraulicStraighteningMachineFrame3DModelingFinite-elementMethod1引言矫直是管材精整过程中的重要工序。矫直过程就是对经过轧制、焊接和热处理后的钢管，消除沿轴线的弯曲和横截面椭圆度缺陷的过程。斜辊矫直机是管

4、材矫直的主要设备[1]。矫直机的精度受到多种因素的影响，其中矫直机机架的形变影响是主要因素之一[2,3]。本文的研究对象是一种液压驱动的十二辊管材矫直机，矫直的管材的直径范围是15至70mm。该矫直机的6个压下辊和2个支承辊均为液压油缸驱动。液压系统的主要特点是功率重量比大、控制精度高等。而液压缸的大输出力也会对矫直机机架造成一定的影响，进而影响矫直机的矫直精度。2工作特点15-70液压矫直机的主要组成包括：上料装置、矫直机主机、矫直机出料装置、液压控制系统、电气控制系统及出料台架等。该矫直机与传统矫直机的主要区别在于采用采用液压缸替代电动机作为工作辊的驱动装置，并采用电液

5、比例控制系统实现工作辊工作位置的精确控制，进而实现对辊缝的精确控制。该种设计在国内处于领先地位。液压系统具有系统刚度大、频率响应高等特点，同时液压缸的大输出力对矫直机机架的影响也比较突出。为了较为精确的对15-70十二辊矫直机进行工作状态的研究，需要对矫直机建立整机三维实体模型。本文采用Solidworks三维建模软件，建立了15-70液压管材矫直机的三维模型如图1所示。中国冶金装备网—中国冶金人的网图115-70管材矫直机三维实体模型3模型前处理根据机架的安装情况及矫直过程中的受力情况，设置机架底面靠地脚螺栓联接地面，此处为刚性约束，在此表面施加X，Y，Z三个方向位移为零

6、的约束[4]。机架载荷采用现场实测载荷的平均值，分别在在上机架安装的第1、2、3矫直辊的空腔仁面处加载。考虑到上机架的受力面为环面，可采用施加均布载荷[5,6]。矫直力的大小和转换为受力面的面压力分别如表1所示。表1矫直机机架受力参数表第一组辊上辊受力KN第二组辊上辊受力KN第三组辊上辊受力KN80.98260.4680.98第一组辊下辊受力KN第二组辊下辊受力KN第三组辊下辊受力KN18.69385.0518.69受力面N/m²（pa）受力面N/m²（pa）受力面N/m²（pa）3436889.60411054449.923436889.604受力面N/m²（pa）受力面

7、N/m²（pa）受力面N/m²（pa）793128.3716341972.39793128.37将载荷和约束加载到有限元模型中，如图2所示中国冶金装备网—中国冶金人的网图2矫直机受力和约束图4有限元研究对矫直机机架进行有限元计算后矫直机的变形最大处为上横梁矫直辊安装座处，最大变形量为1.09mm，位于中间上辊安装座位处，上下变形总量大于2mm，将影响辊缝的精度。计算后变形云图如图3所示。图3矫直机机架变形图由以上分析结果可知，机架的变形主要集中在上横梁和底座。理论分析得出对机架的横梁及底座进行结果设计改进可增大结构