庞沙沙 ，成海宝，王红斌，展京乐，赵铁勇，李学通，杜凤山，倪伟明

(1.燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004;2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

0 前言

LG730 大型两辊环孔型冷轧管机是目前世界上最大规格伺服控制型两辊冷轧管机，机架保证轴承座及轧辊等部件正常运作，所以它是轧管机设备最重要的基础性零部件［1－3］。机架足够的刚度和强度是保证轧管机可靠性及使用寿命的最重要因素［4］。

在零件剖面的几何形状突然变化处，局部应力远远大于名义应力的现象叫做应力集中［5］。轧管机机架结构应力集中位置即为其危险位置，如何优化机架危险位置结构，对于改善机架应力集中现象，提高机架强度至关重要。一般情况下通过采用大的圆角设计及特殊曲线形状均可以缓解应力集中［6］。然而实际设计中还要根据具体结构及受载情况确定最利于改善应力集中的结构设计。

1 优化方案分析

为了提高机架的强度，对现有LG730 冷轧管机机架危险位置结构进行优化设计，并对比优化前后机架应力分布状况，探究能够改善机架强度的优化方案。各方案的结构见图1。其中(a)为初始设计，采用了R15 的圆角连接;(b)为方案一，采用大的凹槽，凹槽朝向机架左右两侧;(c)为方案二，采用类似方案一的大凹槽，凹槽朝向机架底部;(d)为方案三，在方案二的基础上将凹槽向下的深度加大，而不改变凹槽的朝向;(e)为方案四，与初始方案的差别在于上下两面的距离增大了12 mm，过渡圆角设计是R15。经有限元分析初始设计方案中危险位置处的最大等效应力值为138 MPa，最大主应力为175.8 MPa［4］。

图1 各方案结构示意图Fig.1 Structure diagram of each case

2 危险位置结构优化方案一

图2为结构优化方案一的机架危险位置等效应力分布，从中能够看到机架在结构优化之后，最大等效应力是244.2 MPa;危险位置处的最大等效应力值由原来的138 MPa 增大到192.9 MPa，应力增大39.8%。

图2 优化方案一中危险位置等效应力分布Fig.2 Key location equivalent stress distribution of case 1

方案一机架最大、最小主应力分布情况见图3，其中最大主应力发生在机架危险位置处，其值为219.7 MPa，最小主应力为－198.4 MPa。危险位置处的最大主应力较初始设计增大25.0%。可见方案一不能改善机架危险位置应力分布。

图3 优化方案一中的机架最大、最小主应力分布Fig.3 Frame max./min.principal stress distribution of case 2

3 结构优化方案二

图4 所示为结构优化方案二中机架等效应力分布情况，从图中能够看到机架最大等效应力为218.7 MPa;危险位置处的最大等效应力值由原来的138 MPa 减小到132.4 MPa，降低了约4%。

图4 优化方案二中的等效应力分布图Fig.4 Frame equivalent stress distribution of case 2

方案二机架最大、最小主应力分布情况见图5，其中最大主应力是165.8 MPa，危险位置处的最大主应力为147.3 MPa，最小主应力为－137.7 MPa。危险位置处的最大主应力较初始设计降低了16.2%。可见方案二大大降低了机架危险位置处的应力值，对改善机架危险位置处的应力分布是有效的。

图5 优化方案二中机架最大、最小主应力分布Fig.5 Frame max./min.principal stress of program 2

4 结构改进方案三

图6 是危险位置结构优化方案三中的机架等效应力分布，从图中可以看出机架最大等效应力为263.1 MPa;危险位置处的最大等效应力值由原来的138 MPa 减小到124.2 MPa，降低了约10%。

图6 优化方案三中的机架等效应力分布Fig.6 Frame equivalent stress distribution of case 3

方案三机架最大、最小主应力分布情况见图7，从图中可以看出，机架最大主应力为174.6 MPa，危险位置处的最大主应力为137.8 MPa，最小主应力为－213.6 MPa。其中危险位置处的最大主应力较初始设计值降低了21.6%。由此可见方案三也能够很好地改善机架危险位置处的应力分布。

图7 改进方案三中的机架最大、最小主应力分布Fig.7 Frame max./min.principal stress distribution of program 3

5 结构改进方案四

危险位置优化方案四中机架等效应力分布情况见图8，从图中可以看出机架最大等效应力为145.9 MPa;而危险位置等效应力为113 MPa，与初始设计相比降低了18.1%。

图9 所示为方案四机架最大、最小主应力分布情况，从图中可以看出机架最大主应力为144.4 MPa，危险位置处的最大主应力为126.1 MPa，最小主应力为－108.8 MPa。其中危险位置处的最大主应力较初始设计方案降低了28.3%。可见方案四很好地优化了机架危险位置处的设计。

图8 优化方案四中的机架等效应力分布Fig.8 Frame equivalent stress distribution of case 4

图9 改进四中的机架最大、最小主应力分布Fig.9 Frame max./min.principal stress distribution of case 4

6 分析结果

针对机架危险位置的应力分布，对危险位置处的圆角结构提出了四种改进方案，经分析除方案一外，其他方案均能有效改善危险位置处的应力分布状况。现将各个方案的分析结果整理成表1。机架的危险位置位于牌坊与上横梁的接触圆角处，其示意图见图10。

表1 机架危险位置结构各设计方案应力对比Tab.1 stress contract of dangerous location

从表1 可以看出，优化方案一加剧了机架危险位置处的应力集中，而另外三个方案都能够很好地改善机架危险位置处的应力分布状况，所以在危险位置处较之采用现有的圆角设计，朝向机架下方的一定深度的凹槽能够有效改善该位置处的应力状况。

图10 机架危险位置示意图Fig.10 Key location schematic diagram of the rolling-mill housing

7 结论

(1)机架危险位置是影响其强度的关键位置，采用简单的圆角设计对于该位置处的应力分布并不是最好的，对机架危险位置结构采用一定深度的凹槽设计，其应力分布结果均优于圆角设计;

(2)方案一为在朝向机架两侧开凹槽，分析表明该结构不能改善机架应力分布状况;

(3)方案二和方案三均是在朝向机架底部开凹槽，方案三的深度大于方案二，可见一定深度范围内向下的凹槽越深越利于提高机架强度;

(4)方案四采用与初始设计相同的圆角过渡，只是牌坊与上横梁底部的间隙扩大，该方案使危险位置处的等效应力和最大主应力分别降低了18.1%和28.3%，可见增大牌坊与上横梁底部间隙能够大大改善机架危险位置处的应力分布状况。

［1］彭的新.浅谈三辊轧管机的发展(I)［J］.钢管，1993(3):5－10.

［2］邱永泰.关于二辊斜轧管机的讨论［J］.钢管，2010，39(4):1－5.

［3］周志杨，冯原，李胜袛，等.有限元数值模拟方法在连轧管孔型设计中的应用［J］，宝钢技术，2008(5):20－21.

［4］成海宝，庞沙沙，裴卫民.等.LG－730 冷轧管机结构力学分析［J］.重型机械，2014(4):61－65.

［5］丁年雄.机械加工工艺词典［M］(一版).北京:学苑出版社，1990，184－185.

［6］王薇.基于ANSYS 的整体式轮槽精铣刀强度分析与优化［D］.兰州:兰州理工大学，2013.