谷瑞杰，梁建筑，穆腾飞，荆云海，周少凡，苏振华

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032;2.金属挤压/锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032;3.新疆天山水泥股份有限公司塔什店分公司，新疆 库尔勒 841011;4.湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北 孝感 432000)

0 前言

随着航天事业大型运载火箭、大型电力设备和重型机械行业的发展，超大型高品质无缝环件的需求量越来越大。环件径轴向轧制成形(图1)是使环件连续通过距离不断减小的轧辊间隙，从而使得环件壁厚和高度逐渐减小，而环件半径不断长大的连续局部塑性成形过程［1－3］，该成形工艺较普通的环件自由锻造成形来说精度高得多，而且对设备吨位要求小，生产效率也很高，目前已经成为生产超大型环件的最佳加工方法［4－6］。

超大型径轴向轧环机主机由径向轧制装置、轴向轧制装置、底座、定心机构和托辊等部分组成。本研究中径向轧制装置采用了先进的梁柱式组合结构(图2)，该结构中间机架固定，主轧辊装在固定机架前面，径向轧制油缸倒装在固定机架后面。固定机架后端的动梁和前端的芯辊上下支撑梁通过拉杆连接，环件轧制时，径向轧制油缸力作用于动梁上，通过动梁和拉杆带动芯辊向主轧辊移动，从而产生环件径向轧制的进给运动［7］。

图1 环件径轴向轧制成形原理图Fig.1 Sketch of ring radial－axial rolling

图2 超大型轧环机径向轧制装置Fig.2 Radial rolling equipment of extra－large ring rolling mill

超大型轧环机径向轧制装置工作时，主轧辊承受的轧制力作用于固定机架上，固定机架同时还承受油缸的反作用力。本文首先建立超大型轧环机径向轧制固定机架受力分析有限元模型，采用有限元模拟方法对超大型轧环机径向轧制固定机架进行受力分析，获得强度可以满足使用要求的固定机架结构，为超大型轧环机径向轧制装置的开发奠定坚实的基础。

1 超大型轧环机径向轧制固定机架有限元模型的建立

超大型轧环机径向轧制固定机架有限元模型建立的主要工作包括几何模型建立、网格单元划分、材料参数设置、接触约束施加、边界条件和载荷施加等。其中的几何模型建立、网格单元划分、材料参数设置等工作与动梁有限元模型［7］建立的工作一样，此处不在赘述。

超大型轧环机径向轧制固定机架由主轧辊安装梁、油缸安装梁及底座和两个中间联接梁组装在一起，各个部件之间通过螺钉连接。由于螺钉连接区域很小，其局部变形对固定机架的整体变形不会产生影响，因此在径向轧制固定机架受力分析有限元建模时，对各个部件之间的连接进行了简化，直接将各个部件之间的接触面粘接在一起(图3)。

图3 径向轧制固定机架部件间接触约束施加Fig.3 Contact constrains of parts of radial rolling fixed frame

为了限制固定机架在受力分析有限元模拟计算时的整体平动和转动，在固定机架有限元模型中需要约束其三个平动自由度和三个转动自由度。本研究中固定机架安装在底座上，其安装位置在主轧辊安装梁下面两侧和油缸安装梁底座两侧，固定机架和底座通过水平键和垂直键定位，再用螺钉把在一起，在本有限元模型中将固定机架的边界条件约束施加在主轧辊安装梁和油缸安装梁底座两侧的键槽处(图4)。

本研究中的固定机架主轧辊安装梁在主轧辊上下支撑套筒上承受环件径向轧制作用力，同时油缸安装梁后面承受油缸的反作用力，固定机架的载荷施加如图4 所示。本模型中的环件径向轧制作用力平均分解到主轧辊上下支撑套筒上，载荷通过承力圆筒面的控制点施加，还考虑了环件径向轧制的切向分力。油缸反作用力通过油缸安装梁后面承力圆环面的压力施加。

2 超大型轧环机径向轧制固定机架受力分析

图4 径向轧制固定机架边界条件和载荷施加Fig.4 Boundary condition and load of radial rolling fixed frame

采用本文所建立的超大型轧环机径向轧制固定机架有限元模型对其进行受力分析和结构优化设计，最终得到的径向轧制固定机架装配件的应力如图5 所示。径向轧制固定机架装配件的最大应力值约为100MPa，位于主轧辊上支撑的左右限位块上，限位块为力学性能很好的锻件，其强度完全可以满足要求。

图5 径向轧制固定机架等效应力云图Fig.5 Effective stress of fixed frame of radial rolling equipment

图6为径向轧制固定机架主轧辊安装梁等效应力云图。从该图可以看出，主轧辊安装梁大部分区域应力值较低，在主轧辊安装上下圆柱套附近区域和联接梁支撑面附近区域应力值较高，应力值最大的地方位于联接梁支撑面边界上，最大应力值约为70MPa，主轧辊安装梁强度完全可以满足要求。

图7为径向轧制固定机架油缸安装梁等效应力云图。从该图可以看出，油缸安装梁大部分区域应力值较低，在其中心圆柱筒附近区域应力值较高，应力值最大的地方位于联接梁支撑面靠近中心圆柱筒边界上，最大应力值略超出80 MPa，但是仅仅是在极小区域由于应力集中所致，油缸安装梁的强度可以满足要求。

图6 径向轧制固定机架主轧辊安装梁等效应力云图Fig.6 Effective stress of main roller beam of radial rolling fixed frame

图7 径向轧制固定机架油缸安装梁等效应力云图Fig.7 Effective stress of oil cylinder beam of radial rolling fixed frame

图8为径向轧制固定机架油缸安装梁底梁等效应力云图。从该图可以看出，油缸安装梁底梁所有区域应力值都较低，其最大应力也不到20 MPa，其强度完全可以满足要求。

图8 径向轧制机架油缸安装梁底梁等效应力云图Fig.8 Effective stress of back bottom beam of radial rolling fixed frame

图9为径向轧制固定机架上、下联接梁等效应力云图。从该图可以看出，上、下联接梁有较大区域应力值较高，但是其最大应力值也只有60 MPa 多点，因此其强度完全可以满足要求。

图9 径向轧制机架上、下联接梁等效应力云图Fig.9 Effective stress of two joint beams of radial rolling fixed frame

综上所述，经过受力分析和优化设计的超大型轧环机径向轧制固定机架结构合理，径向轧制固定机架各组成部分强度可以满足使用要求。本研究中所开发的径向轧制固定机架在实际工程中获得了成功应用，经过实际工程检验达到了预期的使用效果。

3 结论

本研究采用专业的有限云模拟软件ABAQUS建立了超大型轧环机径向轧制固定机架受力分析有限元模型，采用该模型对超大型轧环机径向轧制固定机架进行了受力分析，获得了径向轧制固定机架各组成部分应力分布基本规律，径向轧制固定机架经过结构优化设计，其各组成部分强度均可满足使用要求，为超大型轧环机径向轧制装置的开发奠定了坚实的基础。

［1］Shuai Zhu，He Yang，Lianggang Guo，Linlin Hu，Xiaoqing Chen.Research on the effects of coordinate deformation on radial-axial ring rolling process by FE simulation based on in-process control ［J］.International Journal of Advanced Manufacture Technology，72 (2014):57－68.

［2］Lianggang Guo，He Yang.Towards a steady forming condition for radial-axial ring rolling［J］.International Journal of Mechanical Sciences，53 (2011):286－299.

［3］J.L.Songa，A.L.Dowsona，M.H.Jacobsa，J.Brooksb，I.Beden.Coupled thermo-mechanical finiteelement modeling of hot ring rolling process［J］.Journal of Materials Processing Technology，121 (2002):332－340.

［4］谷瑞杰，权晓惠，张淑莲，等.径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制技术研究［J］.重型机械，2013(6):6－9.

［5］张淑莲，何养民，杨大祥，等.5m 径轴向数控轧环机主要参数的确定［J］.重型机械，2007(2):12－14.

［6］杜学斌，韩炳涛，葛东辉，等.Φ5000mm 径轴向数控轧环机［J］.锻压装备与制造技术，2007(3):34－37.

［7］谷瑞杰，张淑莲，杨大祥，等.超大型环件径向轧制设备动梁受力分析和优化［J］.重型机械，2012(3):137－140.