石 刚，李 强，王冬冬，张浩东（.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头，0400；.包头钢铁（集团）有限公司设备动力部，内蒙古包头，0400）



基于ANSYS的铸机拉矫机拉辊再设计

石 刚1，2，李 强1，王冬冬2，张浩东2
（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头，014010；2.包头钢铁（集团）有限公司设备动力部，内蒙古包头，014010）

摘要：针对5#铸机拉矫机辊轴频繁断裂问题，利用ANSYS软件对该轴辊四种状态下的应力进行分析，依据分析结果并综合考虑辊轴的材料、5#铸机的扩能增效三方面因素最终确定了辊轴的尺寸。经再设计改造后的5#铸机拉矫机拉辊至今运行平稳未出现断裂，实现了降本增效。

关键词：ANSYS；铸机拉矫机；辊轴

0 引言

某炼钢厂5#铸机浇注断面为280mm×380mm，流间距为1650mm，铸机半径12m，工作拉速0.65～0.7m/min，年产150万吨高速轨、重轨。该铸机是六机六流方坯铸机，每流有5架拉矫机，其中1～4架形成连续矫直区，第4、5架拉矫机用于铸坯的矫直和保持。拉矫机由驱动辊、从动辊、传动装置、机架结构、水冷及润滑系统、防护板等组成，具有轻压下时功能。浇注时，拉矫机将弧形铸坯连续拉出并矫直；送引锭时，拉矫辊反转，将引锭头送入结晶器。

1 改造前5#铸机拉矫机存在的问题

拉矫机辊在工作过程中主要承受矫直铸坯（或轻压下）时的反作用力、驱动电机的输出转矩、本身由于受热产生的热应力三方面载荷。由于设计时所考虑的安全系数太小，导致轻压下频繁出现辊轴断裂问题，仅2011年就出现38次。对此，借助于ANSYS软件对拉矫机辊轴（参数：直径450mm、轴径:140mm、油缸：250/200-250、冷压：12MPa、轻压下压力：10～11Mpa）分别进行承受980KN铸坯压力、承受35000N·m转矩、同时承受980KN压下力和35000Nm转矩、只考虑辊子受热产生的热应力四种状态的最大应力分析。结果发现：该辊轴R5处圆角应力可达到近300Mpa，温度约100℃，而辊轴的材料35CrMo常温下屈服极限为440Mpa（300～500mm），静载安全系数仅为1.47（440/300）。而实际生产中辊轴承受的是交变载荷，更易因疲劳而产生破坏。考虑到辊轴对连铸机生产的重要性，现有辊轴安全系数1.47远远不足，导致了轻压下时辊轴断裂问题出现较多，以致依靠频繁更换拉矫机来维持生产，不仅工作量巨大，而且严重影响生产。

图1 承受980KN铸坯压力

图2 承受45000Nm转矩

2 解决方案

针对该问题，对拉矫机辊轴进行再设计。首先，将其安全系数取2，轴径加粗到180mm、过渡处圆角增加到R10。其次，利用ANSYS软件对该辊轴进行承受980KN铸坯压力（图1）、承受45000N·m转矩（图2）、同时承受980KN压下力和45000Nm转矩（图3）、只考虑辊轴受热产生的热应力（图4）四种状态的最大应力分析。当辊轴承受980KN铸坯压力时最大应力发生在R10圆角处，约为85.5MMPa，远小于原设计157Mpa；同理，辊轴承受35000N·m转矩时最大应力发生在R8圆角处，约100Mpa，远小于原设计130Mpa；当辊轴同时承受980KN压下力和45000Nm转矩时最大应力发生在R8圆角处，约140Mpa，远小于原设计200Mpa；当只考虑辊子受热产生的热应力，在铸坯处为800度，内腔冷却为50度时R10圆角处应力约为100Mpa。

图3 同时承受980KN压下力和45000Nm转矩

图4 800度下辊轴受热产生的热应力

3 结论

为确保5#铸机当下产能及将来提高拉速、增加产量的可能；另一方面5#铸机拉矫机辊轴R10处圆角应力可达到近240Mpa，温度约100℃，同时结合轴颈材料42CrMo常温下的屈服极限460Mpa（300～500mm）及静载安全系数为1.9（460/240），综合上述因素最终将轴径尺寸定为180mm。

参考文献

［1］张洪才，何波. 有限元分析：ANSYS13.0 从入门到实战 ［M］.北京：机械工业出版社，2011：501.

［2］叶勇，郝艳华，张昌汉. 基于ANSYS 的结构可靠性分析［J］. 机械工程与自动化，2004（6）：63-65.

Re design of the pulling roller of the casting machine drawing and straightening machine based on ANSYS

Shi Gang1，2，Li Qiang1，Wang Dongdong2，Zhang Haodong2
（1.College of mechanical engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010；）（2.Baotou Iron & Steel（Group）Co.，Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Abstract：According to the 5# casting machine pulling straightening roller shaft frequent fracture problem using software ANSYS stress analysis，based on the analysis results and considering the roller shaft material，5# casting machine expansion efficiency three aspects factors ultimately determine the size and axis of the shaft and four states.After re design and transformation of the 5# casting machine drawing and straightening machine is still running smoothly without fracture，to achieve a reduction of the efficiency.

Keywords：ANSYS；casting machine tension straightening machine；roller shaft

作者简介

李强（1961-），男，博士，教授，硕士研究生导师，内蒙古包头人，主要研究方向：制造业信息化、现代设计理论。

石刚（1981-），男，硕士研究生，工程师，内蒙古呼伦贝尔人，包钢集团设备动力部矿冶科从事于设备管理工作。