四辊卷板机关键部件的有限元分析

发布时间：2020-10-20 05:06

　　四辊卷板机作为容器类制造企业常用的金属板材卷制成形设备,虽然其结构复杂、重量大,但是卷制成形工艺通用性强,操作简单、对中方便。因此,对四辊卷板机的需求量逐渐增加,对其加工精度的要求也相应提高。本文以企业在重型压力容器制造中所需的大型四辊卷板机为研究对象,确定了其关键部件的结构设计方法,对卷板机结构组成、卷制成形原理及工艺过程进行研究分析;同时,为了确保卷板机结构的正确性和可靠性,对卷制过程中的卷圆和预弯工况,进行了工艺参数的计算,并针对满载工况(预弯)工作辊的强度、刚度进行校核;利用Workbench软件对高机架、底座和工作辊的强度和刚度进行了有限元分析。首先,分析了板材弯曲理论及板材弯曲的变形特点,确定板材回弹前中性层所在位置的弯曲半径、弯曲力矩、卷板力的大小以及上辊所需的驱动功率等工艺参数为板材弯曲成形工艺的主要参数。其次,通过分析对称式三辊卷板机、不对称式三辊卷板机及四辊卷板机的原理与结构,选定四辊卷板机为重型压力容器制造企业选择的理想弯卷设备。并对四辊卷板机的卷制成形工艺过程进行了理论分析,明确其卷制工艺流程主要包括对中、预弯、卷圆和矫圆几个步骤,卷板机的关键部件主要包括工作辊(上辊、下辊和两条侧辊)、高机架和底座,以此为依据确定了四辊卷板机关键部件的设计方案。再次,分别计算工作辊在卷圆和预弯工况所承受载荷和上辊驱动功率,通过计算对比可得,预弯时各辊所受载荷最大,卷圆时上辊的驱动功率最大,并以此来确定主电机输入功率的范围。在此基础上,采用传统的计算方法分别对预弯工况下上辊、下辊以及侧辊进行强度与刚度的校核,结果表明设计方案中设定的轴辊结构尺寸合理。最后,建立其各个结构及零件的三维模型,针对卷板机在预弯工况下底座、工作辊以及高架机的受力情况进行有限元分析,利用Workbench软件对底座、工作辊以及高机架进行模型的导入、划分网格、载荷添加以及求解,得出其应力和变形云图。由分析结果可知,各个工作辊在预弯时的变形量很小,最大应力值远远低于材料的屈服强度,此结果与理论计算结果相吻合,证明其辊身材料富余,在保证工作辊轴颈强度与刚度的同时,可以考虑减小下辊及侧辊的辊身尺寸;高机架最大应力虽然在安全范围之内,但是机身存在应力分布不均现象,其内侧应力值大于外侧应力值,在其设计的过程中应该对这些部位特殊处理;同时指出底座在预弯时结构的薄弱环节,对底座的结构进行改进,为了增加结构的强度,增加了筋板,并对改进后的结构加以验证,分析得到其最大应力与变形量都大幅度减少。通过该课题的研究,给出了四辊卷板机关键部件结构的设计方案及其设计时的质量控制点,为将来卷板机等大型设备组成结构的更合理设计提供了一种思路,达到提高设备结构性能及精度、节约生产成本的目的。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG315
【部分图文】：

四辊卷板机,结构示意图,卷板机,卷制

下辊直径≥φ1190mm（60CrMnMo HB260-300）侧辊直径≥φ960mm （60CrMnMo HB260-300）(2) 板材卷制温度约为 20℃时1) 板材屈服极限 345MPa2) 卷板最大厚度 225mm3) 预弯最大厚度 200mm4) 卷板最大宽度 3000mm5) 满负荷时最小卷筒直径φ4000mm(3) 液压系统最大工作压力 31.5MPa(4) 卷板机可满足冷卷，温卷、高温(≤1050℃)卷制(5) 卷板机具备卷锥装置，可卷制≤120o锥体，对应板厚 100mm、板宽 1500mm2.5.2 卷板机结构组成及关键部件参数设计方案以上述技术规格为标准所设计的四辊卷板机主要由下述 11 个部分构成，如图 2.8所示：

受力图,上辊,受力图,轴辊