四辊卷板机关键零件的有限元分析(3)

四辊卷板机关键零件的有限元分析1 引言 1.1 研究背景 1.2 国内外研究现状及水平 1.2.1 国内外卷板设备的研究现状 1.2.2 国内外卷板成形理论研究现状 1.3 我国卷板机设计方法存在的主要问题以及产品差距 1.4 我国卷板机发展趋势 1.5 本文主要研究内容 2 特厚板弯曲理论和成形工艺分析 2.1 板材弯曲基础理论概述 2.2弯曲变形特点 2.3 影响板材弯曲成形质量的主要因素2.4卷板成形工艺 2.4.1 卷板分类 2.4.2 卷板过程 2.4.3 圆形卷制 3 卷板机关键部件分析及设计计算3.1 四辊卷板机结构概述3.2卷板机优点分析 3.3卷板机总体设计方案3.3.1卷板机卷制工件要求 3.3.2卷板机总体方案设计3.4卷板机设计计算3.5卷板机传动设计 4 四辊卷板机关键部件受力分析 4.1上工作辊受力分析4.1.1 上辊强度计算 4.1.2 上辊强度校核 4.1.3 上辊刚度计算 4.2.1 下辊作用力计算 4.2.2 支承辊作用力计算 4.3 卷板机底座受力分析 4.4 卷板机上辊轴承体受力分析 4.5 卷板机机架受力分析 4.6 本章小结 5 关键部件三维模型建立及有限元分析5.1三维有限元分析软件5.1.1 ANSYS 简介5.1.2 ANSYS 结构分析步骤5.1.3 ANSYS 有限元分析的基本假设 5.2 底座有限元模拟及结果分析 5.2.1 模型简化 5.2.2 约束及载荷5.2.3 模拟结果分析 5.2.4 优化设计5.3 上辊有限元模拟及结果分析5.3.1 上辊三维模型的建立5.3.2 上辊有限元模型的建立 5.3.3 模拟参数设置5.3.4 上辊模拟结果分析 5.4下辊有限元模拟及结果分析5.4.1 下辊实体模型及有限元模型的建立5.4.2 材料属性及载荷的施加 5.4.3 下辊有限元模拟及结果分析 5.5高机架有限元分析及优化设计5.5.1 高机架实体模型及有限元模型的建立5.5.2 高机架材料属性及载荷的施加5.5.3预弯时高机架有限元模拟及结果分析5.5.4卷圆时高机架有限元模拟及结果分析5.5.4 高机架优化设计5.6上辊轴承体有限元模拟及结果分析5.6.1 上辊轴承体实体模型及有限元模型的建立 5.6.2 材料属性及载荷的施加 5.6.3 预弯时上辊轴承体有限元模拟分析5.6.4 卷圆时上辊轴承体有限元模拟及结果分析5.6.5关键零部件在预弯和卷圆时的模态分析5.6.6关键零部件在欲弯和卷圆时的谐响应分析 5.7 本章小结6 结论与展望 6.1 结论6.2 展望1 引言 1.1 研究背景 进入带改革开放后我国的经济迅速的发展，发展的同时推动了我国制造业速发展，现在卷板机已经广泛应用于锅炉、造船、石油化工、航空、水电、装潢、金属结构等行业中，用于将金属板材卷制成圆柱、圆锥或者将任意形状卷曲成圆柱形或其一部分。，同时对于卷板机卷板精度要求越来越高。电力工业快速发展，煤电、水电、核电和国家清洁能源政策鼓励发展的风电，其管道、塔柱等需要大型成套的卷板机；海上石油、天然气、石油化工、煤化工等行业，其压力容器产品大型化趋势日趋明显，千吨级的加氢反应器、两千吨级的煤液化反应器、一万立方米的天然气球罐等在 我国大量应用，使成形厚板、高强度板的大型卷板机成为关键设备。我国重型装备制造业的发展，重型装备正在向大型化和智能化发展。大型设备因其受力大，不安全因素多，容易出现安全事故，为提高设备的可靠性和减少设备事故，通常根据设计经验安全系数取的很高，这样设备就存在笨重和浪费等问题，造成设备的局部结构设计富余很多，这样会增大设备部分零件的加工难题，增加工制造成本和运输成本，造成资源浪费。为了验证大型设备的可靠性和进行优化设计，达到高的性价比，采用仿真分析软件对卷板机的关键零件进行有限元分析，采用模块化设计，这样可以优化产品结构，缩短研发周期，提高设备可考性和使用性能，降低设备成本。特大型水平下调式三辊卷板机的研制成功，结束我国特大型卷板机依靠进口的历史，为我国重型装备制造提供了关键设备，提升了我国在世界上的影响力，增强了企业在同行业中的竞争优势和影响力，为企业增加了经济效益，特大型卷板机的研发成功具有很高的经济效益和社会效益。 1.2 国内外研究现状及水平卷板机是用于将金属板料在冷态或加热的状态下弯卷成圆筒形、锥筒形和曲面形等筒体或弧板的通用成形设备，其根据三点成圆的原理，利用各工作辊相对位置变化和旋转运动，使板材产生连续弹塑性弯曲而获得预定形状的工件。加工板料送进上，下工作辊之间，通过机械或液压装置驱动上辊或下移动，使板材在工作辊间发生连续塑性变形而弯曲。通过驱动工作辊转动，各工作辊面与所加工板材表面之间存在摩擦力作用，该摩擦力拉动板材使其沿其纵向发生弯卷变形，从而使板材依次获得相同曲率的塑性弯曲变形。调整工作辊的相对位置，即上辊的压下量，可获得不同要求的弯曲半径。 卷板机的主要技术参数包括最大卷板厚度，最大卷板宽度，卷制板材的屈服极限，最大规格时最小卷筒直径，工作辊直径，下辊中心距，卷板速度，驱动功率等。其中决定卷板机最大工作能力主要是由以下四个参数决定的最大卷板厚度，最大卷板宽度、卷制板材材质和最大规格时最小卷筒直径，这四个参数的变化直接影响卷板机的受力，扭矩，结构形式和工作辊直径的选择确定。1.2.1 国内外卷板设备的研究现状目前，国外卷板机制造水平较高的国家有瑞士、意大利、德国、英国、日本等。一般卷板厚度小于 38 的卷板机以机械传动非对称式产品为主，卷板厚度大于 40 的则以采用全液压式传动的三辊或四辊产品为主。虽然四辊机在结构上较三辊机复杂，且价格高、体积大、耗电多，但它最大的优点是具有预弯（压头）功能，可以使卷板的剩余直边达到除压力机压头外的最小值。近年来，国外兴起了三辊全液压非对称式卷板机，这种机型既具有四辊机的预弯（压头）作用，又较容易调节成左右非对称式。尤其采用全液压传动后，扭矩大，运行可靠，钢板卷圆后剩余直边较小，卷圆后两端基本没有错口。世界先进的卷板机生产厂家主要有瑞士 HAEUSLER、德国 SCHAFER、意大利 PROMAUDAVI、瑞典 ROUNDO、日本 KURIMOTO、英国 HUGH SMITH 等公司。在这些卷板机企业中以瑞士的卷板机质量以及技术最为先进。1.2.2国内卷板机发展现状 国内生产的三辊和四辊卷板机，三辊机多为对称式机械传动，四辊机多采用机械传动，或者主传动为机械式，辅助传动为液压式。随着科学技术的发展和对国外卷板技术的不断学习和引进，近年来，我国生产的可调式三辊机和四辊机越来越多地代替了在卷板设备中一直占据主要地位的对称式三辊卷板机。随着液压产品生产技术不断进步，国产液压元件的精度、性能已达到较高的水平，所以，液压传动也越来越多地应用于卷板设备中。目前，用于卷制中、薄板的小功率卷板机多采用机械传动或机、液混合驱动，用于卷制厚板的大功率卷板机多采用液压驱动或多电机同时驱动。国内卷板机生产的专业厂主要有山西长冶锻压机床厂、湖北鄂州重型机械厂、一重、二重、沈阳重型机械厂、山东泰安华鲁机械厂、江苏南通重型机器等。目前只有山西长冶锻压机床厂采用了当今世界上较为先进的四辊数控全液压传动设计方案。1.3 我国卷板机设计方法存在的主要问题以及产品差距 我国是世界上卷板机机型和产量最多的国家，但总体来说与国外卷板机相比市场竞争能力不强。主要表现为1我国卷板机设计主要方法还是传统的设计方法，采用工程类比和设计经验，为提高安全可靠性就在采用静力学计算的基础上尽量提高安全系数，设备存在有些部位设计富裕和笨重的问题，有些部位即使安全系数取的比静力分析时的高好几倍，但由于卷板时受力的复杂性，还存在安全隐患。国外卷板机设计多采用三维设计和对设备进行三维软件分析设计，设备从整体结构和外观上都优于国内设备。2国内卷板机功率的设计的确定一般是按一道次卷制功率的 60-7