短应力线轧机中球面垫与调整螺母接触有限元分析

武心朋

(中冶东方工程技术有限公司，山东青岛 266555)

短应力线轧机中球面垫与调整螺母接触有限元分析

武心朋

(中冶东方工程技术有限公司，山东青岛 266555)

介绍了短应力线轧机中球面垫与调整螺母在接触位置经常出现损坏的现象，分析了球面垫与调整螺母之间的接触问题的原理及其接触状态下的受力状况。通过改变球面垫与调整螺母之间的润滑状态和增大接触面半径的优化方案，减小接触面的最大等效应力和接触摩擦应力，延长使用寿命。

短应力线轧机;球面垫;调整螺母;接触

0 前言

目前我国小型棒材车间精轧机几乎都采用了短应力线轧机。球面垫与调整螺母是短应力线轧机拉杆装配中最重要的两个零部件，起支撑和调整辊缝大小的作用。调整螺母是通过止动栓与轧辊轴承座连接在一起，因此调整螺母不能相对于轴承座发生转动。当拉杆在外力作用下转动时，调整螺母就能带动轴承座上下升降，从而实现辊缝间隙的调整。调整螺母是短应力线轧机中受力比较大的零件之一，其在调整辊缝大小时与拉杆螺丝之间有相对运动，发生摩擦现象，故其选用耐磨铸青铜材料制作。球面垫与调整螺母配合调心主要起一个铰接点的作用，当轴承座轴向调整或安装存在误差使拉杆被迫歪斜时，球面垫就能允许拉杆有一个小范围的摆动，以减小轴承受到的边缘载荷，从而提高轴承的寿命，球面垫要满足硬度和表面耐磨性方面的要求，故材料选用40Cr。

短应力线轧机在生产过程中，频繁出现了球面垫与调整螺母磨损的问题。本文利用有限元理论，结合ANSYS软件，对短应力线轧机中重要承载件球面垫和调整螺母进行接触状态的应力应变分析，得到零件的受力状态，进行结构上的优化设计，最终合理地确定该零件的结构尺寸，在保证轧机的工艺性能的基础上结构更合理，性能更高。

1 球面垫与调整螺母三维建模

(1)定义球面垫与调整螺母的尺寸参数。首先确定球面垫的基本尺寸参数:直径185 mm，球面半径155mm，球面垫厚度29 mm等;然后确定调整螺母的尺寸参数为:直径186 mm，球面半径155 mm，调整螺母厚度160 mm，调整螺母的螺纹尺寸为Tr130×8-LH-7H等。如图1所示。

图1 球面垫与调整螺母的尺寸参数Fig.1Size parameters of spherical pad and adjusting nut

(2)球面垫与调整螺母模型的建立。在ANSYS Workbench环境中，做接触有限元分析时必须将球面垫与调整螺母放在同一个分析界面中。首先按照球面垫与调整螺母的尺寸参数建立三维模型，在建立三维模型的过程中，球面垫的球面与调整螺母的球面需要留出0.5 mm的间隙，否则模型建立后无法进行接触分析。模型建立后如图2所示。

图2 球面垫与调整螺母接触模型Fig.2Contact model of spherical pad and adjusting nut

(3)定义球面垫与调整螺母材料属性。将球面垫与调整螺母放在同一个分析界面中，需要单独对其材料进行属性的定义。从材料库中，将球面垫的材料定义为40Cr，再将调整螺母的材料定义为ZCuAl10Fe3。

(4)对球面垫与调整螺母材料划分网格。分别选中球面垫和调整螺母，在分析树中选择划分网格(Mesh)项，设置单元格尺寸为5 mm，采用自由网格划分方式，这样就在同一个界面中得到2个零件的网格模型。最终生成的网格效果图如图3所示。从图中可以看出，球面垫的球面网格划分很细密，能够使分析的效果更加准确。

图3 球面垫与调整螺母网格划分模型Fig.3Mesh model of spherical pad and adjusting nut

2 球面垫与调整螺母接触有限元分析

(1)设置球面垫与调整螺母的接触选项。在ANSYS Workbench软件中，接触类型有Bonded (绑定)、No Separation(不分离)、Rough(粗糙)、Frictionless(光滑无摩擦)及Frictional(摩擦)五种。其特点见表1。球面垫与调整螺母之间看做Frictional(摩擦)接触方式，将球面垫的球面设定为接触面，而调整螺母的球面设定为目标面。摩擦系数定义为0.3，初始接触间隙为0.5 mm。

表1 五种接触类型的接触特点Tab.1Characteristics of five contact types

(2)施加载荷与约束。根据设计过程中球面垫与调整螺母的位置与作用，将载荷施加在调整螺母的上表面上，而将约束定义在球面垫的下表面与圆柱表面上。在操作界面中，施加载荷即轧制压力325 kN，施加在调整螺母的上表面上，方向沿轴心往球面垫方向。球面垫与调整螺母的球面作为约束面，使得两个面之间的接触面作为摩擦约束面。球面与调整螺母的接触受力模型就建立了。

(3)设置求解项并显示求解结果。在操作界面中，首先设置求解项Equivalent Stress(等效应力)，同时，作为接触分析，还要增加接触摩擦应力分析。进行求解后，得到Equivalent Stress (等效应力)分析云图如图4所示。从图中可以看出，接触状态下，最大等效应力发生接触面位置，最大应力为642.16 MPa。其受力状态远超过材料的强度极限，这应该是磨损的主要原因。

根据对接触面应力的分析，通过增加接触面位置的硬度和强度，改变磨损状况。接触摩擦应力分析云图如图5所示，可以看到接触摩擦应力(Frictional Stress)的最大应力值为250.15 MPa。从图中可以看出，最大应力仅在接触面的很小的部分发生，在实际工况中影响比较小。

图4 等效应力分析图Fig.4Analysis chart of equivalent stress

图5 接触摩擦应力分析云图Fig.5Analysis chart of contact friction stress

3 球面垫与调整螺母优化设计

(1)通过改变接触面的润滑状态的优化。在实际工况中，由于金属与金属之间的无润滑摩擦是不允许的，大部分情况都是增加润滑剂的润滑摩擦，所以在球面垫与调整螺母之间增加润滑剂，减小摩擦系数，对接触面的工作条件能够得到改善。将调整螺母与球面垫之间接触面的摩擦系数改为0.1，再进行有限元接触分析。改摩擦系数后的应力分析云图和接触摩擦应力分析云图分别如图6、7所示。通过2个应力分析云图，可以看到最大等效应力为591.41MPa，接触摩擦应力最大为226.92 MPa，相对于无润滑状态下的应力，都小了很多。

图6 接触应力分析云图Fig.6Analysis chart of contact stress

图7 接触摩擦应力分析云图Fig.7Analysis chart of contact friction stress

(2)通过改变接触面半径的优化。首先，分别将球面垫与调整螺母的球面半径增大，由原来的155 mm改为160 mm，其它结构尺寸，不做改变。摩擦系数选择有润滑时的系数0.1。对两个零件重新建模，进行接触分析，得到球面半径增大后的应力分析云图和接触摩擦应力分析云图分别如图8、9所示。从图中可以看出，最大等效应力为281.59 MPa，与球面半径为155 mm时的最大等效应力591.41 MPa相比，减小了310 MPa;同时，接触摩擦应力最大为147.58 MPa，与球面半径为155 mm时的接触摩擦应力226.92 MPa相比较，减少了约80 MPa，优化结果非常理想。

图8 接触应力分析云图Fig.8Analysis chart of contact stress

图9 接触摩擦应力分析云图Fig.9Analysis chart of contact friction stress

球面垫与调整螺母的球面半径由原来的155 mm改为150 mm，其它结构尺寸，不做改变，摩擦系数选择有润滑时候的系数0.1。对两个零件重新建模，进行接触分析，得到球面半径减小后的应力分析云图和接触摩擦应力分析云图分别如图10、11所示。

从图中可以看出，最大等效应力为780.46 MPa，与球面半径为155 mm时的最大等效应力591.41 MPa相比，增加了189 MPa，无法满足零件材料的强度要。同时，接触摩擦应力最大为176.62 MPa，与球面半径为155 mm时的接触摩擦应力226.92 MPa相比较，减少了约50 MPa。

图10 接触应力分析云图Fig.10Analysis chart of contact stress

图11 接触摩擦应力分析云图Fig.11Analysis chart of contact friction stress

4 结束语

中冶东方工程技术有限公司研发的短应力线轧机，已经在长治钢厂等棒线材生产线投产使用。在生产过程中，出现了球面垫与调整螺母磨损的问题。利用ANSYS Workbench软件建立球面垫与调整螺母的参数化三维模型，分别定义材料属性，合理的划分网格，按照实际的工况施加载荷，在此基础上运用ANSYS Workbench软件中接触分析功能，求出零件的受力最大部位，对其结构和润滑进行优化。实践证明，优化改进后，零件的使用寿命明显延长，产生良好的经济效益。

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Finite element analysis on spherical pad and adjusting nuts contact of short-stress line mill

WU Xin-peng
(BERIS Engineering and Research Corporation，Qingdao 266555，China)

This article introduces that spherical pad and adjusting nuts in short-stress mill are easily worn out in their contact position.Theory and force condition of spherical pad and adjusting nuts contact are analyzed.An optimization method，by improving lubrication condition and increasing contact surface radius between spherical pad and adjusting nuts，is implemented.In this way，the max equivalent stress and friction stress of contact surface are decreased，its service life is prolonged.

short-stress line mill;spherical pad;adjusting nut;contact

TG333

A

1001-196X(2014)06-0061-04

2014-05-23;

2014-07-28

武心朋(1982-)，男，工程师，主要从事冶金设备研究设计工作。