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［摘 要］以棒线材短应力线轧机拉杆系作为研究对象,对其进行受力分析,进而指导短应力线轧机系列化设计.
［关键词］短应力线轧机；拉杆；公式计算；有限元分析
［DOI］10.13939/j.cnki.zgsc.2015.37.047
1.引言
短应力线轧机是棒、线材生产线上的核心设备.20世纪40年代,在瑞典研制出了第一代短应力线轧机,它取消了牌坊,用拉紧丝杆将两个轴承座连在一起,悬挂在三脚架上［1］.轧机工作机座中受力零件的长度之和,就是该轧机的应力迹线的长度［2］,短应力线轧机应力回线比普通轧机明显缩短.随着该机型技术的不断改进和完善,到21世纪初已经成为棒线材生产线的轧机主流机型.虽然在外形及内部结构略有不同,但其功能和原理基本是相同的［3］.如图1所示,在轧制过程中,尽量减少受力零件,缩短应力回线.在轧制过程中,轧辊所受的轧制力通过轴承座传递给承压套并作用于调整螺母和拉杆的连接螺纹上［4］.因此,拉杆系的强度和刚度尤为重要.本文重点针对一种短应力线轧机拉杆系进行受力分析,为今后的优化设计提供指导及依据.
2.拉杆系分析计算
2.1理论公式计算
2.1.1计算条件
拉杆材质选为：40CrNiMoA,σS等于835MPa.考虑各种工况,拉杆螺纹位置处受到轴向拉力1600000N.
拉杆：［σ］等于σS/3~5等于167~278.33MPa
螺纹牙：（钢）［τ］等于0.6［σ］等于100.2~166.998MPa
［σ］b等于（1.0~1.2）［σ］等于167~333.96MPa
螺纹牙：（青铜）［τ］等于30~40MPa； ［σ］b等于40~60MPa
2.1.2强度计算
（1） 剪切强度.剪切强度是计算螺纹副在轴向力的作用下,承受剪切力的能力：
①拉杆螺纹τ等于F/πd1bz等于1600000/π×191×5.2×28.375等于18.071MPa
p——螺纹螺距,8mm；d1——螺纹小直径（200-2（0.5p+0.5）等于191mm）；b——螺纹牙底宽度（0.65p等于5.2mm）；l——螺纹有效啮合长度,227mm；z——旋合圈数（z等于l/p等于227/8等于28.375）
②螺母τ等于F/πdbz等于1600000/π×200×5.2×28.375等于17.258MPa
（2）弯曲强度.弯曲强度是计算螺纹副在轴向力的作用下,承受弯曲变形的能力：
①拉杆螺纹σb等于3Fh/πd1b2z等于3×1600000×4/π×191×5.22×28.375等于41.704MPa
h——螺纹的工作高度（0.5p等于4mm）
②螺母σb等于3Fh/πdb2z等于3×1600000×4/π×200×5.22×28.375等于39.827MPa
（3） 耐磨性计算.耐磨性主要对于工作压强要求计算：
p等于F/πd2hz等于1600000/π×196×4×28.375等于22.893MPa
d2——螺纹中直径（200-0.5p等于196mm）；许用压强：青铜和钢（18～25MPa）.
（4） 螺母疲劳安全系数.对于铝青铜,当［σ］b等于55MPa时,螺母的弯曲疲劳安全系数为S1等于1.284；当许用压强取23MPa时,耐磨性安全系数为S2等于1.005.因此对于所选螺纹尺寸的安全系数略低,建议螺纹尺寸取200mm.
2.2拉杆系的弹性变形计算
对于拉杆螺纹副,影响轧辊辊缝的弹性变形包括三部分f4等于f′4+f″4+f″′4
式中,f′4——球面垫压缩变形；f″44——拉杆的拉伸变形；f″′4——螺纹螺牙的弯曲变形.
f″′4等于4R（H-1.87t）/π（D2-d20）Er
其中,R——螺母上的负荷；H——螺母高度；t——螺距；D——螺母外径；d0——螺母内径；Er——螺母弹性系数.
（1） 球面垫变形f′4.采用公式简化计算球面垫的变形：
Δh等于Fh/E×π/4×（D2-d2）, Δh等于0.0231mm
其中,F——球面垫压力,取160吨；h——球面垫高度；E——球面垫弹性模量；D——球面垫外径；d——球面垫内径.
（2）拉杆变形f″44.采用公式简化计算拉杆的拉伸变形：
Δl等于Pl/E×π/4×d2, Δl等于0.2158mm
其中,P——拉杆拉力,取160吨；l——拉杆有效拉伸半长度；d——拉杆螺纹公称直径.
该计算结果与有限元计算存在差异,其原因在于：公式中采用拉杆螺纹公称直径作为计算,其值小于其他有效部分尺寸；扩大了有效拉伸长度.
（3）螺纹螺牙弯曲变形f″′4.公式计算如下：
f″′4等于4R（H-1.87t）/π（D2-d20）Er, f″′4等于0.00238mm
（4）拉杆系的总变形f4.拉杆螺纹副的总变形f4为0.161 mm.
2.3拉杆螺纹副有限元分析
采用3D弹论文范文算法进行有限元分析,已知条件与理论公式计算一致,为简化计算,将拉杆螺纹副分割成三部分,如图2所示,①是螺母的一部分,②是拉杆的一部分,③是螺纹旋合部分.
（1）螺母部分①和拉杆部分②的变形计算.螺母部分①和拉杆部分②的变形计算简图如图3所示,螺母部分①和拉杆部分②的X方向位移分布云图如图4所示.
（2）螺纹旋合部分③的变形计算.为简化计算,根据螺纹受力的特点,假定螺纹旋合15圈,在计算中螺纹之间为接触关系.螺纹旋合部分③的变形计算简图如图5所示,螺纹旋合部分及拉杆的X方向位移分布云图如图6、7所示.螺纹旋合部分在X方向的最大位移为0.09061mm,发生在螺母的受力面.
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拉杆、螺母等效应力分布云图如图8、9所示.螺纹旋合部分的最大等效应力为157.598MPa,螺母的最大等效应力为142.965MPa,发生在螺纹旋合部分的第一圈处.
（3） 拉杆及螺母变形量.根据上面的计算,可以得到拉杆及螺母变形量为：0.061036×11/16+0.115837×11/16+0.09061等于0.2122101875mm.
3.结论
本文采用3D模型能准确地描述短应力线轧机拉杆螺纹副的弹论文范文状况,对变形的计算结果较准确.对于拉杆螺纹副的强度校核,以公式为主,有限元计算结果为辅.利用有限元分析结果反映的应力变化趋势,可对螺母及拉杆的结构进行优化调整,进而指导短应力线轧机设计.
参考文献：
［1］周建男.轧钢机［M］.北京：冶金工业出版社,2009.
［2］邹家祥.轧钢机械［M］.北京：冶金工业出版社,2004.
［3］王廷斌,杜玉宝,等.Φ550紧凑式轧机拉杆强度分析及结构改造［J］.冶金设备,2004（6）.
［作者简介］张荣滨（1976—）,男,硕士,高级工程师,研究方向：轧钢机械设计.
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