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熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝是將坯料通過一系列加工工序加工為成品無縫鋼管的復(fù)雜過程，其一般生產(chǎn)工藝過程包括加熱、穿孔、軋管、均整、定減徑、冷卻等。無縫鋼管定減徑過程是無縫鋼管生產(chǎn)工藝的最后一道工序，通過將外徑大于成品管但基本達(dá)到壁厚尺寸和精度要求的荒管，采用定減徑機(jī)定減徑加工成符合標(biāo)準(zhǔn)要求的成品管，或是通過擴(kuò)徑使荒管成為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的成品管。減徑機(jī)的類型很多，常見的有二輥式減徑機(jī)、三輥式減徑機(jī)和四輥式減徑機(jī)。目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的是三輥減徑機(jī)，該軋機(jī)中三個(gè)軋輥軸線互成120°夾角；相鄰機(jī)架按正三角形或倒三角形交錯(cuò)布置，保證軋件被均勻軋制，從而保證成品管的表面精度和質(zhì)量。三輥軋機(jī)因其具有較多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在軋制過程中，軋輥受到的軋制力通過傳動(dòng)軸和軸承傳給機(jī)架，機(jī)架承受很大的軋制力作用，其變形能力和強(qiáng)度將直接影響最終成品管的尺寸精度，因而杭州那泰有限元分析公司對三輥機(jī)架進(jìn)行有限元分析研究，以期為實(shí)際生產(chǎn)工藝提供參考依據(jù)。
現(xiàn)代無縫鋼管定減徑工藝采用三輥減徑機(jī)機(jī)組。三輥機(jī)架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部電機(jī)通過鼓形齒聯(lián)軸器1將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動(dòng)軸5，主動(dòng)軸5與從動(dòng)軸6、7固定安裝在機(jī)架2上，在每個(gè)傳動(dòng)軸上都裝有一個(gè)尺寸相同的軋輥，并且3個(gè)軋輥軸線在同一平面內(nèi)，兩根從動(dòng)軸通過錐齒輪與主動(dòng)軸相連，從而保持三輥同速軋制，軋機(jī)工作時(shí)通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)軋輥轉(zhuǎn)速，以滿足工作要求。三輥機(jī)架在正常工作時(shí)，受到幾個(gè)力的共同作用：通過傳動(dòng)軸軸承作用在機(jī)架內(nèi)、外支撐面上的軋制力；由鋼管軋制速度變化引起的作用于機(jī)架支撐面上的慣性力；由于鋼管所受前后張力不同而產(chǎn)生的作用于機(jī)架支撐面上的水平力；由于軋輥工作時(shí)的軸向跳動(dòng)而產(chǎn)生的作用于機(jī)架支撐面上的約束力；由于螺釘裝配對機(jī)架所產(chǎn)生的水平擠壓力。上述各力中以軋制力最大，其它各力與之相比數(shù)值都很小，故而忽略不計(jì)，分析時(shí)只考慮軋制力對機(jī)架的影響。
由計(jì)算可知，定、減徑機(jī)上的軋制力波動(dòng)在（20~60）kN左右，在定減徑初期，軋制力在第三架時(shí)達(dá)到最大值，在工作機(jī)架時(shí)軋制力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入成品機(jī)架之后軋制力逐漸降低，至最后一架軋制力達(dá)到最小值。金屬軋制過程屬于塑性變形過程，第四強(qiáng)度理論認(rèn)為引起材料屈服破壞的主要因素是形狀改變比能，即無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。故采用von Mises屈服準(zhǔn)則來檢驗(yàn)機(jī)架強(qiáng)度要求，分析機(jī)架在最大軋制力作用下工作時(shí)受到的最大等效應(yīng)力是否滿足機(jī)架強(qiáng)度要求，以及最大等效應(yīng)變和位移是否在允許范圍之內(nèi)，最后根據(jù)模擬結(jié)果對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
取1/2機(jī)架模型進(jìn)行分析，首先在Pro/E中建立機(jī)架三維模型，然后將此模型導(dǎo)入ANSYS軟件中施加約束和載荷進(jìn)行有限元分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)。經(jīng)簡化后的機(jī)架三維模型，機(jī)架材料為ZG310-570，其屈服強(qiáng)度為310MPa，抗拉強(qiáng)度為570MPa，密度為（7.8×103）kg/m3；泊松比為0.3，彈性模量為180GPa。采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45 單元類型，在ANSYS中為模型定義上述參數(shù)，施加約束與載荷。
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