1.1课题研究背景和意义

钢铁是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。影响薄板、带钢质量及产量的因素是很多的，其中开卷机就是一个重要的因素。开卷机是轧钢成卷生产必不可少的设备，广泛应用于酸洗机组、主机机组和和各种精整机组中的开卷。开卷机的技术水平关系到机组的生产能力和带材的质量^[1]。开卷机主轴作为开卷机的关键零件，同时承受轴上零件重量、压力、转矩、弯矩等多种载荷，工作中一旦发生过度挠曲甚至断裂，将对生产乃至人身安全造成巨大损失。而且随着轧制速度、开卷速度以及卷重的不断提高，将对开卷机主轴的力学性能要求更加苛刻^[2]。鉴于实际实验具有成本高不安全，本次研究采用有限元法对常用开卷机主轴——棱锥轴进行受力数值模拟探究棱锥轴产生断裂的原因，希望可以为企业对棱锥轴结构尺寸及其他方面的改进优化提供参考。

1.2国内外研究现状

1.2.1 国内研究状况

洛阳理工学院的王国华与朱春熙，应用ANSYS对带材开卷机主轴进行了结构静力分析，成功地得到了主轴的节点变形图和应力分布。由求解结果确定了主轴的刚度和强度满足设计要求并且主轴机构还具备进一步的优化的可能^[3]。

内蒙古科技大学的王昌、王岩等人，为了准确描述开卷机在起动时主轴及扇形板的应力与时间的关系，模拟了主轴及扇形板在真实工况下的接触行为，，用 workbench 对开卷机主轴及扇形板进行瞬态动力学分析。其结果表明，应用该方法在无需将模型等效简化的情况下，能够一次性方便快捷的得到主轴及扇形板应力分布云图及应力与时间关系曲线图，从而提高了分析效率而且分析更符合实际工况^[4]。

武汉的钟毅与廖红卫，通过扫描电镜断口、成分分析、金相分析和硬度测试等方法, 对实际生产中断裂的热轧平整线开卷机棱锥轴的失效原因进行了分析，得出其断裂形式为准解理断裂，据此从轴的材料选用和机加工等方面提出了改进意见^[5]。

鞍山科技大学的姚瑶与王更柱，采用有限单元法，利用大型CAE数值分析软件ANSYS，对冷轧平整机组开卷机主轴进行了分析，建立了既简化又符合实际的有限元模型，进行弹、塑性计算，分析出了在不同载荷和不同工况下，该主轴的应力分布图和变形图，为厂方设计改造及扩大再生产提供了详实、可靠的依据^[6]。 太原重工的房庆华，为使在开卷机使用中选取三棱锥式或四棱锥式主轴时有可靠的理论依据，就应用 ANSYS 对选用的主轴进行有限元仿真，这为选取与设计开卷机主轴的结构提供了准确可靠的理论依据^[2]。 西安的王一博、杨乐等人，基于ANSYS Workbench l8.1有限元分析软件，对由于大风作用力引起的均压环断裂问题 进行逐步分析，通过确定计算条件、进行受力分析、建立模型和仿真计算等，分析得出该均压环在较大的 风载荷作用力下的位移和应力情况^[7]。给出了提高高压隔离开关均压环强度及运行可 靠性的具体措施。

1.2.2 国外研究状况