輥式板材矯直機支承輥受力測試與分析

李艷威，王效崗，劉建龍，袁國鋒，岳照涵

(太原科技大學(xué)重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

中厚板是國民經(jīng)濟建設(shè)中的重要鋼材品種，用途廣泛，而矯直作為控制板形的重要工藝手段，目的是確保其矯后的板材獲得良好的板形和低的殘余應(yīng)力，其工藝水平直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。

在矯直輥系中，支承輥可以提高工作輥的強度和剛度［2］。在實際的生產(chǎn)中，矯直力通過工作輥直接傳遞給支承輥［3］。由于沖擊載荷和過載等原因，常常造成支承輥軸承的損壞［4］［5］。在實際生產(chǎn)中，因為軸承選型不當(dāng)造成損失的事例很多［10］，由于特殊的使用環(huán)境，矯直機支承輥軸承需要滿足能承受徑向載荷大、能承受軸向載荷、具有調(diào)心性能、拆裝維護方便和能夠適用于較惡劣的工作環(huán)境的使用要求［6］［7］［9］。所以，有必要對矯直過程中支承輥的實際受載和矯直力理論計算進行深入的研究，并實現(xiàn)對支承輥受力情況的在線監(jiān)測。

本文主要通過工程測試、常規(guī)理論計算分析，對支承輥矯直力受載情況作出分析，為中厚板矯直機的合理使用和挖潛、改造提供依據(jù)。

1 矯直力理論解析

在矯直過程中，假定材料原始曲率為C0，經(jīng)過一個矯直單元，在矯直輥的壓彎作用下產(chǎn)生彎曲的曲率Cw，此時的材料彎曲總變形為總變形曲率CΣ=Cw－C0;材料通過矯直單元以后開始卸載，在卸載的過程中，已經(jīng)發(fā)生的塑性變形將不能恢復(fù)，只有彈性變形部分發(fā)生彈復(fù)，其余的部分即為殘留變形，也即永久變形，卸載后的殘余曲率為Cc，從反彎曲率Cw到殘余曲率Cc的變化量稱為彈復(fù)曲率其中MΣ為本矯直單元產(chǎn)生的彎矩)，即在這兩個加載卸載的過程中，通過相同的Cw、Cf與CΣ的關(guān)系建立聯(lián)系，即已知原始曲率C0和壓彎曲率Cw，就可以得到殘余曲率Cc的值［8］。

矯直力的計算時根據(jù)板材矯直過程中的彎曲力矩而定［3］。

算出各輥處彎矩M 值后，可以按連續(xù)梁的三彎矩方程式寫出矯直力表達式，任意第i 輥的矯直力Pi為

作用在各個輥上的壓力可以依據(jù)每個彎曲單元力矩平衡條件得出

作用在上下輥的總的壓力為

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備為多功能液壓輥式矯直試驗平臺(圖1)，平臺包括矯直本體、傳動裝置、電氣控制、液壓伺服系統(tǒng)。

圖1 矯直試驗平臺Fig.1 Leveling test platform

矯直機工作時，由主電機通過減速機、齒輪箱、萬向接軸帶動輥系轉(zhuǎn)動，板材通過輥系完成矯直。矯直機壓下動作由液壓伺服缸帶動完成，由四個液壓壓下裝置帶動上輥系移動來調(diào)整入、出口輥縫;由一個液壓伺服缸帶動對開梁的運動來實現(xiàn)上輥系的彎輥動作。試驗臺具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

試驗矯直速度為0.15 m/min，矯直輥運行速度30 min，板材入口輥縫3.0 mm、出口輥縫3.0 m，由于矯直力過大，矯直時讓邊輥處于低位，試驗采用板材為Q-235，主要規(guī)格參數(shù)及力學(xué)性能如表2 所示。

表1 試驗臺技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical data sheet of leveling test platform

表2 試驗材料主要參數(shù)Tab.2 The main parameters of the test material

2.2 試驗方案

通過ABAQUS 軟件進行支承輥受力的模擬仿真，如圖2 所示，由應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，支承輥軸承座的底部區(qū)域為主要的受力區(qū)域，如圖3 所示;因此對該區(qū)域的載荷水平進行測試，如圖4所示。矯直力支撐輥矯直力測試，測試方法采用電阻應(yīng)變法，通過粘貼應(yīng)變片，使支承輥變形處的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集儀和信號記錄分析儀來進行數(shù)據(jù)的采集分析。矯直機的支承輥兩兩交錯布置，分段對每根工作輥支撐，每根工作輥分6 段支撐，如圖5 所示。

圖2 ABAQUS 模擬仿真Fig.2 ABAQUS simulation

圖3 仿真應(yīng)力云圖Fig.3 Simulation stress cloud

圖4 粘貼應(yīng)變片F(xiàn)ig.4 Past strain gauges

圖5 支承輥支撐方式Fig.5 Back-up rollers

共有24 個支承輥，共設(shè)48 個測點，如圖6所示。支承輥矯直力測試時采用半橋貼法，兩片之間相互進行溫度補償。測試前采用離線實物標定，為了提高實驗測試的準確度，對每個支承輥分別采用液壓千斤頂加載進行標定，標定過程和結(jié)果如圖7 所示，標定結(jié)果表明制作的傳感器線性度良好。

2.3 實際測試數(shù)據(jù)分析

由各測試圖可以看出，各支承輥的承受載荷極值一般會出現(xiàn)在咬入和甩尾的階段;在穩(wěn)定矯直階段，載荷情況一般會穩(wěn)定在一定的水平。在實際的生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，矯直輥支承輥的內(nèi)部容易進水，而且矯直過程中會產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，會夾在兩輥之間造成支承輥的損壞，所以當(dāng)支承輥和軸承損壞時，也會造成載荷信號的不規(guī)律和不平穩(wěn)，具體分析過程結(jié)合實測數(shù)據(jù)來分析。

圖6 傳感器布置示意圖Fig.6 Sensor arrangement

圖7 系統(tǒng)標定現(xiàn)場Fig.7 System calibration site

由圖8 支承輥測試信號可以看出，隨著矯直的進行，支撐輥的載荷信號有明顯的變化。該工作輥的對應(yīng)A－F 六組支承輥的載荷信號反應(yīng)了一定的問題，具體來說C、D 兩組的載荷水平比較高，A、E組載荷水平其次，B、F組的載荷水平相對較低，具體到每一組支承輥的載荷信號，趨勢分布也有所不同，反映了各自的一些特征。比較圖9a～d，在穩(wěn)定矯直階段的1～4組支承輥平均載荷分布，可以看出，1組、2組和3組載荷信號都反應(yīng)了中部的載荷大于邊部的載荷，基本呈現(xiàn)中間高，兩邊低的趨勢，其中2組反應(yīng)了邊部靠里一排的載荷低于邊部的載荷;4組的平均載荷信號中，由于B4#支承輥的應(yīng)變片損壞，導(dǎo)致沒有信號數(shù)據(jù)，但是綜合其他數(shù)據(jù)可以看出，呈現(xiàn)中間低，兩邊高的趨勢，分析認為可能是由于來料浪形使上輥系發(fā)生了彎曲撓度，導(dǎo)致支承輥載荷分布反常。

圖8 橫向支承輥載荷測試信號Fig.8 Lateral load backup-roll test signal

圖9 穩(wěn)定矯直階段的沿橫向分布的平均載荷Fig.9 The average load stable phase

如圖10a，A組支承輥，在板材到達工作輥以后，支承輥的載荷明顯升高，此時處于板材的咬入階段，載荷逐漸上升到最大值后保持平穩(wěn)，直到板材逐漸離開3#輥后，支承輥載荷逐漸降低，恢復(fù)到原始值，總體來說，A組的支承輥沒有明顯的沖擊載荷出現(xiàn)，穩(wěn)定矯直階段的載荷分布在20～24 kN 之間;如圖10b，B組支承輥，載荷分布趨勢與A組類似，但是總體載荷水平要比A組低，靠近中部的矯直力會逐漸增大，分析實驗結(jié)果，認為可能是由于在兩處的板材浪形不同，板材的邊浪缺陷導(dǎo)致了A組支承輥承受了比較大的矯直力;B組支承輥在咬入階段也沒有出現(xiàn)載荷沖擊，載荷基本分布在14～16 kN 之間，但是，在甩尾階段出現(xiàn)一個小的沖擊，最大載荷19 kN，矯直結(jié)束后載荷迅速恢復(fù)零值。

圖10 各組支承輥的載荷情況Fig.10 Load backup-roll in each group

D組矯直輥載荷信號如圖10c 所示，矯直過程中處于板材的中心位置，載荷分布趨勢和分布范圍大體相同，在鋼板進入工作輥以后，此時的載荷很快升高，并帶有明顯的載荷沖擊，咬入階段C組支承輥最大載荷45 kN，D組支承輥最大載荷50 kN，之后進入穩(wěn)定矯直階段，載荷略微下降，并保持穩(wěn)定，C組基本穩(wěn)定在40 kN 附近，D組穩(wěn)定在38 kN 附近，進入甩尾階段以后，C組和D組支承輥的載荷又出現(xiàn)增大，甩尾階段的載荷沖擊，C組最大載荷50 kN，D組最大載荷50 kN，甩尾完成后兩組支承輥載荷迅速下降，C組支承輥在下降的過程中在140～160 s之間還有一個小的沖擊，可能是由于安裝精度的不準確造成的波動，之后載荷信號恢復(fù)零值。

E組支承輥載荷信號如圖10d 所示，在鋼板到達工作輥開始矯直以后，咬入階段，其載荷信號迅速升高，出現(xiàn)明顯的載荷沖擊，載荷最大值17 kN，之后載荷信號急劇降低，進入穩(wěn)定矯直階段，此時的載荷基本分布于0～4 kN 之間，一直保持到穩(wěn)定矯直階段結(jié)束，之后開始進入甩尾階段，載荷又出現(xiàn)沖擊，載荷幅值迅速升高，而且比咬入階段的載荷值要大，最大值達到22 kN，矯直結(jié)束后載荷恢復(fù)零值。總體來看，E組支承輥的載荷信號只有在咬入和甩尾階段會出現(xiàn)比較大的沖擊，載荷值在短時間內(nèi)升高比較大，而在穩(wěn)定矯直階段載荷水平比較低，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由來料板材具有浪形，在矯直的過程中導(dǎo)致矯直輥出現(xiàn)撓度，在穩(wěn)定矯直期間內(nèi)支承輥承受的載荷下降

從縱向的矯直方向來分析支承輥的受載情況，如圖11 所示，D4、D3、D2、D1 支承輥分別支撐3#、5#、7#、9#工作輥，板材首先來到3#工作輥，與之對應(yīng)D4 支承輥的載荷信號開始升高，經(jīng)過咬入階段的載荷沖擊以后進入穩(wěn)定矯直，最大值25KN，之后逐漸減小，沒有甩尾沖擊，甩尾前載荷為17 kN，最后恢復(fù)到零值;D3支承輥對應(yīng)的載荷信號在D4 之后產(chǎn)生變化，也是經(jīng)過沖擊之后進入穩(wěn)定矯直，隨后歸零，但是D3 的咬入沖擊載荷較大，最大值達到42.5 kN，而且D3 的載荷水平要整體高于D4，說明5#工作輥的矯直力要高于3#;D2 在D3 之后進入受載狀態(tài)，D2 載荷信號顯示出咬入沖擊和甩尾沖擊，并且整體載荷水平最高，說明在本次矯直過程中，7#工作輥承受的矯直力是最大的，最大值達到50 kN;D1組支承輥最后開始受載，載荷分布情況與D4 類似，整體載荷水平略高于D3，最大值達到32 kN。

圖11 縱向支承輥載荷測試信號Fig.11 Vertical load backup-roll test signal

3 結(jié)論

(1)本次測試的實驗方案比較完善，測試效果比較理想，實現(xiàn)了矯直過程中支承輥矯受力的在線監(jiān)測。

(2)矯直時工作輥的咬入沖擊和甩尾沖擊，會使載荷信號出現(xiàn)尖峰載荷現(xiàn)象，是造成矯直機支承輥軸承損壞的主要原因。板材的來料浪形和不平直也會影響支承輥的載荷分布。中部的載荷水平要整體高于兩側(cè)。

(3)個別支承輥的載荷信號在穩(wěn)定矯直階段出現(xiàn)了周期性的波動，可能是支承輥軸承的故障導(dǎo)致。本次測試方案可以實現(xiàn)對支承輥的軸承故障檢測，有利于提前發(fā)現(xiàn)故障，減小生產(chǎn)損失。

(4)通過模擬仿真發(fā)現(xiàn)，在增大矯直力的情況下，目前支承輥的軸承座有發(fā)生扭曲和損壞的潛在危險，軸承座的材料選擇和布局有待進一步改進。

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