硅酸鈣板輥壓的力學(xué)特性研究

李健 李昱宏 李新

摘? 要：針對(duì)硅酸鈣板輥壓的理論和方法前人研究較少，文章對(duì)硅酸鈣板輥壓的力學(xué)特性進(jìn)行分析與計(jì)算.通過對(duì)硅酸鈣板坯料的反彈特性及硅酸鈣板輥壓的力學(xué)特性分析，得出擠壓區(qū)輥筒表面壓力分布和反彈區(qū)輥筒表面壓力分布，根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)材料壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)方法，得出其壓縮特性的計(jì)算公式和輥壓力的計(jì)算公式后，計(jì)算出硅酸鈣板的輥壓力.可為硅酸鈣板輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)如電機(jī)選擇、軸承選用、輥筒設(shè)計(jì)、機(jī)架設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：硅酸鈣板;輥壓;特性;研究

中圖分類號(hào)：TH113? ? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45‐1395/t.2019.01.010

0? ? 引言

上世紀(jì)30年代，已有學(xué)者提出了輥壓機(jī)的設(shè)想，但直到1977年，才由德國科勞斯特爾大學(xué)的K.Schonert教授[1]提出了輥壓機(jī)技術(shù)理論，并獲得了專利，1984年，德國研究生產(chǎn)了地球上第一臺(tái)輥壓機(jī).隨著世界各國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，日本和法國也先后制造了自己的輥壓機(jī).目前國外一些發(fā)達(dá)國家的輥壓機(jī)設(shè)計(jì)制造水平已經(jīng)非常成熟.輥壓機(jī)技術(shù)不僅在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也得到了快速發(fā)展.1987年，國內(nèi)幾個(gè)大型機(jī)械廠和水泥工業(yè)設(shè)計(jì)院合作，從德國洪堡公司引進(jìn)了輥壓機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，經(jīng)過多年的學(xué)習(xí)研究，于1992年研究生產(chǎn)出國內(nèi)第一臺(tái)輥壓機(jī)[2]，并廣泛應(yīng)用于水泥、礦山、冶金等行業(yè).硅酸鈣板是美國OCDG公司發(fā)明的一種性能穩(wěn)定的新型建筑材料.20世紀(jì)70年代在發(fā)達(dá)國家推廣使用并發(fā)展起來.經(jīng)過30多年的應(yīng)用，已經(jīng)證明是一種耐久可靠的建筑材料.我國一些科研單位和大專院校在20世紀(jì)80年代初開始對(duì)硅酸鈣板的機(jī)理和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，直到1990年才由武漢建材工業(yè)設(shè)計(jì)院和三明新型建材總廠合作，建成國內(nèi)第一條完整的設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)150萬平方生產(chǎn)線.本文擬研究輥壓機(jī)技術(shù)輥壓綠色環(huán)保建材——硅酸鈣板[3-4]，經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)，幾乎查不到有關(guān)硅酸鈣板輥壓的反彈特性和力學(xué)特性的研究，大部分廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來生產(chǎn).為此本文借鑒前人對(duì)一般物料的反彈特性和力學(xué)特性對(duì)硅酸鈣板輥壓的力學(xué)特性進(jìn)行研究與計(jì)算，為硅酸鈣板輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1? ? 硅酸鈣板輥壓機(jī)簡介

硅酸鈣板專用輥壓機(jī)是借鑒一般的輥壓機(jī)和傳統(tǒng)軋鋼機(jī)的工作原理而設(shè)計(jì)出的一種基于以上兩種機(jī)械器械的用于硅酸鈣板生產(chǎn)的專用機(jī)械[5-6].整臺(tái)設(shè)備由傳動(dòng)裝置、軸輥系、鋼帶，關(guān)節(jié)臂螺紋調(diào)節(jié)裝置，防跑偏裝置，機(jī)架等主要部件構(gòu)成，其中軸輥系、關(guān)節(jié)臂螺紋調(diào)節(jié)裝置，防跑偏裝置是輥壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù).輥壓機(jī)的大致結(jié)構(gòu)如圖1所示.其工作原理為硅酸鈣板從兩輥輪之間送入，下面的四輥由電機(jī)-鏈條帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，上面的四輥通過關(guān)節(jié)臂螺紋調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)與下面四輥的相對(duì)距離，每對(duì)滾筒可根據(jù)實(shí)際需求單獨(dú)調(diào)節(jié)其間距，硅酸鈣板半成品在下面的轉(zhuǎn)動(dòng)輥的帶動(dòng)中緩慢進(jìn)入輥與輥中，在壓力與摩擦力的作用下被軋制，從而能夠制造出具有一定厚度的硅酸鈣板.

2? ?硅酸鈣板坯料的反彈特性

硅酸鈣板是指由一定配比的硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、增強(qiáng)纖維等主要材料加水混合成一定濃度的料漿，經(jīng)生產(chǎn)工藝加工而成的新型綠色環(huán)保建材[7].目前，輥壓工藝的設(shè)計(jì)理論還不成熟，重要的技術(shù)參數(shù)大部分采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法進(jìn)行設(shè)定，故這些參數(shù)具有一定的局限性.本文所研究的專用輥壓機(jī)，其輥壓的硅酸鈣板坯料中含有大量的纖維、鈣質(zhì)等增強(qiáng)材料，坯料在輥壓過程中具有很強(qiáng)的延展性，故在研究輥壓機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)時(shí)，需對(duì)坯料的反彈特性進(jìn)行必要的分析計(jì)算.一般研究物料的反彈特性可根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料（物料）的相對(duì)密度δ和作用其上的壓力Pp的關(guān)系曲線來描述.因此，根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)材料壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出體現(xiàn)其壓縮特性的計(jì)算公式如下[8]：

物料經(jīng)過輥筒的擠壓壓縮后，作用于坯料之上的壓力隨之消失，根據(jù)物料反彈特性可知，被壓縮的坯料將會(huì)有反彈的現(xiàn)象.由實(shí)驗(yàn)所記錄下來的數(shù)據(jù)表格，物料的反彈特性表達(dá)式可表示如下[9]：

3? ? 硅酸鈣板輥壓的力學(xué)分析

3.1? ?理論分析

根據(jù)輥壓機(jī)的輥壓工藝，將輥壓過程分為3個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.如圖2所示，輸送帶輸送坯料進(jìn)入兩輥之間的間隙，于[A1A2]平面開始接觸輥面準(zhǔn)備輥壓，此時(shí)物料的初始密度為[δ0]，兩輥之間的間隙為d.在C1C2截面處時(shí)物料逐漸被擠壓，此時(shí)物料的速度將與輥筒旋轉(zhuǎn)的線速度相同，兩輥間隙為h.在[B1B2]平面，此時(shí)物料的相對(duì)密度將為最大值[δm]，兩輥之間的距離為最小值m.隨著輸送帶的繼續(xù)傳送，坯料被運(yùn)送離開B1B2平面，此時(shí)兩輥之間的間隙增大，施加于坯料上的壓力消失了，坯料將在重力方向上反彈.直到坯料達(dá)到[D1D2]平面，此時(shí)坯料的反彈結(jié)束，坯料的相對(duì)密度為[δγ]，然后完成坯料的某道擠壓工步.可以將擠壓工步分為待壓區(qū)[（A1A2]之前[）]、擠壓區(qū)[（A1A2]—C1C2—[B1B2][）]和反彈區(qū)（[B1B2]—[D1D2）][10].

為便于對(duì)輥壓機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析，需作以下4個(gè)假設(shè)：

1）坯料在待壓區(qū)的相對(duì)密度不變，恒為[δ0];

2）坯料在擠壓區(qū)時(shí)，其變形只產(chǎn)生于重力方向，且坯料的速度與輥筒表面速度一致;

3）在[B1B2]平面時(shí)，兩輥間距達(dá)到最小，且壓縮結(jié)束;

4）在擠壓輥中部的間距，坯料的壓縮-反彈特性曲線圖（p-δ）與單軸擠壓的情況相同，其方向?yàn)橹亓Ψ较?

借鑒鋼坯等一般物料的擠壓計(jì)算公式，擠壓輥表面的壓力可由方程表示：

3.1.1? 待壓區(qū)輥筒表面壓力分布

根據(jù)上述假設(shè)可知，待壓區(qū)相對(duì)密度恒定為[δ0]，即在此區(qū)域內(nèi)任一截面中的質(zhì)量流速是恒定的，此時(shí)坯料內(nèi)的速度會(huì)有一個(gè)加速過程，坯料只有微小的變形，擠壓輥表面所受的壓力與其他區(qū)域相比，受到的壓力非常小，沒有分析的意義，因此忽略不計(jì).

3.1.2? ?擠壓區(qū)輥筒表面壓力分布

在擠壓區(qū)，假設(shè)坯料各斷面水平速度與輥筒表面速度相同，并且任一垂直面的質(zhì)量相等，可知：

3.2? ?輥壓力的計(jì)算

根據(jù)上面理論分析，輥壓力的具體計(jì)算如下：輥筒所施加的擠壓壓力與坯料反作用于輥筒表面的壓力相平衡，由此可得輥筒壓力的方程等式，由輥筒自重、擠壓區(qū)和反彈區(qū)輥筒表面各微元壓力的積分求得[11]：

在物料反彈特性中可知，物料的類別、含水量以及粒度大小均會(huì)影響其特性，為了方便研究硅酸鈣板坯料的壓縮特性，本節(jié)將采用類比的方法，采用上述方法對(duì)其初步計(jì)算.硅酸鈣板配方中主要成分為硅砂、石灰石、水泥，本文將以硅砂為主研究計(jì)算彈簧預(yù)緊力，如表1所示.

為了滿足工況要求，需要計(jì)算坯料受力最大位置的受力情況，此處輥筒壓力最大值在[α=0]處，此時(shí)輥面所受的力只有法向壓力即輥壓力.由表1和式（1）—式（15），碾壓力為：

4? ? 結(jié)束語

通過硅酸鈣板坯料的反彈特性和硅酸鈣板輥壓的力學(xué)特性分析，計(jì)算出其輥壓力為660 892 N，得出如下結(jié)論：1）硅酸鈣板坯料是一種反彈性和延展性較強(qiáng)的材料，其壓縮特性可用一般物料的計(jì)算公式計(jì)算;2）計(jì)算得出的輥壓力較大，可為后續(xù)整個(gè)輥壓機(jī)的設(shè)計(jì)如電機(jī)選擇、軸承選用、輥筒設(shè)計(jì)、機(jī)架設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù).由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作量巨大尚難完成，所以所提理論及公式得在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或?qū)嵺`中得到驗(yàn)證后方可，但可以作為硅酸鈣板輥壓機(jī)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ).

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