寬厚板矯直機輥系能力特性分析

趙 崠

(太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西030024)

寬厚板矯直機所需矯直板材的規(guī)格范圍廣，矯直速度范圍大，通常采用一套輥系與傳動系統(tǒng)完成規(guī)格范圍內(nèi)所有板材的矯直。由于輥系參數(shù)的選定受矯直質(zhì)量、機械強度和設(shè)計結(jié)構(gòu)局限的影響，故在對某一具體規(guī)格板材，按選定的矯直方案進行矯直時，輥系的矯直能力會因力能參數(shù)的影響而受到限制。

寬厚板矯直機的矯直輥數(shù)一般為9輥或11輥，各輥尺寸結(jié)構(gòu)相同。在板材矯直過程中，軋件經(jīng)各矯直輥所受的反彎變形是逐步遞減的，遞減的反彎量使各矯直輥處的力能參數(shù)不盡相同；在生產(chǎn)實踐中多采用大變形矯直方案，即加大板材在第2、3根矯直輥的反彎曲率比到5左右，這樣板材經(jīng)反彎彈復(fù)后會快速形成單值的殘余曲率，有利于后續(xù)輥子的矯直，提高板材矯直精度。因此第2、3根矯直輥所受矯直力與矯直力矩均為各輥中的最大值，以致整個輥系的矯直能力受其單輥矯直能力的限制，在矯直機的設(shè)計、使用中，可選取第2、3輥的矯直工況為樣本進行單輥矯直能力特性分析，并將結(jié)果作為整個輥系矯直能力特性與工藝參數(shù)的選擇依據(jù)。

以一臺總矯直力為單向26 MN，傳動方式為各輥單獨輥驅(qū)動的9輥寬厚板冷矯直機輥系參數(shù)為例，按大變形矯直方案，從矯直質(zhì)量、矯直力、矯直力矩、咬入條件、矯直速度幾個方面進行單輥矯直能力特性分析。

1 寬厚板冷矯直機的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 矯直機輥系參數(shù)

矯直輥數(shù)n：9

矯直輥輥徑D：220 mm

矯直輥軸頸d：130 mm

矯直輥輥距P：260 mm

矯直輥身長度L：3600 mm

矯直輥材料：60CrMoV

許用剪應(yīng)力[τ]：取180 MPa

1.2 矯直板材規(guī)格、性能與速度

矯直速度v：0～1 ms

矯直板材：合金鋼板材

厚度H：6 mm～30 mm

寬度B：1500 mm～3350 mm

矯直板材性能：厚度<15 mm時，σs=1100 MPa；厚度為15 mm～30 mm時，σs=550 MPa～1100 MPa

2 矯直質(zhì)量特性分析

矯直輥徑值的選取對保證矯直質(zhì)量有重要影響，當(dāng)按大變形方案進行矯直時，設(shè)定第2、3根矯直輥的相對反彎曲率達到5，加之板材原始曲率的作用，此時軋件斷面塑性變形率達到80%以上。由于對板材施加的相對反彎曲率是靠矯直輥的反彎實現(xiàn)的，板材厚度越薄、強度越高，所需反彎曲率越大，輥徑越小，矯直精度越高，所以在對輥徑值的矯直質(zhì)量特性分析時，只需按板材規(guī)格中厚度最薄、強度最高的品種，以相對反彎曲率Cw=5為條件驗算最大輥徑Dmax值即可。

計算滿足矯直質(zhì)量的最大輥徑值Dmax：

式中，E為鋼質(zhì)彈性模量，取E=2.1×105MPa；σs為板材屈服強度，取σs=1100 MPa；Hmin為板材最小厚度，取Hmin=6 mm。

選定的矯直輥徑D=220 mm≤Dmax，滿足矯直質(zhì)量條件。

3 單輥矯直力特性分析

矯直力是軋件所受反彎力矩作用在矯直輥上產(chǎn)生的壓力，矯直力是由布置在矯直輥身上的支承輥來承受的，矯直輥幾乎不承受矯直力；在選定的矯直輥參數(shù)條件下，支承輥的配置受矯直輥參數(shù)與機械強度的限制而保持在一定的范圍內(nèi)，所以支承輥的支承能力決定了矯直輥的許用矯直力。

3.1 矯直輥單輥許用矯直力

在此例中，每根矯直輥配置了8排支承輥，每排支承輥間距t1=450 mm，支承輥輥徑D1=250 mm，支承輥軸徑d1=130 mm，支承輥身長度L=210 mm，矯直輥單輥許用矯直力FD=8 791 200 N。

3.2 繪制單輥矯直力特性曲線

選取典型規(guī)格板材參數(shù)，按第3輥相對反彎曲率Cw3=5，計算單輥矯直力為：

式中，M3為第3輥對板材的相對彎曲力矩，在Cw3=5時，M3=1.48。

板材的彈性彎矩Mt為：

以第3輥產(chǎn)生的相對反彎曲率Cw3=5時，矯直輥單輥許用矯直力FD滿足第3輥所受的矯直力F3為條件進行單輥矯直力特性分析，即

按照上式，在確定板寬值B后，算出板厚值H所對應(yīng)的屈服極限值σs，綜合考慮板寬值范圍選取B=2300 mm進行計算，繪出以H-σs為變量的單輥矯直力特性曲線，如圖1所示。

圖1 單輥矯直力特性曲線

4 單輥矯直力矩特性分析

4.1 單輥許用扭轉(zhuǎn)強度

矯直力矩包括摩擦阻力矩和軋件塑性變形阻力矩，在選定矯直輥直徑后，軸頸直徑因受結(jié)構(gòu)條件的限制與輥徑保持一定的比例關(guān)系而形成定值，按軸頸尺寸與材料的許用剪應(yīng)力可得出單輥許用扭轉(zhuǎn)強度MD：

式中，K為安全系數(shù)，取K=0.55；[τ]為許用剪應(yīng)力，冷軋矯直輥材料為60CrMoV，許用剪應(yīng)力[τ]=180 MPa。

4.2 單輥矯直力矩

按第3輥相對反彎曲率Cw3=5，計算最大單輥矯直力矩T3：

式中，f為軋件與輥面的滾動摩擦系數(shù)，取f=0.4 mm；μ為軸承摩擦系數(shù)，取μ=0.005；u3為第3輥矯直變形能量比，Cw3=5時，u3=10；D為矯直輥徑，D=220 mm；d為矯直輥軸頸，d=130 mm；板材的彈性變形能ut為：

T3=0.0055BH2σs+0.00087BHσs2

4.3 繪制單輥矯直力矩特性曲線

以第三輥產(chǎn)生的相對反彎曲率Cw3=5時，單輥許用扭轉(zhuǎn)強度MD滿足單輥矯直力矩T3為條件進行單輥矯直力矩特性分析，即

0.0055BH2σs+0.00087BHσs2=42684963.75 N·mm 按上式，在確定板寬值B后，算出板厚值H所對應(yīng)的屈服極限值σs，綜合考慮板寬值范圍選取B=2300 mm進行計算，繪出以H-σs為變量的單輥矯直力矩特性曲線，如圖2所示。

5 單輥矯直速度特性分析

按單輥許用扭轉(zhuǎn)力矩MD，選取矯直速度v后，即可確定單輥電機功率ND。此后矯直速度的選擇可按單輥電機驅(qū)動功率ND滿足第3輥矯直力矩T3的驅(qū)動功率為條件進行分析。

圖2 單輥矯直力矩特性曲線

圖3 單輥矯直速度特性曲線

Figure 3 Curve of single roll straightening rate

圖4 板頭咬入條件特性曲線

圖5 單輥矯直能力特性曲線

Figure 5 Curve of single roll straightening capability

5.1 計算單輥電機驅(qū)動功率

按以上得出的單輥許用扭轉(zhuǎn)力矩MD，綜合考慮矯直速度要求范圍，選取v=0.4 ms，則單輥電機驅(qū)動功率ND為：

式中，η為傳動效率系數(shù)，取η=0.9；v為矯直速度，取v=0.4 ms；D為矯直輥直徑，D=0.22 m。單輥選取ND=185 kW變頻調(diào)速電機。

5.2 單輥矯直速度特性曲線

以單輥電機驅(qū)動功率ND滿足單輥矯直力矩T3的驅(qū)動功率為條件繪制單輥矯直速度特性曲線。

=185 kW

分別將矯直速度v=0.4 ms、v=0.6 ms、v=0.8 ms、v=1 ms，B=2300 mm代入上式，繪出以H-σs為變量的單輥矯直速度特性曲線，如圖3所示。當(dāng)H與σs兩坐標(biāo)的交點處于兩曲線之間時可用插值法確定v值。

6 板頭咬入條件特性分析

在選定的矯直輥徑和輥距值下，當(dāng)?shù)?、3輥采用大的相對反彎曲率時，壓下量必然要增大，這使第1輥和第2輥的矯直輥縫值變小，不利于軋件頭部的咬入。

按相對反彎曲率Cw2=5時，設(shè)定第2輥的壓下量δ2后，以滿足咬入條件的最大輥徑D進行咬入條件特性分析。

6.1 計算第2輥所需的壓下量δ2

δ2=2δw2=2×0.044σsH=0.088σsH

輥系內(nèi)零彎矩點到壓力作用點間的距離l為：

l=0.25P=0.25×260=65 mm

6.2 滿足咬入條件的最大輥徑

通過分析咬入時力學(xué)模型[1]，得出滿足咬入條件的最大輥徑D=26δ2。

6.3 繪制咬入條件特性曲線

以D=220 mm滿足咬入條件的最大輥徑D=26δ2進行咬入條件特性分析，即

D=26δ2=26×0.088σsH=220 mm

按上式可以繪出以H-σs為變量的板頭咬入條件特性曲線，如圖4所示。

7 結(jié)論

綜合以上各項分析，將圖1～圖4的特性曲線進行疊加，得出單輥矯直能力特性曲線，如圖5所示。圖中的斜線區(qū)域即為單輥矯直能力范圍，并可作為整個設(shè)備矯直能力與工藝參數(shù)的選擇依據(jù)。本文為寬厚板矯直機輥系能力分析計算提供了一種模型。

由于矯直能力的計算受板材厚度、寬度、屈服極限、矯直速度四個變量的影響，所以依據(jù)詳細(xì)的產(chǎn)品大綱，綜合考慮矯直板材的主要規(guī)格，選取合理的板寬值和矯直速度進行計算是非常重要的，并直接影響到分析結(jié)果。