開卷機(jī)后反彎輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設(shè)計

黃軍銘 余愛祥

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川610052)

熱軋板橫切機(jī)組是主流熱軋板精整生產(chǎn)線，采用熱軋后的鋼卷作為原料，經(jīng)過開卷、粗矯直、精矯直、定尺橫切、垛板等一系列工藝流程后，得到成品熱軋板。深彎輥布置在開卷機(jī)后，見圖1，用于輔助帶鋼穿帶和甩尾，同時鋼卷開卷過程中反彎輥壓下對帶鋼進(jìn)行反彎，將帶鋼表面氧化鐵皮破鱗，并且具有一定反彎矯直功能。反彎輥的破鱗和反彎矯直功能對成品的表面質(zhì)量及板形有重要影響。

圖1 熱軋板橫切機(jī)組中反彎輥布置位置Figure 1 Reverse bending roll layout of hot rolling plate shearing line

1 優(yōu)化前反彎輥結(jié)構(gòu)特點

帶支撐輥的反彎輥結(jié)構(gòu)見圖2。反彎輥采用小規(guī)格直徑的輥子，采用7組支撐輥支撐反彎輥。支撐輥與反彎輥相切，安裝時支撐輥支座需采用墊片組調(diào)整位置。

圖2 帶支撐輥的反彎輥Figure 2 Reverse bending roll with supporting roll

該結(jié)構(gòu)反彎輥輥子直徑較小，破鱗和反彎矯直效果好，同時反彎輥具有多組支撐輥，設(shè)備剛度大，反彎輥彎曲變形很小。經(jīng)反彎后，反彎輥彎曲變形對帶鋼板形的影響可忽略不計。該反彎輥帶有支撐輥，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以下方面需要優(yōu)化：

(1)反彎輥輥子直徑較小，輥子與帶鋼接觸應(yīng)力大，輥子表面磨損量大，反彎輥使用壽命?。?/p>

(2)反彎輥帶有多組支撐輥，支撐輥采用高精度圓柱滾子軸承，設(shè)備投資成本高；

(3)支撐輥與反彎輥相切接觸，安裝時采用墊片調(diào)整位置，多組支撐輥安裝難度大，花費時間長；

(4)支撐輥所采用的滾子軸承為易損件，設(shè)備運行成本高；

(5)支撐輥數(shù)量多，更換支撐輥備件時所需的設(shè)備維護(hù)時間長。

2 優(yōu)化后反彎輥結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后反彎輥取消支撐輥，采用大直徑單輥結(jié)構(gòu)，見圖3。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的反彎輥具有以下優(yōu)點：

圖3 單輥式反彎輥Figure 3 Single roll type reverse bending roll

(1)反彎輥與帶鋼接觸應(yīng)力小，輥子表面磨損慢，輥子使用壽命長；

(2)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備安裝時間大幅減少；

(3)設(shè)備取消多個高精度圓柱滾子軸承，降低投資成本；

(4)減少軸承易損件，生產(chǎn)運行成本降低；

(5)減少反彎輥設(shè)備安裝維護(hù)時間。

優(yōu)化后，反彎輥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資成本減低。但是一方面為保證輥子強(qiáng)度，要求反彎輥輥子直徑較大，另一方面為保證良好的反彎破磷效果，要求輥子直徑較小，因此優(yōu)化后確定該反彎輥的輥子直徑是關(guān)鍵。

3 反彎輥直徑設(shè)計

表1是某厚板橫切機(jī)組原料的強(qiáng)度及厚度情況，根據(jù)原料數(shù)據(jù)進(jìn)行反彎輥直徑設(shè)計。

表1 某厚板橫切機(jī)組原料的強(qiáng)度及厚度情況Table 1 Rough material strength and thickness situation of a thick plate shearing line

3.1 反彎輥的直徑需滿足反彎破鱗效果

帶鋼反彎時，為保證破鱗及矯直效果，反彎輥直徑不能過大，反彎輥直徑可通過矯直理論確定，反彎輥直徑最大為：

Dmax=EH/σsCw

式中，E為彈性模量，E=2.1×105MPa；H為帶鋼厚度，單位mm；σs為帶鋼屈服強(qiáng)度，單位MPa；Cw為壓彎曲率比，矩形斷面Cw=3～4，此處反彎輥為初步反彎，取Cw=3。

將原料數(shù)據(jù)帶入計算，不同強(qiáng)度帶鋼在不同厚度時為保證帶鋼反彎時的破鱗及矯直效果的最大反彎輥直徑見表2。

從表2可知，為保證破鱗及矯直效果，屈服強(qiáng)度越大、厚度越小的帶鋼反彎時的反彎輥直徑越小。因此為保證所有規(guī)格材料滿足要求，Dmax≤394.8 mm。取整，反彎輥直徑D=390 mm。

表2 不同帶鋼反彎時為保證破鱗及矯直效果的最大反彎輥直徑Table 2 Maximum reverse bending roll diameter in the condition of various strip steel reverse bending for the purpose of assuring descaling and straightening effects

3.2 反彎輥的直徑需滿足接觸強(qiáng)度

反彎輥表面與帶鋼接觸，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力使反彎輥產(chǎn)生疲勞剝蝕。為保證接觸強(qiáng)度，反彎輥直徑不能太小，反彎輥直徑必須滿足：

式中，H為帶鋼厚度，單位mm；σs為帶鋼屈服強(qiáng)度，單位MPa。

將原料數(shù)據(jù)帶入計算，為保證接觸強(qiáng)度要求，不同強(qiáng)度帶鋼在不同厚度時最小反彎輥直徑見表3。

從表3可知，屈服強(qiáng)度越小、厚度越大的帶鋼的反彎輥直徑越大。因此，為保證所有原料反彎時的輥子接觸強(qiáng)度，直徑Dmin≥223.5 mm。反彎輥直徑D=390 mm，能夠滿足輥子接觸強(qiáng)度要求。

表3 不同帶鋼反彎時的最小反彎輥直徑Table 3 Minimum reverse bending roll diameter in the condition of various strip steel reverse bending

3.3 反彎輥強(qiáng)度校核

3.3.1 反彎輥作用力計算

根據(jù)反彎輥工作原理分析，反彎輥作用力包括帶鋼張力反作用力和帶鋼反彎需要的作用力。

(1)帶鋼張力反作用力

對各種規(guī)格帶鋼進(jìn)行反彎，支點距離l=300 mm時計算壓彎撓度見表4。

表4 支點距離l=300 mm時不同帶鋼的壓彎撓度Table 4 Bending deflection of various strip steel at 300 mm fulcrum distance

根據(jù)帶鋼最大壓彎撓度作出反彎輥受力圖，見圖4。帶鋼張力對反彎輥的反作用力最大為F1=2Tzsin19°=104.2 kN。

圖4 帶鋼最大壓彎撓度時反彎輥受力圖Figure 4 Force on reverse bending roll at maximum bending deflection of strip steel

(2)帶鋼反彎需要的作用力

帶鋼反彎需要的作用力計算方法可參考矯直機(jī)第1根輥子受力計算。矯直機(jī)第1根輥子受力計算為：

F2=2Ms/l=2σsbh2/4l=σsbh2/2l

式中，Ms為塑性彎曲力矩，單位kN·mm；l為支點到壓點距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)取l=300 mm；σs為帶鋼屈服強(qiáng)度，單位MPa；b為帶鋼寬度，單位mm；h為帶鋼厚度，單位mm。

將原料數(shù)據(jù)帶入計算，不同強(qiáng)度、不同厚度帶鋼的反彎力見表5。

表5 不同強(qiáng)度、不同厚度帶鋼的反彎力Table 5 Reverse bending force of strip steels with various strength and thickness

因此，反彎輥上的作用力為F=F1+F2=915.9 kN。

3.3.2 反彎輥輥身強(qiáng)度校核

先對反彎輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，作出受力圖和彎矩圖，見圖5。

圖5 反彎輥受力彎矩圖Figure 5 Bending moment of reverse bending roll under force

根據(jù)圖5，反彎輥輥身中部受彎矩最大，Mmax=266.9 kN·m。

反彎輥是被動輥，反彎輥輥身強(qiáng)度校核時只需校核輥身彎曲應(yīng)力，校核公式為：

σ=Mmax/W≤[σ0]

式中，W為抗彎截面模量，空心圓截面對Z軸的抗彎截面模量為：

W=πD3(1-α4)/32

式中，α為空心圓截面內(nèi)、外徑的比值，α=d/D。

反彎輥外徑為390 mm，壁厚為80 mm，內(nèi)徑d=390 mm-80 mm×2=230 mm，α=d/D=0.59。

輥身材質(zhì)選35CrMo，調(diào)質(zhì)處理。查設(shè)計手冊35CrMo在應(yīng)力變化情況下，許用應(yīng)力[σ0]=120 MPa。經(jīng)計算，輥身的彎曲應(yīng)力為：

σ=Mmax/W=51.2 MPa≤[σ0]

因此，反彎輥輥身直徑滿足強(qiáng)度要求。

3.4 反彎輥剛度校核

由于單輥式反彎輥取消支撐輥支撐，反彎輥工作時輥身有彎曲，輥身彎曲撓度的大小直接影響帶鋼板形狀況，也影響矯直機(jī)能否將帶鋼矯直成合格成品，因此，單輥式反彎輥需要校核反彎輥的彎曲撓度。

經(jīng)分析，反彎輥輥身中部彎曲撓度最大。根據(jù)彎矩圖5計算可得，最大彎曲撓度為：

式中，l1為AD長度，l1=2500 mm；l2為AB長度，l2=325 mm；q為帶鋼寬度范圍內(nèi)的均布載荷，q=360 kN/m；I為慣性矩，對于空心圓截面I=πD4(1-α4)/64。經(jīng)計算ymax=0.23 mm。

將反彎輥彎曲撓度與機(jī)組后續(xù)粗矯直機(jī)、精矯直機(jī)技術(shù)要求進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，該撓度在機(jī)組后續(xù)矯直機(jī)允許的來料要求范圍內(nèi)。反彎輥剛度滿足要求。

4 結(jié)語

(1)優(yōu)化后單輥式反彎輥減少設(shè)備安裝及維護(hù)時間，降低設(shè)備投資及運行成本。

(2)提供了單輥式反彎輥輥子直徑的設(shè)計方法，為類似機(jī)組開卷后反彎輥輥子直徑設(shè)計提供參考。

(3)提供了反彎輥受力計算、強(qiáng)度校核及剛度校核過程，為類似輥子設(shè)計提供參考。