連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線驅(qū)動輥自糾偏輥形設計

□ 李 楊

江蘇正威新材料股份有限公司 江蘇如皋 226500

1 設計背景

連續(xù)氈增強熱塑性片材是由連續(xù)氈與上下淋膜層在加熱、加壓的情況下,熱塑性樹脂與連續(xù)氈充分浸潤并經(jīng)冷卻定型而成,它具有各向同性、抗移性好、浸潤型好、機械剛度高等其他片材難以替代的優(yōu)勢,成為當今熱塑材料研發(fā)的熱點。連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線是連續(xù)氈增強熱塑性片材生產(chǎn)的針對性設計產(chǎn)品,具有構(gòu)思精巧、結(jié)構(gòu)新穎、傳熱效率高、投資少等優(yōu)點,在熱塑片材復合領域應用前景廣泛,市場潛力巨大。

驅(qū)動輥是連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線的重要部件,分為上驅(qū)動輥和下驅(qū)動輥。驅(qū)動輥采用芯軸+輻板結(jié)構(gòu),伺服電機驅(qū)動。為保證對鋼帶的有效驅(qū)動,在驅(qū)動輥表面安裝由粉末冶金材料壓制而成的摩擦片,摩擦片與驅(qū)動輥面采用螺栓連接。驅(qū)動輥對鋼帶具有驅(qū)動、張緊和糾偏的功能。驅(qū)動輥面為自糾偏形狀設計,采用凸度輥形,設置合理的中高。驅(qū)動輥在具有自糾偏功能的同時,還設計有獨立的液壓張緊和糾偏裝置,采用比例積分微分控制器閉環(huán)控制。驅(qū)動輥自糾偏輥能力與獨立糾偏裝置的有機接合,能有效提高系統(tǒng)的糾偏能力,充分保證鋼帶的穩(wěn)定運行。

2 自糾偏輥糾偏原理

2.1 錐度輥糾偏原理受力分析

連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線中,鋼帶繞行于驅(qū)動輥和主加熱輥。鋼帶跑偏的原因主要包括:① 驅(qū)動輥、加熱輥的制造誤差;② 設備安裝誤差;③ 鋼帶的長度、厚度等方面的誤差;④ 工作環(huán)境溫度變化;⑤ 鋼帶張緊力變化及負載變化。

驅(qū)動輥自糾偏輥形可以設計為鼓型、雙錐度、凸度等形狀。下面以自糾偏輥形最簡單的形狀——錐度輥為例,對鋼帶糾偏進行受力分析,如圖1所示。

▲圖1 錐度輥糾偏受力分析

鋼帶在初張力F0的作用下,與驅(qū)動輥面實現(xiàn)緊密貼合。工作過程中,鋼帶在驅(qū)動輥驅(qū)動下,帶動加熱輥旋轉(zhuǎn)。由于摩擦作用,鋼帶緊邊的拉力為F1,松邊的拉力為F2。假定鋼帶長度保持不變,則有:

2F0=F1+F2

(1)

驅(qū)動輥受到鋼帶包覆產(chǎn)生的壓軸力FP為:

FP=2F0sin(γ/2)

(2)

式中:γ為鋼帶對驅(qū)動輥的包角。

在鋼帶滑動的臨界狀態(tài)時,鋼帶沿驅(qū)動輥錐度方向的摩擦力Ff為:

Ff=μFPcosθ=2μF0sin(γ/2)cosθ

(3)

式中:θ為驅(qū)動輥的錐度角;μ為鋼帶與驅(qū)動輥之間的摩擦因數(shù)。

由于包覆力作用,鋼帶在運動中沿錐度輥斜面產(chǎn)生的糾偏力FQ為:

FQ=2F0sin(γ/2)sinθ

(4)

由于驅(qū)動輥直徑較大,轉(zhuǎn)速較低,鋼帶繞驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心力忽略不計,則鋼帶沿驅(qū)動輥錐度方向的糾偏力F為:

F=FQ+Ff=2F0sin(γ/2)(sinθ+μcosθ)

(5)

由式(4)可以看出,對于平輥,由于θ為0°。不具有糾偏作用。對于錐度輥,θ為0°～90°,F大于0恒成立,這就是錐度輥的自糾偏原理。在一定范圍內(nèi),θ越大,輥子的糾偏效果越好,鋼帶越不容易跑偏。但θ過大,鋼帶會出現(xiàn)壓痕或瓢曲,對鋼帶造成損傷。

2.2 錐度輥糾偏位移量計算

鋼帶單元受力分析如圖2所示,取單位寬度的鋼帶單元進行分析,鋼帶單元兩側(cè)的圓周速度分別為va、vb,且va小于vb。在該速度差的作用下,鋼帶單元受到力矩M的作用,向左偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度為β。由于輥子的旋轉(zhuǎn),在側(cè)向滑移摩擦力和螺旋偏移向心力的作用下,鋼帶單元向輥子中心線方向移動,達到糾偏作用。輥子旋轉(zhuǎn)一周,鋼帶向輥子中心線的移動量Δx可以近似表示為:

▲圖2 鋼帶單元受力分析

(6)

式中:k為輥子的糾偏因數(shù);r為輥子的直徑;B為鋼帶寬度;α為鋼帶與輥面接觸角度;α1為鋼帶與輥面開始接觸時的角度;α2為鋼帶與輥面脫離接觸時的角度。

3 驅(qū)動輥輥面曲線設計

驅(qū)動輥輥形的設計有多種形式,鋼帶的厚度、寬度、長度的不同對驅(qū)動輥形的要求也有所不同,凸度輥形多用于鋼帶包角較大的情況,雙錐度輥形對鋼帶寬度的適應范圍廣。連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線中,驅(qū)動輥的直徑為1 600 mm,鋼帶寬度為1 600 mm,厚度為1.8 mm,鋼帶對驅(qū)動輥的包角為180°,綜合各種因素,驅(qū)動輥形采用中間為平直段,兩側(cè)為凸度曲線的對稱形式。

3.1 輥面平直段長度確定

驅(qū)動輥平直段的長度越長,鋼帶越容易跑偏。在初張力作用下,鋼帶首先與驅(qū)動輥的平直區(qū)段接觸,隨著張力增加,逐漸與凸度段接觸,直至完全貼合。在鋼帶運行過程中,不管鋼帶如何跑偏,也是始終先與平直段接觸。鋼帶與輥面接觸的不均勻現(xiàn)象造成鋼帶局部張力的不均衡。鋼帶張力的不均衡程度k′為:

k′=H/L

(7)

式中:H為驅(qū)動輥面平直段的長度;L為驅(qū)動輥輥面的長度。

根據(jù)經(jīng)驗,k′可以取0.3～0.5;k′值越小,鋼帶越不易跑偏。本例中取輥面平直段長度H為800 mm。

3.2 輥面錐度角確定

由式(4)可以看出,θ為0°～90°,錐度角越大糾偏效果越好,但錐度角越大越容易引起鋼帶瓢曲。錐度角對鋼帶糾偏和瓢曲的影響如圖3所示。

本例中,驅(qū)動輥面安裝耐磨摩擦片,增大輥面與鋼帶的摩擦因數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗,取輥面最大凸度為2 mm,則驅(qū)動輥輥面形狀如圖4所示。

▲圖3 錐度角對跑偏和瓢曲影響▲圖4 驅(qū)動輥輥面形狀

經(jīng)計算,輥面的錐度角θ為0.143°,即8′36″。

3.3 驅(qū)動輥輥面曲線確定

錐度角確定后,根據(jù)驅(qū)動輥的最大凸度值確定輥面曲線。驅(qū)動輥的輥面曲線通常為拋物線,其曲線方程的為二次函數(shù)。驅(qū)動輥輥面函數(shù)表達式為:

y=ax2+c

(8)

式中:a為二次項因數(shù);c為常數(shù)項;x、y為曲線上點的坐標值。

將(400,0)、(800,1)代入式(7),解方程組后得a為2.08×10-6,c為-0.333。

驅(qū)動輥輥面曲線方程為:

(9)

4 結(jié)束語

在連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線中,兩層鋼帶相互擠壓,受力復雜,鋼帶跑偏是設備調(diào)試和運行過程中遇到最棘手的問題。驅(qū)動輥輥形對于鋼帶糾偏和運行至關重要,從最簡單的自糾偏輥形單錐度輥入手,通過輥面與鋼帶間的力學分析,得到鋼帶運行時糾偏力計算公式,進而得到糾偏位移計算公式。根據(jù)自糾偏輥形設計原則,綜合各方面因素,確定連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線驅(qū)動輥采用凸度輥形并求確定其輥面曲線為直線段與二次拋物線相結(jié)合。驅(qū)動輥凸度輥形的設計,在增強自身糾偏能力的同時也有效提升液壓糾偏裝置的糾偏能力,有效保證鋼帶的穩(wěn)定運行,為連續(xù)輥壓復合生產(chǎn)線驅(qū)動輥設計提供理論依據(jù)和設計基礎。