(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610052; 2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610052; 2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

輥式矯直是改善板型、消除殘余應(yīng)力、獲得合格金屬板帶材的重要工藝環(huán)節(jié)。但是輥式矯直機(jī)矯直過(guò)程中有關(guān)輥間張力的研究較少，使得輥間張力對(duì)矯直力能參數(shù)的影響不被人了解。通過(guò)對(duì)輥式矯直過(guò)程中施加輥間張力進(jìn)行的理論分析，配合有限元模擬和實(shí)驗(yàn)，找出了輥間張力與矯直力之間的關(guān)系:隨著輥間張力的增大，總矯直力會(huì)增大，在矯直壓下量較小的情況下，輥間張力對(duì)矯直力的影響較大。研究結(jié)果對(duì)完善矯直理論和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)有一定積極的意義。

輥式矯直;輥間張力;矯直力

0 前言

輥式矯直的原理是利用板材在交錯(cuò)排列的矯直輥輥系間經(jīng)過(guò)連續(xù)反復(fù)彎曲，其表面發(fā)生塑性變形，中心發(fā)生彈性變形，在這個(gè)過(guò)程中板材的初始缺陷逐漸減小，曲率逐漸收斂，最后達(dá)到矯直的目的［1-3］。

在冶金機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，張力是矯直工藝重要參數(shù)。然而，國(guó)內(nèi)有關(guān)輥式矯直機(jī)輥間張力的研究并不多，但國(guó)外學(xué)者卻做了一些研究，如日本的益居健等人將大輥徑的輥式矯直機(jī)和小輥徑的輥式矯進(jìn)行了組合并在兩組矯直機(jī)組之間進(jìn)行張力補(bǔ)給，降低了不良板形的發(fā)生率［4］。本文將通過(guò)經(jīng)典力學(xué)理論分析矯直過(guò)程中存在張力對(duì)矯直力的影響，并通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

1 輥間張力的理論

1.1 輥間張力的定義

輥式矯直過(guò)程中，板材輥間存在負(fù)扭矩或附加扭矩的現(xiàn)象已被學(xué)者所了解，但未進(jìn)行系統(tǒng)研究。崔甫認(rèn)為負(fù)扭矩主要來(lái)自各輥壓彎量的不同，矯直過(guò)程中矯直輥集中傳動(dòng)速度相同，而板材中性層因壓彎量不同而速度不同，這導(dǎo)致被矯板材中存在負(fù)扭矩現(xiàn)象［5］。劉玉理研究了4 216 mm熱板材矯直機(jī)矯直輥輥徑差產(chǎn)生的輥間附加扭矩，認(rèn)為附加扭矩是矯直設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)損壞的重要原因［6］。

為了便于研究，本文把存在于輥式矯直過(guò)程中由壓彎時(shí)彎曲曲率不同，負(fù)扭矩或附加扭矩等引起的板材不同中性層速度差產(chǎn)生的力定義為輥間張力。多輥傳動(dòng)矯直機(jī)在工作時(shí)這種輥間張力是普遍存在。把拉伸張力規(guī)定為正，把壓縮張力規(guī)定為負(fù)。

1.2 輥間張力產(chǎn)生的機(jī)理

由于輥式矯直機(jī)的矯直輥較多，所以矯直機(jī)一般采用分組集中傳動(dòng)，即輥系驅(qū)動(dòng)一般不少于兩臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)根據(jù)實(shí)際情況驅(qū)動(dòng)一定數(shù)量的矯直輥［7］，同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的矯直輥轉(zhuǎn)速相同，假如矯直過(guò)程中不存在壓下量，那么板材的前進(jìn)速度就與矯直輥的線速度相同，如圖1所示。此時(shí)板材不存在任何彎曲變形，如果沿板材厚度方向劃分許多纖維層，則板材的每一層纖維都沒(méi)有發(fā)生壓縮或者拉伸，所以板材每一層纖維的速度都等于板材的表面速度，即此時(shí)的板材是一個(gè)速度相同的整體，宏觀運(yùn)行速度可以用板材的中性層前進(jìn)速度vi表示，板材的前進(jìn)速度與矯直輥的線速度vg相同，即vi=vg=v。

圖1 無(wú)壓彎狀態(tài)矯直速度Fig.1Straightening speed without roll reduction

假如矯直過(guò)程中存在壓下量，板材在矯直過(guò)程中就會(huì)發(fā)生彎曲變形，則板材不再具有宏觀意義上的相同速度，板材在矯直輥?zhàn)饔孟掳l(fā)生的彎曲導(dǎo)致每一層纖維產(chǎn)生不同的變形，有的纖維被壓縮，有的纖維被拉伸［8-9］。板材會(huì)在與矯直輥接觸部位產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度方向上的收縮，假設(shè)板材在第i號(hào)矯直輥處產(chǎn)生彎曲變形時(shí)的應(yīng)變?yōu)棣舏，則板材的表層纖維收縮速度為εivg，此時(shí)中性層的前進(jìn)速度不再是原來(lái)表層的速度，還應(yīng)該在原來(lái)的表層速度上再疊加一個(gè)因?yàn)閺澢冃味a(chǎn)生的表層收縮速度εivg，這時(shí)中性層的速度vi= εivg，當(dāng)板材發(fā)生彎曲變形后各層纖維前進(jìn)的速度會(huì)因?yàn)槔w維層狀態(tài)的改變而不同，板材各層纖維的前進(jìn)速度不同但又受到板材整體的約束，相當(dāng)于每層纖維兩端都有一個(gè)剛端約束，這樣的約束會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，這就輥間張力產(chǎn)生的機(jī)理。

1.3 輥式矯直機(jī)存在輥間張力時(shí)垂直矯直力的計(jì)算

當(dāng)輥式矯直機(jī)存在輥間張力時(shí)，其每個(gè)矯直輥的垂直矯直力可以通過(guò)下述方法進(jìn)行計(jì)算，從左至右開(kāi)始對(duì)每個(gè)矯直輥處的板材用截面法截開(kāi)，如圖2a所示，有如下平衡方程。

圖2 輥式矯直機(jī)存在輥間張力時(shí)垂直力的計(jì)算Fig.2Roller straightening machine vertical force when tension exists between rollers

通過(guò)上述方程，可以得出如下規(guī)律，即作用在第i號(hào)矯直輥上的垂直矯直力為

但是，式(9)只能用于計(jì)算i=n-2以前矯直輥的垂直矯直力，即Pn-2，Pn-3…，P1，對(duì)于Pi=Pn-1，Pn則不能采用上述公式，因?yàn)樯鲜龉降耐茖?dǎo)是在一定條件的情況下得出的，即對(duì)第2號(hào)矯直輥輥寫(xiě)出平衡條件求出P1，對(duì)第3號(hào)矯直輥寫(xiě)出平衡條件求出P2，對(duì)第n-1號(hào)矯直輥寫(xiě)出平衡條件求出。然而當(dāng)i=n-1和n時(shí)，應(yīng)該按照如下方法進(jìn)行計(jì)算，如圖2b所示，即從出口側(cè)寫(xiě)出第n-1和n-2號(hào)矯直輥的平衡方程式。

對(duì)于第n-1號(hào)矯直輥輥

由公式(9)，(11)，(13)可知，由于水平力即輥間張力的作用，會(huì)使矯直機(jī)各矯直輥的垂直矯直力Pi增大。但另一方面，當(dāng)板材塑性彎曲存在張力時(shí)，板材的彎曲力矩M會(huì)變小，張力越大，則減小程度越大［10］，所以當(dāng)板材矯直存在輥間張力時(shí)，所需的彎曲力矩Mi會(huì)減小，這又會(huì)使Pi減小。所以，究竟輥間張力使矯直過(guò)程中矯直輥的矯直力增大還是減少，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬來(lái)看誰(shuí)占主要因素。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為全液壓壓下輥式矯直實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示，平臺(tái)由矯直本體、傳動(dòng)裝置、電氣控制、液壓伺服系統(tǒng)等部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)有輥距100(120)mm、輥徑95 mm、設(shè)計(jì)矯直力2 000 kN、矯直板材厚度范圍2～8 mm、最大矯直寬度800 mm。

矯直本體機(jī)中液壓壓下系統(tǒng)(2)安裝在機(jī)架(1)的上橫梁上，通過(guò)壓下系統(tǒng)中液壓伺服缸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)對(duì)開(kāi)梁(3)、上輥系及輥盒(4)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)整。對(duì)開(kāi)梁(3)可通過(guò)彎輥液壓缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上輥系預(yù)彎。板材矯直時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中主電機(jī)(5)通過(guò)減速機(jī)(6)、齒輪箱(7)、萬(wàn)向接軸(8)帶動(dòng)輥系(4)轉(zhuǎn)動(dòng)，板材通過(guò)機(jī)架輥(9)進(jìn)入輥系完成矯直。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共十一根矯直輥，采用分組傳動(dòng)形式，其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示。沿著矯直方向第1～5號(hào)矯直輥由1#電機(jī)帶動(dòng)，第6～11號(hào)矯直輥由2#電機(jī)帶動(dòng)，1#電機(jī)和2#電機(jī)之間的傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有硬性連接。在主傳動(dòng)的電氣控制上，兩臺(tái)電機(jī)采用兩套ABB變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)速度跟隨技術(shù)控制。矯直力則由四個(gè)液壓缸下的四個(gè)壓力傳感器測(cè)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的板材為Q345B，主要規(guī)格參數(shù)及力學(xué)性能見(jiàn)表1。板材的初始不平度為20 mm/m。

表1 實(shí)驗(yàn)材料主要規(guī)格參數(shù)及力學(xué)性能Tab.1Main parameters of experimental materials

圖3 多功能全液壓輥式矯直實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3Hydraulic experimental straightening machine

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)和能力，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)控制柜使1#和2#兩組電機(jī)最終穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不同施加輥間張力。同時(shí)由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)是確定的，即矯直機(jī)的輥徑、輥距、輥長(zhǎng)、板材的厚度是定值，為研究張力因素影響，矯直過(guò)程中壓下量不宜太小，否則板材的不到很好的矯直效果與實(shí)際矯直工藝不符合，但壓下量也不宜過(guò)大，否則板形質(zhì)量將下降還會(huì)增加矯后板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從矯直工藝來(lái)說(shuō)過(guò)大的壓下量會(huì)增加機(jī)器多做附加功還會(huì)使板材的表面產(chǎn)生裂紋，報(bào)廢板材。綜合考慮上述原因，為了研究不同壓下量下輥間張力對(duì)矯直力的影響，而壓下量的確定又由板材在矯直過(guò)程中的板材最大彎曲曲率比確定［11］，所以Q345B輥間張力的實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2Experimental scheme

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于進(jìn)行矯直實(shí)驗(yàn)時(shí)采用上排輥整體傾斜的矯直方案，且前后電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，使板材中性層的速度會(huì)有較大差異，造成輥間張力的存在，這會(huì)對(duì)矯直垂直力造成一定的影響。不同壓下量和不同輥間張力作用下輥系矯直實(shí)驗(yàn)過(guò)程中矯直垂直力數(shù)據(jù)如表3所示，其中四個(gè)壓頭位于矯直機(jī)控制上輥系壓下的四個(gè)液壓缸正下方，而矯直垂直力的分布狀態(tài)如圖5所示。

表3 矯直實(shí)驗(yàn)壓頭壓力值Tab.3Head pressure value of straightening experiment

從圖5和表3中可以看出，提高2#電機(jī)控制的矯直輥的轉(zhuǎn)速，Q345B在矯直過(guò)程中中性層速度差累積就會(huì)增大即輥間張力增大，張力在輥間的狀態(tài)發(fā)生了變化直接導(dǎo)致矯直力的分布狀態(tài)發(fā)生了改變。當(dāng)最大彎曲曲率比k=3時(shí)，隨著輥間張力的增大，矯直力依次增大了6.08%和 16.6%;當(dāng)k=4時(shí)依次增大了8.96%和6.25%;而當(dāng)k=5時(shí)，則依次增大了5.96%和4.26%。所以從總體上來(lái)說(shuō)有如下結(jié)論:①在壓下量相同的情況下輥間張力越大矯直力就越大;②在變形量較小的情況下輥間張力對(duì)矯直力的影響較大。

圖5 矯直力分布狀態(tài)圖Fig.5Straightening force distribution bar

3 有限元模擬

3.1 分析模型的基本參數(shù)

有限元模擬采用的是顯示動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA，模擬所用模型分矯直輥和鋼板兩部分，矯直模型基本參數(shù)如表4、表5所示。

表4 矯直鋼板參數(shù)Tab.4Straightening plate parameters

表5 矯直輥參數(shù)Tab.5Straightening roller parameters

3.2 有限元模型

有限元模型如圖6所示，一共模擬2次，其中前5個(gè)矯直輥轉(zhuǎn)速都為50 r/min，后6個(gè)矯直輥一次為50 r/min，一次為50.5 r/min，分別模擬無(wú)輥間張力和施加1%輥間張力的情況。壓下采用傾斜壓下，入出口輥縫分別為4.0 mm和5.6 mm。

圖6 有限元模型Fig.6The finite element model

3.3 模擬結(jié)果及分析

在矯直過(guò)程中，每根矯直輥在無(wú)轉(zhuǎn)速差和1%轉(zhuǎn)速差的情況下，與板材接觸時(shí)合力絕對(duì)值的最大值如表6所示。矯直過(guò)程中11個(gè)矯直輥在不同轉(zhuǎn)速情況下與板材接觸時(shí)合力的分布情況如圖7所示。

表6 接觸時(shí)合力絕對(duì)值的最大值Tab.6The max.absolute value of contact forcekN

圖7 接觸合力的分布Fig.7Contact force distribution

由表6和圖7可知，在矯直出口側(cè)提高矯直輥的矯直速度，則板材在出口側(cè)的速度累積就會(huì)增大即張力就會(huì)增大，張力在輥間的狀態(tài)發(fā)生了變化直接導(dǎo)致每個(gè)矯直輥與板材接觸合力的分布狀態(tài)發(fā)生了改變。即在壓下量相同的情況下，隨著輥間張力的施加，基本上每個(gè)矯直輥的接觸合力都會(huì)增大，又由于水平摩擦力相對(duì)于垂直矯直力來(lái)說(shuō)較小，所以矯直輥與板材接觸的垂直矯直力會(huì)增大。

4 結(jié)論

(1)板帶材在輥式矯直過(guò)程中，隨著輥間張力的增大，每個(gè)矯直輥與板材接觸的垂直力都會(huì)增大，所以總矯直力會(huì)增大。

(2)在矯直壓下量較小的情況下，即板材變形量較小的情況下，輥間張力對(duì)矯直力的影響較大。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬證明，輥式矯直過(guò)程中施加輥間張力，對(duì)矯直力產(chǎn)生影響的兩個(gè)因素中，輥間張力產(chǎn)生的水平力是主要因素，而板材塑性彎曲時(shí)存在張力引起的彎曲力矩減小是次要因素。

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輥式矯直過(guò)程中輥間張力對(duì)矯直力的影響

李樂(lè)毅1，王海瀾2，王效崗2，黃慶學(xué)2

Influence of tension between rollers on straightening force in the process of straightening

LI Le-yi1，WANG Hai-lang2，WANG Xiao-gang2，HUANG Qing-xue2
(1.Heavy Machinery Research Institute，China National Erzhong Group Co.，Chengdu 610052 China; 2.Material Science＆Engineering College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024 China)

Roller straightening is an important step to get qualified plate and sheet，it could remove flatness defects and induce the residual stress.But few researchers study about the tension between the rollers in the process straightening，causing it's not well known.Theoretical analysis and FEM simulation experiment results show that straightening force rises with tension between the rollers increases，which affects straightening force badly when rolling reduction is small.It is important to improve the straightening theory and guide the practical production.

roller straightening;tension between the roller;straightening force

TG333.2

A

1001-196X(2014)05-0023-06

2014-02-14;

2014-03-21

973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)(2012CB722801);山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目計(jì)劃(2011021019-4)。

李樂(lè)毅(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向:軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)及其過(guò)程控制。