陳 燦，趙西韓，馬 強(qiáng)，劉 磊，王仕杰，周文浩，賈尚武，趙軍濤

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

0 前言

七輥矯直機(jī)一直是中國重型機(jī)械研究院股份公司在棒材矯直機(jī)領(lǐng)域的拳頭產(chǎn)品，贏得了用戶的良好口碑。在棒材矯直機(jī)領(lǐng)域，特別是大規(guī)格的圓鋼矯直占有很大的市場份額。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對圓鋼直線度和矯直機(jī)工作效率兩方面都提出了更高的要求。雖然二輥矯直機(jī)的矯直精度較高，但是存在矯直速度較慢，對來料的原始彎曲度要求更高，導(dǎo)板損耗量大等缺點(diǎn)。因此需要一種新型的矯直機(jī)，既能滿足更高的矯直精度要求，同時又能獲得更快的矯直速度。因此，中重院在七輥矯直機(jī)和二輥矯直機(jī)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了φ80 十輥圓鋼矯直機(jī)。此矯直機(jī)的矯直范圍為φ20～φ80 mm，矯直速度最高可達(dá)2 m/s，圓鋼矯直后直線度可達(dá)0.5 mm/m。與七輥矯直機(jī)相比，十輥矯直機(jī)最大的特點(diǎn)是圓鋼在矯直過程中經(jīng)過兩次大反彎，矯直過后的圓鋼直線度更好(七輥矯直機(jī)的矯直精度一般為1 mm/m)，表面效果更為優(yōu)良。與兩輥矯直機(jī)相比，矯直速度更高，同時對圓鋼的原始彎曲度要求低。此十輥矯直機(jī)組在七輥和兩輥矯直機(jī)的基礎(chǔ)上，獲得了矯直精度和矯直速度的完美統(tǒng)一，因而具有更大的優(yōu)勢，目前在韶關(guān)鋼鐵廠已經(jīng)投入生產(chǎn)有一年半的時間，贏得了客戶的一致好評。

1 矯直機(jī)組成及有限元分析

本矯直機(jī)組包括前部送料系統(tǒng)，主機(jī)和后部出料系統(tǒng)三大部分。

1.1 前部送料系統(tǒng)

前部送料系統(tǒng)由上料臺架、上料機(jī)構(gòu)、擺動升降輸入輥道、彈性入口導(dǎo)衛(wèi)等部分組成。圓鋼通過輸送鏈條送到一定位置，由上料機(jī)構(gòu)每次將一根棒料撥到擺動升降輸入輥道上，由輥道將棒料經(jīng)彈性入口導(dǎo)衛(wèi)送入主機(jī)進(jìn)行矯直。棒料進(jìn)入主機(jī)后，升降輸入輥道會落下處于C 型保護(hù)環(huán)之下，防止高速旋轉(zhuǎn)的圓鋼對輸入輥道甩擊造成的損害。同時圓鋼的旋轉(zhuǎn)造成的強(qiáng)烈甩尾也是在C 型保護(hù)環(huán)之中，避免對設(shè)備和操作人員造成損害。彈性入口導(dǎo)衛(wèi)為彈簧柔性導(dǎo)衛(wèi)，具有減震功能，導(dǎo)衛(wèi)機(jī)構(gòu)由彈簧支撐固定，在矯直過程中可隨圓鋼甩尾而柔性擺動，防止圓鋼的劃傷及導(dǎo)衛(wèi)板的過度磨損［1］。

1.2 主機(jī)

(1)主機(jī)的組成。矯直機(jī)主機(jī)主要由上橫梁、下橫梁、矯直輥、立柱等組成，如圖1 所示。該主機(jī)有前3 后4 共7 根立柱，與支承套、螺母、上下橫梁形成預(yù)應(yīng)力機(jī)架，提高機(jī)架的剛性及矯直過程的穩(wěn)定性。設(shè)備采用嵌入式預(yù)應(yīng)力機(jī)架，可顯著提高機(jī)架的整體穩(wěn)定［2－3］。同時矯直機(jī)前中間立柱為活動立柱，可以方便地從矯直機(jī)正面拆卸，以滿足快速換輥的需求［4］。

圖1 十輥矯直機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)形式Fig.1 The structure of ten-rollers straightener main body

(2)上橫梁有限元分析。十輥矯直機(jī)的上下橫梁鑄焊件結(jié)構(gòu)，中心部分為鑄件，周圍部分鋼板焊接。為了保證其滿足矯直要求，在設(shè)計(jì)時，考慮到上下橫梁結(jié)構(gòu)相似，我們只選取矯直機(jī)的上橫梁進(jìn)行強(qiáng)度、剛度有限元優(yōu)化計(jì)算分析［5－6］。

將上橫梁主體模型簡化后，上橫梁主體所受載荷為:

(1)五主缸孔上方臺面周圍40 個小螺栓孔上均勻載荷力。

(2)設(shè)置材料密度參數(shù)及重力加速度G 后所產(chǎn)生的自重力。

根據(jù)實(shí)際工作功率，并考慮適當(dāng)安全系數(shù)后，提出需施加的載荷值:

在五主缸孔上方臺面周圍40 個小螺栓孔上均勻施加載荷力。在每個主缸孔施加1000 kN 載荷(實(shí)際矯直力為500 kN，此處施加1000 kN，增加其安全系數(shù))。上橫梁主體所受約束設(shè)定在圍繞箱體的七個大螺柱孔周圍圓環(huán)面，在主體模型上模擬了貫穿螺柱。螺柱螺帽模型以實(shí)際尺寸做出，在以兩倍矯直力為計(jì)算條件下，得到的最大位移為0.6 mm，最大應(yīng)力為68 MPa，均在安全范圍內(nèi)。故其可靠性得到保證［7］。分析結(jié)果如圖2 所示。

1.3 后臺

后臺送料系統(tǒng)由出料保護(hù)套、出料輸送輥道、對齊擋板、出料臺架等部分組成。圓鋼矯直后，由出料輸送輥道送到對齊擋板自動對齊，然后可以往兩側(cè)出料。一次為收集料筐，料筐收集一定數(shù)量的圓鋼后打捆運(yùn)走。另一側(cè)為斜篦式的臺架，臺架上有擋料機(jī)構(gòu)，將圓鋼擋住在斜篦上時，可以方便對圓鋼的直線度進(jìn)行檢測。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)輥型布置與特點(diǎn)。將十輥矯直機(jī)和七輥矯直機(jī)的輥系布置進(jìn)行對比分析。七輥布置為2－2－2－1，如圖3 所示，起矯直作用的主要是第二對輥，2 號下輥抬起，對圓鋼施加反彎量。尾輥主要起托鋼作用，矯直作用不大(因此圖中未畫出)。圖3 中S 區(qū)域?yàn)榈葟澗貐^(qū)，當(dāng)?shù)葟澗貐^(qū)的長度大于一個螺旋導(dǎo)程時，滿足圓鋼全方位矯直的基本條件。矯直過程中只有一次大反彎，即一個等彎矩區(qū)，變形量較大，同時殘余應(yīng)力相應(yīng)較大［8－9］。

圖2 十輥矯直機(jī)上橫梁應(yīng)力分析結(jié)果Fig.2 The analysis result of ten-rollers straightener upper beam

圖3 七輥矯直機(jī)輥系布置ig.3 The rollers arrangement of seven-rollers straightener

本矯直機(jī)的矯直輥系為十輥布置型式(2－2－2－2－2)，如圖4 所示。第1、3、5 對輥由電機(jī)通過在第二對輥矯直后，同樣存在殘余應(yīng)力。但經(jīng)過第四對輥可以再進(jìn)行一次彎曲，可以減小殘余應(yīng)力。同時由于有兩次彎曲，兩個反彎量相應(yīng)減小也可以達(dá)到矯直的目的，有利于改善圓鋼的機(jī)械性能。矯直過程中吸收七輥所采用的復(fù)合輥系設(shè)置。與七輥相比，取消了尾輥，增加了一對主動輥和從動輥。因而比七輥矯直機(jī)多了一次大反彎，對不易一次矯直屈服強(qiáng)度較高的軸承鋼，彈簧鋼具有更好的矯直效果，能夠保證一次矯直。同時可以獲得更好的表面效果。

圖4 十輥矯直機(jī)輥系布置圖Fig.4 The rollers arrangement of ten-rollers straightener

為進(jìn)一步提高矯直機(jī)的矯直精度，十輥矯直機(jī)采用了準(zhǔn)雙曲線結(jié)合深淺凹凸型曲線的復(fù)合輥系，吸收兩輥矯直機(jī)輥型曲線的一些特點(diǎn)。第1、3、5 對輥采用雙曲線輥型，采用電機(jī)驅(qū)動。2、4 對輥采用深淺凹凸輥型，端部裝有液壓馬達(dá)，棒材咬入前矯直輥由液壓馬達(dá)驅(qū)動，咬入后液壓馬達(dá)泄壓隨動。深淺凹凸輥型體現(xiàn)了二輥矯直機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在輥數(shù)不增加的情況下，提高反彎次數(shù)，減少反彎節(jié)距，解決了頭尾矯直盲區(qū)的問題，為提高矯直精度提供了可靠保證，并達(dá)到了良好的效果。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的矯直輥系可滿足全部規(guī)格圓鋼的矯直要求，使矯直機(jī)的矯直精度最后能達(dá)到0.5 mm/m。

(2)恒壓對輥壓緊。在矯直過程中，為了既保證對圓鋼施加的壓力，又可保護(hù)機(jī)械設(shè)備不受損壞，采用恒壓對輥壓緊原理，變剛性機(jī)架為柔性機(jī)架。矯直輥動態(tài)壓緊旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的圓鋼，在提供足夠矯直力的同時，由于增加了圓鋼的反彎變形區(qū)域而極大的提高了矯直效果［10］。由于圓鋼是旋轉(zhuǎn)反彎，從而使圓鋼各個方向的彎曲都達(dá)到了良好的矯直效果。動態(tài)壓緊下的工作原理又可降低對圓鋼原始尺寸公差的要求，并降低了對孔型調(diào)整精度的要求，使孔型調(diào)整更加方便。此設(shè)計(jì)降低了對圓鋼的彎曲度、橢圓度以及原始尺寸公差的要求，保證圓鋼的順利咬入和矯直。

(3)液壓馬達(dá)預(yù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的矯直機(jī)設(shè)計(jì)中，中間一對輥為從動輥，由主動輥夾緊圓鋼往前送帶動從動輥旋轉(zhuǎn)。當(dāng)矯直速度較快，同時矯直圓鋼的直徑較小時，從動輥被圓鋼帶動從速度為0 加速到與圓鋼前進(jìn)速度匹配是很困難的。當(dāng)無法快速到達(dá)矯直速度時，可能會發(fā)生圓鋼與矯直輥的相對滑動或者無法被咬入被動輥內(nèi)。為了解決這一情況，在被動輥端部設(shè)置液壓馬達(dá)預(yù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，同時在矯直機(jī)主機(jī)前后設(shè)有光電檢測開關(guān)。在其咬入前，液壓馬達(dá)預(yù)先驅(qū)動輥體旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定的速度。當(dāng)光電檢測開關(guān)檢測到主機(jī)咬入圓鋼后，液壓馬達(dá)自動泄壓，從動輥隨動。從動輥在圓鋼咬入前有一定初速度的情況下能保證高速前進(jìn)的圓鋼順利咬入中間輥，也不會造成相對滑動的情況。有效提高了矯直速度，最快速度能達(dá)到2 m/s，大大提高了矯直效率。

3 結(jié)論

(1)為滿足不斷提升的市場需要，在七輥和兩輥矯直機(jī)的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了φ80 十輥圓鋼矯直機(jī)組，此矯直機(jī)的矯直范圍為φ20～φ80 mm。矯直速度和矯直精度都得到了很大提升，矯直速度最高可達(dá)2 m/s，圓鋼矯直后直線度可達(dá)0.5 mm/m。

(2)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對矯直機(jī)上橫梁進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，在以兩倍矯直力為計(jì)算條件下，得到的最大位移為0.6 mm，最大應(yīng)力為68 MPa，均在安全范圍內(nèi)。

(3)本矯直機(jī)輥系采用2－2－2－2－2 布置，比七輥多一次大反彎;同時吸收兩輥的輥型特點(diǎn)，2、4 對輥采取深淺凹凸輥型。

(4)矯直機(jī)采用恒壓對輥壓緊，對來料的橢圓度、彎曲度和原始尺寸公差要求降低，方便圓鋼的快速咬入。

(5)矯直機(jī)2、4 對輥設(shè)有液壓馬達(dá)預(yù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在圓鋼咬入前為2、4 對輥提供一定的初速度，大大提高矯直機(jī)的矯直速度。

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