甄 誠，郭瑞峰，郭永平

(1．西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055;2．首鋼長鋼(集團(tuán))鍛壓公司設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)科，山西長治 046011)

0 引言

卷板機(jī)按輥數(shù)可分為兩輥、三輥、四輥及多輥;按輥?zhàn)硬贾梅绞娇煞譃閷ΨQ式和非對稱式;按輥?zhàn)虞S線位置可分為臥式和立式;按輥?zhàn)诱{(diào)整方式可分為上調(diào)式和下調(diào)式;按主驅(qū)動方式分為機(jī)械和液壓;按輥?zhàn)拥膫鲃臃绞椒譃樯蟼鲃?上輥主動、其余輥從動)下傳動(下輥主動、其余輥從動)、全傳動(工作輥全為主驅(qū)動);按上輥有無傾倒軸承體可分為開式和閉式(船用型);按功能可分為普通型和多用型;按卷制方法可分為冷卷、熱卷、溫卷;按控制方式可分為強(qiáng)電控制、NC 控制、CNC 控制［1］。

卷板機(jī)的上輥是整個卷板機(jī)的核心構(gòu)件，上輥的受力變形會導(dǎo)致卷板壓力分布，影響成型筒型的圓度和母線的直線度。筆者以首鋼長治鋼鐵(集團(tuán))鍛壓機(jī)械制造有限公司的W11NC-6x1600對稱三輥卷板機(jī)為研究對象，通過建立數(shù)學(xué)模型，以及用Auto-CAD Mechanical分析仿真軟件構(gòu)建模型，來計(jì)算補(bǔ)償上輥的撓曲變形，保證板材的直線性。

圖1 為對稱三輥卷板機(jī)簡圖

1 建立上輥數(shù)學(xué)模型

在現(xiàn)有的設(shè)備中，卷制板材時(shí)，上輥受力變形導(dǎo)致不能保證板材的直線性。在一臺卷板機(jī)卷制不同厚度板材時(shí)，為了改變板材出現(xiàn)“鼓肚”和“束腰”的現(xiàn)象，通過研究上輥的撓度，來達(dá)到生產(chǎn)要求，這正是筆者所要研究的［2］。通過AutoCAD Mechanical軟件受力分析，研究上輥的撓度補(bǔ)償，在不更換上輥的前提下，對上輥形狀做優(yōu)化設(shè)計(jì)［3］。卷板機(jī)上輥的受力形式類似于簡支梁，一般通過簡支梁的近似計(jì)算，來計(jì)算卷板機(jī)上輥的撓度。上輥適用理論公式如表1所示，受力簡圖如圖2所示［4］。

表1 簡支梁受力試用公式表

圖2 上輥受力簡圖及適用理論公式

2 上輥力學(xué)模型的建立

上工作輥受力簡化模型，總跨度為1 913．5 mm，其中輥身長度為1 650 mm，上輥支撐輥的位置分布如圖3所示。W11NC-6x1600對稱三輥卷板機(jī)基本參數(shù)如表2所列。

圖3 上工作輥受力簡化模型

表2 W 11NC-6x1600對稱三輥卷板機(jī)基本參數(shù)

現(xiàn)需要計(jì)算在保證最大的撓度條件下，計(jì)算上輥支反力。通過卷制鋼板的板寬，板厚，最小彎曲直徑及鋼板的屈服極限這四個條件，可計(jì)算上輥受力為100 kN［5］，分布到1．65 m 輥身上，上輥受到的均布載荷為60．6 kN/m。

3 上輥受力分析與計(jì)算

3．1 均布載荷

對上輥(上輥直徑Φ150 mm)在1 650 mm范圍內(nèi)施加均布載荷60．6 N/m，用CAD Mechanical軟件分析在此載荷作用下，上輥的撓度分布［6］，如圖4。

圖4 上輥受均布載荷60．6 kN/m，撓度為1．64 mm

為了突出撓度變形量，圖4為放大100倍比例的應(yīng)力和應(yīng)變，最大變形量S2為1．64 mm。這是卷制最大卷板厚度6 mm，最大卷板寬度1 600 mm時(shí)的撓度變形量。如果按此生產(chǎn)，卷制板材時(shí)，板材成型后會出現(xiàn)“束腰”的現(xiàn)象，也就是中間閉合，兩端開口，這是不允許的，不符合生產(chǎn)要求。因此需改進(jìn)產(chǎn)品，優(yōu)化設(shè)計(jì)。但又需節(jié)約成本，不更換已有零件。通過對上輥的受力分析研究得出，只需對上輥進(jìn)行再加工，補(bǔ)償撓度，改變“束腰”現(xiàn)象，使產(chǎn)品達(dá)到生產(chǎn)要求。

4 上輥設(shè)計(jì)的分析與討論

三輥卷板機(jī)雖然有具體規(guī)格，設(shè)定了最大卷板厚度和寬度，但是廠家經(jīng)常需要卷制不同規(guī)格的板材，卷制不同規(guī)格板材時(shí)，由于上輥受力變形而發(fā)生“鼓肚”和“束腰”的現(xiàn)象。通過研究上輥的撓度變形，來改變這一現(xiàn)象，達(dá)到生產(chǎn)要求，通過 AutoCAD Mechanical軟件進(jìn)行分析，研究上輥的撓度變形，在不更換上輥的前提下，對上輥形狀做優(yōu)化設(shè)計(jì)。W11NC-6x1600對稱三輥卷板機(jī)的上輥輥徑為Φ150 mm，根據(jù)AutoCADMechanical軟件的受力分析得出，上輥撓度為1．64 mm。通過測量比對變形量，得出如下的撓度補(bǔ)償措施:通過減小上輥兩端直徑，上輥兩端實(shí)際受力處0～300 m縮小直徑為Φ146．5 mm，300～600 mm年縮小直徑為Φ148．5mm(見圖5)來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，從而使成上輥受力變形時(shí)，加大了輥身兩端的撓度，保證了受力面的直線度，使卷制最大規(guī)格，以及其他規(guī)格板材時(shí)，成型板材筒徑的圓度、直線度符合生產(chǎn)要求。

圖5 改進(jìn)上輥簡圖上

改進(jìn)后，板材成形，筒形圓度符合廠家要求。

5 結(jié)論

為了達(dá)到生產(chǎn)要求，改進(jìn)板材卷筒成品質(zhì)量，對上輥撓度采用逆推法分析。假設(shè)在受到卷制鋼板均布載荷受力情況下，用AutoCAD Mechanical軟件模擬，來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，補(bǔ)償撓度?？傻萌缦陆Y(jié)論。

(1)在卷板機(jī)卷制鋼板時(shí)，雖然有最大規(guī)格卷板要求，但產(chǎn)品往往需要生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，這就需要設(shè)計(jì)人員全面考慮問題，提出合理設(shè)計(jì)方案。

(2)采用逆推法，得到上輥的支反力大小，通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到理論撓度，然后通過AutoCAD Mechanical模擬，分析上輥撓度值，進(jìn)行對比，驗(yàn)證理論公式。

(3)通過AutoCAD Mechanical變形圖，可以直觀的看到上輥受到載荷之后的變形情況，對變形過大的地方，在不改變上輥基本情況的前提下，通過微調(diào)上輥形狀補(bǔ)償撓度，達(dá)到合格板材，節(jié)約生產(chǎn)成本，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到生產(chǎn)要求。

［1］ 邢偉榮．卷板機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010(2):10-16．

［2］ Ming yang．Model-based Control for Three-roll Bending Processof Channel bar［J］．Transactionsof the ASME，1990(112):346-351．

［3］ Hanssen A G ，Hopperstad O S，Langset h M ．Bending of Square Aluminium Extrusion with Aluminium Foam Filler［J］．ACT A Mechanica，2000(112):13-31．

［4］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第四版第1卷，ISBN 7-5025-3519-5/TH．95:1-141．

［5］ 李 強(qiáng)，高耀東，尚 珂．對稱式三輥卷板機(jī)的受力及驅(qū)動功率計(jì)算分析［J］．鍛壓技術(shù)，2007，32(4)67-60．

［6］ 王建洲．基于AutoCAD Mechanical的軸類零件設(shè)計(jì)［J］．新技術(shù)新工藝，2011．18/TH122:2-3．