黃軍銘 余愛祥

(二重(德陽(yáng))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(guò)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(shí)鋼卷開卷過(guò)程中反彎輥壓下對(duì)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(duì)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(diǎn)

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?zhàn)?，采?組支撐輥支撐反彎輥。支撐輥與反彎輥相切，安裝時(shí)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?zhàn)又睆捷^小，破鱗和反彎矯直效果好，同時(shí)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(duì)帶鋼板形的影響可忽略不計(jì)。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?zhàn)又睆捷^小，輥?zhàn)优c帶鋼接觸應(yīng)力大，輥?zhàn)颖砻婺p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(shí)采用墊片調(diào)整位置，多組支撐輥安裝難度大，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)；

(4)支撐輥所采用的滾子軸承為易損件，設(shè)備運(yùn)行成本高；

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

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(diǎn)：

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?zhàn)颖砻婺p慢，輥?zhàn)邮褂脡勖L(zhǎng)；

(2)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備安裝時(shí)間大幅減少；

(3)設(shè)備取消多個(gè)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(yùn)行成本降低；

(5)減少反彎輥設(shè)備安裝維護(hù)時(shí)間。

優(yōu)化后，反彎輥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本減低。但是一方面為保證輥?zhàn)訌?qiáng)度，要求反彎輥輥?zhàn)又睆捷^大，另一方面為保證良好的反彎破磷效果，要求輥?zhàn)又睆捷^小，因此優(yōu)化后確定該反彎輥的輥?zhàn)又睆绞顷P(guān)鍵。

3 反彎輥直徑設(shè)計(jì)

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(jì)。

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(shí)，為保證破鱗及矯直效果，反彎輥直徑不能過(guò)大，反彎輥直徑可通過(guò)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(jì)算，不同強(qiáng)度帶鋼在不同厚度時(shí)為保證帶鋼反彎時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算，為保證接觸強(qiáng)度要求，不同強(qiáng)度帶鋼在不同厚度時(shí)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(shí)的輥?zhàn)咏佑|強(qiáng)度，直徑Dmin≥223.5 mm。反彎輥直徑D=390 mm，能夠滿足輥?zhàn)咏佑|強(qiáng)度要求。

表3 不同帶鋼反彎時(shí)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?zhàn)饔昧τ?jì)算

根據(jù)反彎輥工作原理分析，反彎輥?zhàn)饔昧Π◣т搹埩Ψ醋饔昧蛶т摲磸澬枰淖饔昧Α?/p>

(1)帶鋼張力反作用力

對(duì)各種規(guī)格帶鋼進(jìn)行反彎，支點(diǎn)距離l=300 mm時(shí)計(jì)算壓彎撓度見表4。

表4 支點(diǎn)距離l=300 mm時(shí)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(duì)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(shí)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(jì)算方法可參考矯直機(jī)第1根輥?zhàn)邮芰τ?jì)算。矯直機(jī)第1根輥?zhàn)邮芰τ?jì)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(diǎn)到壓點(diǎn)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(jì)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(duì)反彎輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)輥，反彎輥輥身強(qiáng)度校核時(shí)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(duì)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(jì)手冊(cè)35CrMo在應(yīng)力變化情況下，許用應(yīng)力[σ0]=120 MPa。經(jīng)計(jì)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(shí)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(jì)算可得，最大彎曲撓度為：

式中，l1為AD長(zhǎng)度，l1=2500 mm；l2為AB長(zhǎng)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(duì)于空心圓截面I=πD4(1-α4)/64。經(jīng)計(jì)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，該撓度在機(jī)組后續(xù)矯直機(jī)允許的來(lái)料要求范圍內(nèi)。反彎輥剛度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

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

(2)提供了單輥式反彎輥輥?zhàn)又睆降脑O(shè)計(jì)方法，為類似機(jī)組開卷后反彎輥輥?zhàn)又睆皆O(shè)計(jì)提供參考。

(3)提供了反彎輥受力計(jì)算、強(qiáng)度校核及剛度校核過(guò)程，為類似輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)提供參考。