基于輾環(huán)機抱輥系統(tǒng)的環(huán)件參數(shù)測量方法*

徐增海 趙 東 王 強 蔡冬梅

（濟南大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南 250022）

大型徑－軸向輾環(huán)機是輾軋火車的車輪及輪箍、風(fēng)電設(shè)備的軸承套圈及齒輪環(huán)坯、運載火箭的倉體、壓力容器及核反應(yīng)堆的加強圈等大型優(yōu)質(zhì)無縫環(huán)件的關(guān)鍵裝備。近些年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對大型環(huán)件的需求量越來越大、性能要求也越來越高，這使得大型環(huán)件的制造工藝顯得尤為重要［1］。

大型徑－軸向輾環(huán)機是利用局部塑性成形實現(xiàn)大型無縫環(huán)件加工的設(shè)備［2－3］，其工作原理如圖1所示。電動機通過傳動系統(tǒng)使主輥繞固定軸轉(zhuǎn)動，液壓泵通過液壓系統(tǒng)使芯輥作徑向直線進給運動。環(huán)件在主輥和芯輥共同作用下連續(xù)咬入孔型產(chǎn)生徑向壁厚減小和直徑擴大的徑向軋制變形，同時環(huán)件又可在軸向軋制機構(gòu)錐輥作用下產(chǎn)生軸向軋制變形。在軋制過程中，環(huán)件與主輥和芯輥只是局部接觸，接觸區(qū)域不對稱，環(huán)件容易產(chǎn)生擺動，因而增設(shè)抱輥系統(tǒng)以控制環(huán)件軋制過程中的擺動現(xiàn)象。抱輥系統(tǒng)由液壓缸驅(qū)動［4］，抱輥油缸產(chǎn)生的驅(qū)動力通過抱臂傳遞至抱輥，抱輥力作用于加工環(huán)件上，保證加工過程的平穩(wěn)和順利進行［5］。

在輾環(huán)過程中，環(huán)件瞬時直徑的測量對環(huán)件的最終尺寸精度有著重要作用。現(xiàn)有的輾環(huán)機測量環(huán)件外圓直徑一般是通過測量輥實現(xiàn)的［6］，測量輥的圓心位于主輥與芯輥的連心線上。當環(huán)件圓心位于主輥與芯輥的連心線上時，測量輥所測得的數(shù)據(jù)接近環(huán)件外圓的直徑。由于環(huán)件軋制過程中的不穩(wěn)定性，若在某一時刻環(huán)件發(fā)生偏移，即圓心不在主輥與芯輥的連心線上時，用測量輥測得的數(shù)據(jù)實際上是環(huán)件與測量輥接觸點到主輥外壁的距離，是環(huán)件外圓一條弦的長度，小于環(huán)的直徑，且環(huán)件的偏移量未知。由此造成測量的環(huán)件直徑不準確。本文提出了一種新型的測量環(huán)件直徑方法（發(fā)明專利申請?zhí)?201210008451.0），該方法是利用抱輥系統(tǒng)通過幾何關(guān)系推導(dǎo)，得到了環(huán)件圓心位置、環(huán)件外圓半徑與兩油缸行程之間的數(shù)理關(guān)系。

1 抱輥圓心位置分析

如圖2所示，各部件的結(jié)構(gòu)尺寸為定值，圖中虛線為輔助線，以環(huán)件與主輥的交點A為原點作一直角坐標系，在該直角坐標系中，兩抱輥的半徑為Rb，環(huán)件的圓心為O點，環(huán)件外圓半徑為R，抱輥Ⅰ的圓心為Ob1點，抱輥Ⅱ的圓心為Ob2點，抱臂Ⅰ的旋轉(zhuǎn)中心為B點，抱臂Ⅱ的旋轉(zhuǎn)中心為G點，抱臂Ⅰ與油缸Ⅰ的鉸接中心為C點，抱臂Ⅱ與油缸Ⅱ的鉸接中心為H點，油缸Ⅰ的旋轉(zhuǎn)中心為D點，油缸Ⅱ的旋轉(zhuǎn)中心為I點，兩油缸的行程分別為s1和s2。

兩側(cè)的抱輥系統(tǒng)關(guān)于主輥與芯輥的連心線對稱安裝，△BDE和△GIJ為固定三角形，且兩三角形全等，△Ob1BC和△Ob2GH為固定三角形，且兩三角形全等

在直角坐標系中，設(shè)兩抱輥中心坐標為Ob1（x1，y1），Ob2（x2，y2）則

通過以上計算可得到兩抱輥圓心坐標Ob1（x1，y1），Ob2（x2，y2），坐標中的變量只有兩油缸的行程s1和s2。

2 環(huán)件圓心位置和外圓直徑分析

如圖2所示，設(shè)環(huán)件圓心坐標O（x，y），由幾何關(guān)系，列方程組如下:

解以上方程組可得

其中:

由上述計算可得到環(huán)件圓心位置坐標O（x，y）和環(huán)件外圓半徑R與分別推動兩抱輥運動的兩油缸的行程s1和s2的數(shù)理關(guān)系，通過軟件編程，將任意時刻測得的兩油缸行程s1和s2代入，即可顯示任意時刻圓心O的坐標和環(huán)件外圓直徑。由圓心O的坐標即可看出環(huán)件是否發(fā)生偏移，以及向哪一側(cè)偏移。

3 精度分析

現(xiàn)有的輾環(huán)機測量環(huán)件外圓直徑一般是通過測量輥實現(xiàn)的，測量輥的圓心位于主輥與芯輥的連心線上，測量輥外壁與環(huán)件接觸，通過測量輥測得的數(shù)據(jù)實際上是環(huán)件與測量輥接觸點到主輥外壁的距離。當環(huán)件圓心不在主輥與芯輥的連心線上時，測量輥測得的數(shù)據(jù)是環(huán)件外圓一條弦的長度，小于環(huán)的直徑。

如圖2所示，當環(huán)件發(fā)生偏移時，測量輥測得的環(huán)件半徑R測量輥為lAK，應(yīng)用本方法測得環(huán)件半徑R接近環(huán)件真實半徑。兩者之間的關(guān)系為

測量輥測得半徑R測量輥的誤差為

表1 測量輥測得環(huán)件半徑誤差隨環(huán)件外圓半徑和偏轉(zhuǎn)角度變化表

由圖3和表1可知，環(huán)件越大、偏移角度越大測量輥測得的環(huán)件外圓半徑誤差越大。而應(yīng)用本方法無論環(huán)件偏移大小，測得的環(huán)件半徑都接近環(huán)件真實直徑。

4 結(jié)語

本文提出了一種新型的測量環(huán)件直徑的方法，利用抱輥系統(tǒng)通過幾何關(guān)系推導(dǎo)，得到了環(huán)件圓心位置、環(huán)件外圓半徑與兩油缸行程之間的數(shù)理關(guān)系。本方法可應(yīng)用于非剛性定心的雙抱輥輾環(huán)機測量環(huán)件直徑的場合，測得的環(huán)件直徑接近環(huán)件直徑，分析了用測量輥測量的環(huán)件直徑的誤差，環(huán)件越大、環(huán)件偏移量越大，測量輥測得的半徑誤差越大。而應(yīng)用本方法無論環(huán)件偏移大小，測得的環(huán)件半徑都接近環(huán)件真實直徑。除此之外，環(huán)件圓心位置的確定，還可以為抱輥系統(tǒng)的主動控制提供支持。

［1］周廣.大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝理論研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011.

［2］潘利波，華林，錢東升，等.環(huán)件輾擴過程的抱輥控制工藝及設(shè)備的研究［J］.機械設(shè)計與制造，2007（1）:95－97.

［3］Lim T，Pillinger I，Hartley P.A finite－ element simulation of profile ring rolling using a hybrid mesh model［J］.Journal of Materials Processing Technology，1998，80/81:199－205.

［4］顏士偉，余世浩，陳學(xué)斌，等.環(huán)軋機形位輥系統(tǒng)動力學(xué)分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù).2006，41（1）:89－91.

［5］Forouzan M R，Salimi M，Gadala M S.Three－ dimensional FE analysis of ring rolling by employing thermal spokes method［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2003，45:1975 －1998.

［6］華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.