連桿式七輥矯直機(jī)分析及計(jì)算

桂 林

(中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋成套設(shè)備分公司 湖北武漢430223)

連桿式七輥矯直機(jī)分析及計(jì)算

桂 林

(中冶南方工程技術(shù)有限公司冷軋成套設(shè)備分公司 湖北武漢430223)

以連桿式七輥矯直機(jī)為對(duì)象，通過(guò)分析力能參數(shù)計(jì)算、輥系壓下量的設(shè)定及壓下量精度模型的建立，為合理設(shè)定該類(lèi)矯直機(jī)工作輥的壓下規(guī)程、提高板帶矯直質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)便可行的方法。

矯直機(jī) 連桿式 參數(shù)計(jì)算 壓下量 精度 建模

1 概述

帶鋼矯直機(jī)是冷軋薄板生產(chǎn)線(xiàn)上的關(guān)鍵設(shè)備，用以消除板材的波浪彎和瓢曲等板形缺陷。合理地選擇矯直機(jī)工藝參數(shù)，確定最佳的壓下量，對(duì)提高鋼板的矯直質(zhì)量有著重要的意義。為此，本文以某廠(chǎng)七輥矯直機(jī)為研究對(duì)象，為現(xiàn)場(chǎng)合理設(shè)定矯直機(jī)工作輥的壓下規(guī)程、提高板帶矯直質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)便可行的方法。

本背景工廠(chǎng)的酸軋聯(lián)機(jī)采用了外方(SIEMAG)設(shè)計(jì)的七輥矯直機(jī)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

該七輥矯直機(jī)主要由矯直輥、保護(hù)輥、主傳動(dòng)、輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)組成。由圖1可看出，矯直輥為三上四下布置。上輥通過(guò)兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)快速打開(kāi)，并由兩套偏心軸連桿機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輥縫的調(diào)整。該七輥矯直機(jī)的輥縫調(diào)節(jié)不同于以往常見(jiàn)的機(jī)型，通常的調(diào)整機(jī)構(gòu)均為上輥單獨(dú)調(diào)整，由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)節(jié)。該機(jī)型直接由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸連桿機(jī)構(gòu)一次調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)輥?zhàn)拥耐秸{(diào)節(jié)，其機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖2，后文將對(duì)輥縫調(diào)整作詳細(xì)論述。

圖1 桿式七輥矯直機(jī)(偏心軸傳動(dòng)部分未示出)

圖2 連桿機(jī)構(gòu)示意圖

2 作用在矯直輥上的力(矯直力)

1)作用在矯直機(jī)輥?zhàn)由系牧砂凑諑т搹澢鷷r(shí)所需的力矩來(lái)計(jì)算。此時(shí)，將帶鋼看成受很多集中載荷的連續(xù)梁，這些集中載荷就是各個(gè)輥對(duì)帶鋼的力，它們?cè)跀?shù)值上等于冷軋帶鋼對(duì)輥?zhàn)拥牧Α?/p>

圖3 矯直輥受力分析

如圖3，各輥?zhàn)由系牧梢愿鶕?jù)帶鋼斷面的力矩平衡條件求出，即：

作用在上下排輥?zhàn)由系牧χ蜑椋?/p>

2)假設(shè)：

(1)帶鋼在第2、3、4輥處，變形較大，所受的彎曲力矩為塑性彎曲力矩Ms；

(2)帶鋼在第6輥處，變形較小，所受的彎曲力矩為屈服力矩Mw；

(3)帶鋼在第5輥處，所受的彎曲力矩為屈服力矩Mw和塑性彎曲力矩Ms的平均值。

即：

M2+M3+M4=Ms

M5=(Ms+Mw)/2

M6=Mw

式中t—矯直輥輥距；Mi—帶鋼在第i輥?zhàn)由系膹澢兀籑w—帶鋼的屈服力矩；Ms—帶鋼的塑性彎曲力矩。

將上述三假設(shè)代入各輥?zhàn)邮芰?，可得出各輥?zhàn)映C直力公式：

由以上可以看出，在上述三個(gè)假設(shè)的前提下，第1輥至第3輥的矯直力是遞增的，第3輥矯直力為最大值，然后，矯直力開(kāi)始遞減，第7輥矯直力為最小值。

被矯直帶鋼的屈服極限σs為550MPa，寬度b為800mm～1900mm，厚度h為1.6mm～6.0mm，t為200mm，形狀系數(shù)e對(duì)應(yīng)矩形截面的帶鋼取值為1.5。

根據(jù)帶鋼的塑性彎曲力矩計(jì)算公式，可得：

P1=94.05kN

P2=282.15kN

P3=376.2kN

P4=346.475kN

P5=257.32kN

P6=133.525kN

P7=34.6kN

∑P=1524.32kN

3 冷軋帶鋼彈塑性變形矯直力矩計(jì)算

1)在矯直機(jī)上，帶鋼是隨著矯直機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不斷前進(jìn)并反復(fù)彎曲的，矯直輥上的扭矩按功能原理來(lái)確定，矯直過(guò)程可以按以下假設(shè)進(jìn)行分析：

(1)各輥的彎曲力矩Mi均是塑性彎曲力矩Ms；

(2)彈復(fù)變形不屬于耗能變形；

其中矩形截面的帶鋼可以按下式計(jì)算：

帶鋼的最小變形矯直方案的殘余應(yīng)力曲率的最大值為：

平均原始曲率為：

可以計(jì)算出矯直輥上的矯直力矩：

4 矯直機(jī)功率的計(jì)算

矯直機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)功率可以按下式計(jì)算：

式中Mk—矯直力矩，kN·m； ∑P—作用的輥?zhàn)由系牧χ?，kN；f—輥?zhàn)优c帶鋼的滾動(dòng)摩擦因數(shù)(有量綱)，對(duì)于鋼板f=0.0002m，如考慮出現(xiàn)較大的滑動(dòng)摩擦，則對(duì)于鋼板f=0.0008m；

μ—輥?zhàn)虞S承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承μ=0.005，滾針軸承μ=0.01，滑動(dòng)軸承μ=0.05～0.07；

D—輥?zhàn)拥闹睆?，D=180m；

d—輥?zhàn)虞S承處直徑取中徑，d=135.4m；

v—矯直最大速度，v=2m/s；

η—傳動(dòng)效率，η=0.85～0.7(有支撐輥時(shí)，取較小值)。

根據(jù)上述公式，可得：

P功=99.3kW，實(shí)際選型為110kW。

5 輥系壓下量的設(shè)定及其精度的模型

該七輥矯直機(jī)的輥縫調(diào)節(jié)不同于以往常見(jiàn)的機(jī)型，通常的調(diào)整機(jī)構(gòu)均為上輥單獨(dú)調(diào)整，由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)節(jié)。該機(jī)型則由兩臺(tái)齒輪電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心軸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)一次調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)輥?zhàn)訅合铝康耐秸{(diào)節(jié)。

下面從該機(jī)型結(jié)構(gòu)特征，推導(dǎo)其壓下量設(shè)定值與偏心機(jī)構(gòu)的關(guān)系。壓下量為0的初始位，如圖4。

壓下量調(diào)整齒輪電機(jī)軸線(xiàn)分別與A、B兩點(diǎn)重合，其分別驅(qū)動(dòng)偏心軸使得K、J兩點(diǎn)分別繞

圖4 矯直輥初始位連桿機(jī)構(gòu)示意圖

A、B兩點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整HK與GJ的長(zhǎng)度組合，最終通過(guò)五連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上矯直輥組的3個(gè)矯直輥實(shí)現(xiàn)不同的壓下量。

1)通過(guò)設(shè)定壓下量，求偏心軸旋轉(zhuǎn)角度：

已知:坐標(biāo)(Xb,Yb),(Xc,Yc),(Xd,Yd)；線(xiàn)段L1=BJ，L2=GJ，L3=CG，L4=EG，L5=EH，L6=HK，L7=AK，L8=EF；角度α1=∠FEG，α2=∠GEH，矯直輥直徑D=180mm；輸入壓下量Y1，Y2。

求：KA角度β1，JB角度β2。

依據(jù)幾何關(guān)系可先后求得：

坐標(biāo)(Xe,Ye),(Xf,Yf),(Xg,Yg),(Xh,Yh)；FE角度β=arcsin[(Yf-Ye)/L8]

(525.913≤L10≤555.913,由連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)限制)

2)通過(guò)偏心軸旋轉(zhuǎn)角度值，求壓下量實(shí)際值，并得出壓下量控制精度：

已知條件同前，輸入KA角度β1，JB角度β2。

求：實(shí)際壓下量Y1a，Y2a

Y1a=Yd+D-Ye；Y2a=Yd+D-Yf

依據(jù)幾何關(guān)系可先后求得：

坐標(biāo)(Xj,Yj),(Xg,Yg),(Xk,Yk),(Xh,Yh)

arccos[(Xg-Xb)/L10]

Xe′=Xh+L5×cosγ3；Ye′=Yh-L5×sinγ3

Xf′=Xe′+L8×cosγ4；Yf′=Ye′+L8×sinγ4

壓下量調(diào)整精度：

值得注意的是3#輥的壓下量是不能單獨(dú)調(diào)整，其坐標(biāo)與1#、2#輥存在如下關(guān)系：

X3=2Xf-Xe；Y3=2-Yf-Ye

對(duì)應(yīng)的其壓下量與1#、2#輥壓下量存在如下關(guān)系：

Y3=2-Y2-Y1

圖5 連桿式七輥矯直機(jī)

圖6 連桿機(jī)構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

本酸軋聯(lián)機(jī)連桿式七輥矯直機(jī)投產(chǎn)三年多來(lái)，運(yùn)行狀況良好，實(shí)踐證明計(jì)算結(jié)果和計(jì)算方法是正確的，可以將該計(jì)算方法應(yīng)用于同類(lèi)工況的矯直機(jī)的設(shè)計(jì)及校核。

目前類(lèi)似的連桿式七輥矯直機(jī)也已出現(xiàn)，如圖5；其通過(guò)帶內(nèi)置線(xiàn)性位移傳感器的液壓缸代替偏心軸機(jī)構(gòu)對(duì)HK與GJ的長(zhǎng)度的調(diào)整，直接由液壓缸通過(guò)不同行程的匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)AH與BG的長(zhǎng)度變化組合，如圖6，當(dāng)然最終還是通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上矯直輥組的3個(gè)矯直輥實(shí)現(xiàn)不同的壓下量。相比較而言，使用內(nèi)置線(xiàn)性位移傳感器的液壓缸代替齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏心軸機(jī)構(gòu)，使得矯直輥壓下量的控制更直接也更簡(jiǎn)單。

事實(shí)證明這類(lèi)連桿式七輥矯直機(jī)，沒(méi)有了常見(jiàn)機(jī)型外露的滑槽摩擦面，將所有運(yùn)動(dòng)的部件都保護(hù)起來(lái)，避免了因?yàn)檠趸F皮的堆積造成滑動(dòng)面的磨損及損壞，減少了設(shè)備的維護(hù)量；而且連桿式結(jié)構(gòu)在矯直輥換輥時(shí)可以全部打開(kāi)，因而提高了換輥操作的便利性及設(shè)備的使用率。連桿式矯直機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊、重量輕、造價(jià)更低，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得大力推廣。

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2]崔甫.矯直理論與參數(shù)計(jì)算.重型機(jī)械,2002(7).

[3]周?chē)?guó)盈.帶鋼精整設(shè)備.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

Analysis and Calculation of Seven-roll Leveller with Linkage Mechanisms

Gui Lin

(Cold Roll Complete Set Equipment Branch, WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

Based on the seven-roll leveller with linkage mechanisms, calculation of mechanical parameters and principle of straightener roll reduction were analyzed, modeling the accuracy of straightener roll reduction, which provided a simply and feasible method for setting the principle of roller reduction and improving the quality of strip straightening.

Leveller Linkage mechanisms Calculation of parameters Roller reduction Accuracy Modeling

桂林，男，1979年出生，2002年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事冷軋?jiān)O(shè)備設(shè)計(jì)及研究工作

TG333.23

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.003

2014—03—09)