連續輥壓復合生產線驅動輥自糾偏輥形設計

□ 李 楊

江蘇正威新材料股份有限公司 江蘇如皋 226500

1 設計背景

連續氈增強熱塑性片材是由連續氈與上下淋膜層在加熱、加壓的情況下,熱塑性樹脂與連續氈充分浸潤并經冷卻定型而成,它具有各向同性、抗移性好、浸潤型好、機械剛度高等其他片材難以替代的優勢,成為當今熱塑材料研發的熱點。連續輥壓復合生產線是連續氈增強熱塑性片材生產的針對性設計產品,具有構思精巧、結構新穎、傳熱效率高、投資少等優點,在熱塑片材復合領域應用前景廣泛,市場潛力巨大。

驅動輥是連續輥壓復合生產線的重要部件,分為上驅動輥和下驅動輥。驅動輥采用芯軸+輻板結構,伺服電機驅動。為保證對鋼帶的有效驅動,在驅動輥表面安裝由粉末冶金材料壓制而成的摩擦片,摩擦片與驅動輥面采用螺栓連接。驅動輥對鋼帶具有驅動、張緊和糾偏的功能。驅動輥面為自糾偏形狀設計,采用凸度輥形,設置合理的中高。驅動輥在具有自糾偏功能的同時,還設計有獨立的液壓張緊和糾偏裝置,采用比例積分微分控制器閉環控制。驅動輥自糾偏輥能力與獨立糾偏裝置的有機接合,能有效提高系統的糾偏能力,充分保證鋼帶的穩定運行。

2 自糾偏輥糾偏原理

2.1 錐度輥糾偏原理受力分析

連續輥壓復合生產線中,鋼帶繞行于驅動輥和主加熱輥。鋼帶跑偏的原因主要包括:① 驅動輥、加熱輥的制造誤差;② 設備安裝誤差;③ 鋼帶的長度、厚度等方面的誤差;④ 工作環境溫度變化;⑤ 鋼帶張緊力變化及負載變化。

驅動輥自糾偏輥形可以設計為鼓型、雙錐度、凸度等形狀。下面以自糾偏輥形最簡單的形狀——錐度輥為例,對鋼帶糾偏進行受力分析,如圖1所示。

▲圖1 錐度輥糾偏受力分析

鋼帶在初張力F0的作用下,與驅動輥面實現緊密貼合。工作過程中,鋼帶在驅動輥驅動下,帶動加熱輥旋轉。由于摩擦作用,鋼帶緊邊的拉力為F1,松邊的拉力為F2。假定鋼帶長度保持不變,則有:

2F0=F1+F2

(1)

驅動輥受到鋼帶包覆產生的壓軸力FP為:

FP=2F0sin(γ/2)

(2)

式中:γ為鋼帶對驅動輥的包角。

在鋼帶滑動的臨界狀態時,鋼帶沿驅動輥錐度方向的摩擦力Ff為:

Ff=μFPcosθ=2μF0sin(γ/2)cosθ

(3)

式中:θ為驅動輥的錐度角;μ為鋼帶與驅動輥之間的摩擦因數。

由于包覆力作用,鋼帶在運動中沿錐度輥斜面產生的糾偏力FQ為:

FQ=2F0sin(γ/2)sinθ

(4)

由于驅動輥直徑較大,轉速較低,鋼帶繞驅動輥旋轉產生的向心力忽略不計,則鋼帶沿驅動輥錐度方向的糾偏力F為:

F=FQ+Ff=2F0sin(γ/2)(sinθ+μcosθ)

(5)

由式(4)可以看出,對于平輥,由于θ為0°。不具有糾偏作用。對于錐度輥,θ為0°～90°,F大于0恒成立,這就是錐度輥的自糾偏原理。在一定范圍內,θ越大,輥子的糾偏效果越好,鋼帶越不容易跑偏。但θ過大,鋼帶會出現壓痕或瓢曲,對鋼帶造成損傷。

2.2 錐度輥糾偏位移量計算

鋼帶單元受力分析如圖2所示,取單位寬度的鋼帶單元進行分析,鋼帶單元兩側的圓周速度分別為va、vb,且va小于vb。在該速度差的作用下,鋼帶單元受到力矩M的作用,向左偏轉,偏轉角度為β。由于輥子的旋轉,在側向滑移摩擦力和螺旋偏移向心力的作用下,鋼帶單元向輥子中心線方向移動,達到糾偏作用。輥子旋轉一周,鋼帶向輥子中心線的移動量Δx可以近似表示為:

▲圖2 鋼帶單元受力分析

(6)

式中:k為輥子的糾偏因數;r為輥子的直徑;B為鋼帶寬度;α為鋼帶與輥面接觸角度;α1為鋼帶與輥面開始接觸時的角度;α2為鋼帶與輥面脫離接觸時的角度。

3 驅動輥輥面曲線設計

驅動輥輥形的設計有多種形式,鋼帶的厚度、寬度、長度的不同對驅動輥形的要求也有所不同,凸度輥形多用于鋼帶包角較大的情況,雙錐度輥形對鋼帶寬度的適應范圍廣。連續輥壓復合生產線中,驅動輥的直徑為1 600 mm,鋼帶寬度為1 600 mm,厚度為1.8 mm,鋼帶對驅動輥的包角為180°,綜合各種因素,驅動輥形采用中間為平直段,兩側為凸度曲線的對稱形式。

3.1 輥面平直段長度確定

驅動輥平直段的長度越長,鋼帶越容易跑偏。在初張力作用下,鋼帶首先與驅動輥的平直區段接觸,隨著張力增加,逐漸與凸度段接觸,直至完全貼合。在鋼帶運行過程中,不管鋼帶如何跑偏,也是始終先與平直段接觸。鋼帶與輥面接觸的不均勻現象造成鋼帶局部張力的不均衡。鋼帶張力的不均衡程度k′為:

k′=H/L

(7)

式中:H為驅動輥面平直段的長度;L為驅動輥輥面的長度。

根據經驗,k′可以取0.3～0.5;k′值越小,鋼帶越不易跑偏。本例中取輥面平直段長度H為800 mm。

3.2 輥面錐度角確定

由式(4)可以看出,θ為0°～90°,錐度角越大糾偏效果越好,但錐度角越大越容易引起鋼帶瓢曲。錐度角對鋼帶糾偏和瓢曲的影響如圖3所示。

本例中,驅動輥面安裝耐磨摩擦片,增大輥面與鋼帶的摩擦因數。根據經驗,取輥面最大凸度為2 mm,則驅動輥輥面形狀如圖4所示。

▲圖3 錐度角對跑偏和瓢曲影響▲圖4 驅動輥輥面形狀

經計算,輥面的錐度角θ為0.143°,即8′36″。

3.3 驅動輥輥面曲線確定

錐度角確定后,根據驅動輥的最大凸度值確定輥面曲線。驅動輥的輥面曲線通常為拋物線,其曲線方程的為二次函數。驅動輥輥面函數表達式為:

y=ax2+c

(8)

式中:a為二次項因數;c為常數項;x、y為曲線上點的坐標值。

將(400,0)、(800,1)代入式(7),解方程組后得a為2.08×10-6,c為-0.333。

驅動輥輥面曲線方程為:

(9)

4 結束語

在連續輥壓復合生產線中,兩層鋼帶相互擠壓,受力復雜,鋼帶跑偏是設備調試和運行過程中遇到最棘手的問題。驅動輥輥形對于鋼帶糾偏和運行至關重要,從最簡單的自糾偏輥形單錐度輥入手,通過輥面與鋼帶間的力學分析,得到鋼帶運行時糾偏力計算公式,進而得到糾偏位移計算公式。根據自糾偏輥形設計原則,綜合各方面因素,確定連續輥壓復合生產線驅動輥采用凸度輥形并求確定其輥面曲線為直線段與二次拋物線相結合。驅動輥凸度輥形的設計,在增強自身糾偏能力的同時也有效提升液壓糾偏裝置的糾偏能力,有效保證鋼帶的穩定運行,為連續輥壓復合生產線驅動輥設計提供理論依據和設計基礎。