作者：窦玲
来源：《科技创新导报》 2012年第15期
窦玲
(内蒙古通辽市自来水公司 内蒙古通辽 028000)
摘 要:本文以矫正理论为基础,分析了三辊卷板机的受力,为三辊卷板机的设计提供依据,并给出完整的分析过程。
关键词:卷板机 压下力 分析
中图分类号:TB47 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0082-02
1 前言
为了满足我公司目前及今后生产的需要,根据我公司的业务领域,决定自行设计、制造卷板机,可卷制板宽2.8m,厚度达80mm的普板及50mm的锰钢板,厚板最小卷管直径Ф5000mm,薄板最小卷管直径Ф12
00mm,并可实现对I20以下型钢的卷制。为此,必须进行三辊卷板机的受力分析,进而确定设计尺寸,完成设计、制造任务。而目前的文献中没有现成的计算、分析方法,这使开发工作受阻。
2 辊径、辊距的确定
为了实现卷制以上规格范围,并与我公司现有卷板机的规格互相补充,参考国内相关产品的辊径系列,最终确定采用直径Φ800mm的上辊。参考钢板矫正理论,中厚板矫正机下辊间距与辊径之比的范围为:0.7～0.94。且中厚板矫正机辊距范围为:(12～20)hmax～(40～60)hmin,即辊距为(960～1600)mm～(800～1200)mm。由此确定下辊间距为1000mm,确定下辊直径为Φ700mm。具体三辊的布置情况如下图1。
从图中可得:采用Ф800上辊,行程至少200mm,并进一步确定下辊间的导向槽为400×300,长度为800mm。
3 压下力的确定
3.1 卷板状态板材应力分析
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可以认为卷板过程是矫直过程的逆过程,因此二者可采用相同的受力分析理论,三辊卷板类似于三点矫直。轧件的三点矫正就是使轧件承受某种方式的和一定大小的外力作用,产生一定的弹塑性变形,当上述外力去除后,在内力作用下又产生弹性恢复变形,直到内力达到新的平衡,得到所要求的形状。矫正过程,实质就是弹塑性变形过程,通过轧件产生弹塑性弯曲变形达到矫正的目的。 实验分析和计算结果表明:对于轧件横断面的高宽比值很小的和轧件高度与支点间距比值很小的矫正过程,轧件产生弯曲变形时,平行于中性层的纤维的伸长和缩短,是由弯矩所引起的正应力在起主要作用,切应力的影响很小,可忽略不计。这样,材料力学中的关于弹性弯曲的平面假设对于塑性弯曲仍然适用,即弯曲变形时截面上各点的位移正比于该点至中性层的距离,横截面仍为平面,只是扭转一个角度而仍与中性层相垂直。 弹塑性弯曲变形时,沿截面应力分布规律根据材料的拉伸和压缩实验应力—— 应变曲线确定。一般来讲,材料的拉伸和压缩实验应力—— 应变曲线很接近,尤其对于矫正过程所达到的弹塑性变形程度,可以认为一条曲线。不同材料具有不同的σ-ε曲线,实际应用时往往采用各种材料的σ-ε简化曲线,如图2。与其对应的弹塑性弯曲应力分布规律,如图3所示。
时域和频域
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卷板是采用“三点”弯曲的方法使板材发生塑性变形,受力后板材首先产生弹性弯曲,以中性层为分界线,凸弯侧的纤维受拉变长,凹弯侧的纤维受压变短,当弯曲力矩增大到一定数值时,板材表面纤维开始达
到塑性变形,此时为弹性弯曲极限状态,如图4a；若弯曲力矩继续增加,则塑性变形由表面向中性层扩展,即形成一定厚度的塑性层,此时为弹塑性弯曲态,如图4b；对于理想材料,整个断面都达到塑性变形时,为弹塑性弯曲极限状态,如图4c,也称为完全塑性弯曲状态,此时的弯曲力矩为弹塑性弯曲极限力矩。
在弹性变形范围内,σ与ε的关系符合虎克定律,；屈服状态下,；弹塑性变形范别内,若,称为理想材料；若,称为非理想材料。对于非理想材料,当出现塑性层时,材料内部会产生抵抗晶格错动的能力,这种性质称为材料的强化(或称硬化),就是说尽管超过了屈服限,若继续变形,必须增加外力,其大小由σ与ε的新关系所确定。
实际上,在变形曲率较小的情况下,板材的截面形状并未发生明显变化,而材料在拉伸、压缩过程中发生强化,即变形所需的应力增大了,见σ与ε的关系。对于矩形截面的碳钢,其弹塑性极限弯矩是弹性极限弯矩的1.5倍。达到弹塑性极限弯矩时,即使外力不再增加只要保持恒定,板材仍将发生弯曲,即弹塑性极限弯矩是板材发生塑性变形中可承受的最大弯矩。而弹性极限弯矩是材料开始发生塑性变形的弯矩。
3.2 压下力计算
官谣 卷板时钢板的受力可简化为中点受压的简支梁。但随着钢板的弯曲,下辊上的支点发生变化,使钢板的跨度减小。同时,由于外力撤消后钢板的弹复,每次压下后卷辊完毕,钢板的曲率均略大于压下曲率。然而,在前次获得曲率的基础上再次压下,若上辊要低于前次的位置,则必须增加压下力,这是由于钢板的跨度减小、非理想材料的硬化等原因。对于材料的硬化,表现为曲率减小时,各层金属的应变增加,而导致更多层的金属达到并超过屈服应变,相应的应力增加。如果各层金属均达到或超过屈服应变,则板材
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处于完全塑性弯曲状态。对于卷板工艺,通常材料的应变没有这么大。因此实际上一次压下到位与分次压下到位的最大压力基本相同。生产中采用分次压下,主要是为了使变形均匀,圆度提高。
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以上根据矫正理论中内力矩等于外力矩的原理,即内力矩由外力矩引起,得到卷制δ=80mm,R=5000mm的A3钢炉皮时上辊所需的压下力为520.43t。为此,确定卷板机上辊需达到600t的压下力。
4 实施情况
此后经过一系列的各系统细化设计、制作、安装、调试、试生产,于2006年1月投入正常使用,卷板机的各机件工作正常,开发工作圆满完成。
参考文献
[1] 邹家祥主编.轧钢机械[M].上海:冶金工业出版社,1988.341～392.
[2] 徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991.4-228～4-230.
[3] 徐灏.安全系数和许用应力[M].北京:机械工业出版社,1981.242.
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