复合矫直

2024-08-16

复合矫直（共4篇）

复合矫直篇1

引言

中板矫直机矫直辊是中板厂矫直设备的主要消耗部件[1,2], 其材质为60Cr Mn Mo, 制作工艺为锻造、机加工、调质处理。材质的选择以满足辊面高硬度、高耐磨性为主。由于矫直辊母材合金含量较低, 在矫直生产过程中磨削量大、换辊周期短、使用成本高, 同时在钢板表面形成压痕。

为了提高矫直辊的各项性能, 本文针对某冶金中板厂十一辊矫直机矫直辊 (9支Φ250×3000mm的工作辊、2支Φ350×3000mm的导辊) 进行了堆焊修复, 并用于生产。其使用寿命高于原母材60Cr Mn Mo, 很好地满足了矫直辊的使用要求。

1 矫直辊堆焊材料及工艺的选择

1.1 矫直辊失效形式

通过对矫直辊表面辊系使用条件及失效形式进行分析, 主要有以下情况:

(1) 矫直辊工作表面淬火层易出现龟裂、掉快, 产生的微凸起硬点、粘结氧化皮在板材表面形成压痕;

(2) 矫直辊工作表面的硬度和强度及耐磨性下降, 轧辊消耗大;

1.2 堆焊材料的综合性能分析

矫直辊在≤800℃ (有水冷却) 的工作环境中长期运行, 应具有耐高温、高耐磨、高硬度、耐腐蚀 (水气) 、防蠕变、抗粘接 (氧化皮) 、高温疲劳强度 (防网状裂纹和剥落) 等特性。根据矫直辊的失效形式, 堆焊材料应具有以下特点:

(1) 含碳量为中碳, 材料变形小, 具有韧性、塑性及良好的导热性, 减少产生冷热裂纹的倾向。

(2) 含硅锰元素, 强化基体, 提高强度、硬度, 提高屈强比和耐腐蚀性。

(3) 高Cr元素含量, 强化基体, 抗氧化性和耐腐蚀性, 抗有害气体。当Cr含量大于5%时, 既耐热又具有高强度。当与碳形成碳化铬时, 明显提高强度, 有效防止与板面的粘接。

(4) 含Ni元素, 提高热强度和硬度而不降低塑性, 良好的耐腐蚀性能。特别是当与铬配合使用时更能发挥其良好的性能。

(5) Mo、W、Nb、Ti等元素, 强化基体, 细化晶粒, 提高高温强度与蠕变极限, 抗有害气体, 能有效防止与板面粘接。

(6) 焊接材质具有二次硬化倾向, 使用过程中不降低硬度, 反而会使硬度提高4~7HRC, 并使辊面硬度均匀化。

选择的焊接材料应具有焊接工艺性能好, 耐高温、高耐磨、高强度、耐侵蚀、抗氧化, 抗蠕变、抗粘接等特性, 综合考虑成本等因素, 修复后的矫直辊使用寿命应达到原辊 (60Cr Mn Mo材质) 的2倍以上。

1.3 堆焊材料选择

为了使矫直辊表面获得高强度、高韧性、耐磨的工作层, 结合矫直辊在使用过程中的不同工作条件, 选用了中冶集团建筑研究总院有限公司焊接所研制生产的ZY-YD255F-S作为矫直辊工作层, 以ZY-YD001-S焊丝作为过渡层, 其熔敷金属的化学成分见表1。选用ZY-SF60烧结焊剂作为堆焊焊剂, 其化学成分见表2。

1.4 堆焊修复工艺

选择埋弧焊作为矫直辊的堆焊修复方法。

1.4.1 焊前加工及检测

为了保证上、下矫直辊有效工作层厚度, 堆焊层的有效厚度应>15mm。矫直辊堆焊修复前必须经加工去除疲劳层, 再进行超声波探伤和着色探伤, 如发现裂纹等缺陷, 全部去除, 再次经探伤合格后方可焊接。

1.4.2 预热温度和层间温度的确定

矫直辊在堆焊过程前必须进行预热。预热温度、保温时间未达到技术要求, 堆焊层会形成较大的热应力, 产生裂纹;矫直辊表层在堆焊时也会发生马氏体相变, 形成薄的脆硬层, 从而导致堆焊层开裂和剥落。故堆焊前矫直辊应充分预热并在堆焊时保持焊道层间温度稳定。

预热温度由矫直辊材料和堆焊材料的合金体系来综合确定, 一般碳含量和合金元素总含量越高, 则预热温度也越高。预热保温时间和轧辊的直径、长度有关, 轧辊直径越大, 保温时间越长, 以保证轧辊内外均温。堆焊开始后, 焊道层间温度允许比预热温度低, 但不得超过50℃的温差。

针对此矫直辊, 综合考虑其直径、长度, 预热温度选择为400℃, 保温5 h;焊道层间温度为300~350℃。

1.4.3 堆焊工艺的确定

堆焊工艺参数是指堆焊时所采用的焊接极性、焊丝直径、焊接电流、焊接电压以及堆焊速度等。堆焊工艺参数主要取决于圆盘直径、焊丝直径和焊丝的合金元素含量。焊丝直径根据矫直辊的大小来确定, 一般在Ф2.4~4.0mm范围内, 小轧辊使用小直径焊丝, 大轧辊使用大直径焊丝。焊丝合金元素含量高的情况下, 选择较低堆焊工艺参数;反之, 则选择较高堆焊工艺参数。

本次研究进行的轧辊堆焊修复制造过程中, 采用Ф3.2mm的药芯焊丝, 堆焊工艺参数如表3所示。

1.4.4 焊后去应力回火工艺参数的确定

焊后去应力回火的目的是去除堆焊过程中产生的热应力和组织应力, 同时使堆焊组织产生“二次硬化”, 进一步提高和改善堆焊金属的耐磨性及耐热疲劳性。

回火工艺参数通常根据以下几方面因素来综合考虑设定:

(1) 以堆焊层材料的化学成分, 如含碳量以及Cr、Mn、Mo、W、V、Nb等合金元素的含量, 设定回火温度;

(2) 以堆焊层的厚度设定保温时间;

(3) 以堆焊辊的直径设定保温时间。

依据本文研制的药芯焊丝堆焊金属以及矫直辊母材的合金成分, 回火温度设定在530℃, 保温时间为10h。

2 堆焊材料试验

2.1试验工艺

用研制生产的药芯焊丝ZY-YD255F-S在25×250×200 mm的Q235试板上堆焊五层, 作堆焊试验, 在530℃×2h回火后, 随炉冷却到室温。

2.2 性能分析

2.2.1 熔敷金属的金相组织

堆焊层横截面金相试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀, 结果如图2~图5所示。图2为底层焊缝和热影响区的分界, 分界上晶粒明显长大部分为热影响区, 组织为铁素体和少量珠光体;在热影响区上面的母材组织为铁素体和呈带状分布的珠光体。图3为底层焊缝, 焊缝组织呈柱状晶分布, 组织为马氏体, 少量残余奥氏体及回火马氏体。图4为盖面焊缝, 组织为马氏体, 还有少量白色小颗粒碳化物;图5是图4的局部放大, 可以明显看到基体组织上的碳化物颗粒。

2.2.2 熔敷金属的性能

(1) 硬度测试

采用HL-160A里氏硬度计测量ZY-YD127-S堆焊试样的硬度值, 结果如表5所示。原母材5Cr Ni Mo的锥辊要求硬度为HRC50, ZY-YD127-S堆焊材料的硬度与原母材5Cr Ni Mo的锥辊的硬度相当。

(2) 耐磨性试验

采用ML-10磨粒磨损试验机进行试验, 结果如表5所示。从表5可以看出, ZY-YD255F-S堆焊后矫直辊的耐磨性比60Cr Mn Mo提高了3~5倍。

其中:0#为60Cr Mn Mo;1#为ZY-YD255F-S堆焊熔敷金属。

(3) 拉伸和冲击试验结果

熔敷金属拉伸试验按GB/T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行, 常温冲击试验采用GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》的方法进行。熔敷金属拉伸试验的抗拉强度为1370MPa, 冲击试验试验结果如表7所示。

从表7可以看出, 堆焊金属具有较高的强度和一定的冲击韧性, 能够满足矫直辊的使用要求。

3 矫直辊堆焊修复现场情况

图6和图7分别为矫直辊工作辊和导辊的堆焊现场。矫直辊经修复后通过机加工和磨削加工, 探伤无裂纹、气孔等缺陷。

4 结论

(1) 结合矫直辊的工作条件, 通过自行研制的ZY-YD001-S和ZY-YD255F-S药芯焊丝, 对矫直辊工作辊和导辊进行堆焊修复。堆焊修复后的矫直辊无缺陷, 其强度和韧性与母材金属相当, 耐磨性比母材提高了2~5倍。

(2) 堆焊修复后的矫直辊投入生产线使用, 其各项性能满足使用要求, 延长了轧辊使用寿命, 减少了轧辊消耗, 降低了生产成本。

参考文献

[1]赵军.中板矫直辊辊面粘钢锈蚀产生原因及有效防治[J].甘肃冶金, 2013, (4) :45-47.

[2]李连胜, 杨德印, 郑首忠.革新设备提高钢板表面质量[J].轧钢, 2006, (5) :58-61.

复合矫直篇2

轨底纵向残余应力和平直度是衡量矫后重轨质量的2个重要指标。轨底纵向残余应力过大会造成重轨使役中的应力超过疲劳极限而失效, 平直度则直接影响重轨成材率及列车运行的平稳性。国标GB258-2007《铁路用热轧钢轨》规定, 矫后重轨轨底纵向残余应力必须小于250MPa, 轨身平直度在垂直方向上每3m长度内轨身挠度小于等于0.5mm, 且每3m长度内轨身挠度小于等于0.4mm, 在水平方向上每1.5m轨身挠度小于等于0.7mm。平立复合矫直作为重轨生产中的最后一道变形工艺, 所采用的复合矫直规程最终决定矫后重轨的轨底应力和平直度。目前生产中, 对重轨进行试矫以寻找最优复合矫直规程, 造成了大量的浪费, 因此通过仿真分析和统计学试验对重轨复合矫直规程进行研究和优化具有重要意义。

目前, 国内外对重轨复合矫直的研究主要集中在矫直过程中及矫直后重轨应力和平直度方面, 采用统计学试验方法对最优复合矫直规程进行探索的文献极少。文献[1-4]对重轨矫直过程进行了仿真, 并分析了矫后重轨的残余应力, 但均未对矫直规程进行研究。文献[5]建立了简化的矫直辊模型, 采用了正交试验方法对复合矫直规程进行了统计学研究, 但需进行50次模拟计算, 计算量非常大。本文采用均匀试验方法, 仅需10次试验即可达到50次正交试验的统计精度。同时, 本文在考虑重轨预弯冷却后残余应力的基础上, 建立了精确的矫直辊模型, 提高了重轨的网格密度。

1 重轨复合矫直模型的建立

采用ANSYS有限元软件对U75V百米高速重轨进行建模, 考虑到冷床间距、矫直机辊距和计算时间, 重轨模型长取5000mm, 共划分了88 000个单元、114 729个节点, 单元类型选用具有动力学特性的8节点6面体单元的Solid164, 重轨截面及网格划分情况如图1所示。在采用ANSYS隐式热分析对重轨热预弯冷却过程进行求解后, 通过隐显转换 (implicit to explicit) 方法将终冷时刻具有残余应力和几何变形状态的重轨导入矫直模型。导入前的重轨终冷时刻整体纵向应力分布如图2所示。

具有精确辊型的矫直辊有限元模型如图3所示。导入后的重轨矫直模型及其纵向应力分布如图4所示。重轨复合矫直模型共划分358 440个单元、422 969个节点, 重轨材料模型为双线性随动强化模型, 矫直辊均为刚性体。重轨平立复合矫直机各辊依与重轨的先后接触顺序编号为1~17 (图4) , 水平矫直辊距为1600mm, 立式矫直辊距为1300mm, 9#辊为无辊型辅助辊。重轨水平矫直上侧的2#、4#、6#、8#辊和立矫右侧的11#、13#、15#、17#辊可进行压下量的调节 (17#辊的压下量一般为0) 。各辊的压下量组合称为矫直规程。以某厂采用的复合矫直规程 (表1) 为基准规程, 在此基础上对每个矫直辊的压下量进行调节, 并按照均匀试验设计方法进行模拟试验和统计分析。重轨及矫直辊的有限元材料参数如表2所示。

MPa

2 均匀设计和试验方案

均匀试验设计根据具体试验来选择适用的均匀设计表, 按对应的均匀设计使用表来安排试验方案, 设计时不考虑因素的交互作用[6]。均匀设计表与正交表类似, 是一种规格化的试验工具表格, 用Un (mk) 表示, 其中, U为均匀设计表代号, n为试验总次数, m为水平数, k为最大因素数。n、k分别表示行数和列数, m表示每列中字码的个数。

采用不同压下量组合进行试验以找到最优的矫后重轨残余应力和平直度的矫直规程是本文试验设计的指导思想。将可控并影响试验结果的7个矫直辊 (2#、4#、6#、8#水平矫直辊和11#、13#、15#立式矫直辊) 的压下量作为因素。各矫直辊的压下量以现场压下量为基准, 将现行压下量 (减小2 mm、减小1 mm、增加1 mm、增加2mm) 作为各因素的5个水平。故本试验共有7个因素、5个水平, 全面试验需进行57=78 125次, 正交试验需进行50次, 采用均匀试验设计方法, 并使用拟水平法即将每个水平重复一次, 选用10水平的均匀设计表, 则仅需进行10次模拟试验即可获得较高试验精度。因此, 选用U10 (1010) 的设计表 (表3) 安排试验方案 (试验号1~10) , 再根据U10 (1010) 使用表 (表4) 设计本试验表头, 如表5所示。

均匀试验表头设计完成后, 再结合U10 (1010) 使用表, 将每个因素的5个水平 (压下量, 单位mm) 按照拟水平的原则填入U10 (1010) 均匀设计表中, 即得到本次均匀试验方案, 如表6所示, 按照该试验方案进行试验, 试验结果见表7。表7中, X11表示1号因素的第1水平, 即表示2#矫直辊的压下量为17.2mm, 其他类推。

由于均匀设计的试验点分布均匀, 因此可采用直观分析法直接对试验结果进行比较, 并从中选出试验指标最好的矫直规程。各辊压下量的调节作用则属于多元线性回归问题, 需采用回归分析法, 并借助相关计算分析软件进行分析计算。本文选用软件SPSS (statistical product and solution) 13.0对试验结果进行数据处理和回归分析。

3 试验结果分析和最优矫直规程的确定

3.1 最优轨底纵向残余应力规程

以矫后重轨轨底中线上节点的纵向应力为研究对象, 对矫后重轨轨底纵向残余应力进行分析以找到最优规程和调节方法。由表7可知, 3号试验应力最小, 为残余应力最佳规程。对试验结果进行回归分析, 得到回归方程:

最大拉应力回归分析结果的相关系数为0.418 518, 判定系数为0.175 157, 校正判定系数为-1.3559, 标准差为54.715 73, 观测值为10。相关方差分析结果如表8所示, 由于显著值大于0.05, 说明回归方程可信。将回归方程各项的回归系数标准化后, 由于X2、X3和X5的系数为负数, 且以应力最小为佳, 因此2#、8#辊压下量取值应偏下限, 同理, 4#、6#、11#压下量取值应偏上限。将以上各值代入式 (1) , 得到Y=102.184MPa, 该应力不仅大于3号试验的应力89.033MPa和10号试验的应力89.747MPa, 且大于作为对照的现场压下量的模拟结果94.587MPa。

由于最大拉应力回归统计的相关系数仅为0.418 518, 说明回归方程的显著性不高, 即各辊压下量的调节对轨底最大应力仅存在一定程度的影响, 但并不会使应力出现大幅度的波动, 而仅会在一定范围内变化。

由回归方程各项系数可判断各因素影响大小的主次顺序为8#、4#、2#、6#、11#。该顺序说明若要得到较小的轨底应力, 压下量的调节优先顺序如下:减小8#辊压下量、增大4#辊压下量、减小2#辊压下量、增大6#辊压下量、增大11#辊压下量。

3.2 最优平直度规程

根据表5所示的平直度结果, 通过直观分析法可知, 虽然3号和7号试验的垂直方向的平直度结果 (0.231mm、0.252mm) 最好, 8号试验的水平方向平直度结果 (0.379mm) 最好, 但仅7号试验平直度结果在垂直方向和水平方向同时满足国标要求, 为最佳试验结果。对比对照组的平直度结果 (垂直方向0.317mm和水平方向0.342mm) , 7号试验组水平方向平直度并不理想。

(1) 用回归分析方法, 得到垂直方向平直度的回归方程:

由式 (2) 、垂直方向平直度回归统计结果 (相关系数0.880 053、判定系数0.774 494、校正判定系数-0.007 39、标准差0.076 082、观测值10) 和表9的相关性分析可知, 垂直方向平直度与13#、15#辊的压下量没有线性关系, 与其他几个辊的压下量的相关系数接近1, 表明回归方程显著相关。再由各项回归系数可知, 各因素的主次顺序为X4、X3、X2、X5、X1, 因此为了得到更好的垂直方向平直度, 调节各辊压下量的效果和方法依次为:增大8#辊压下量, 增大6#辊压下量, 减小4#辊压下量或增大11#压下量, 增大2#辊压下量。

(2) 用回归分析方法得到的水平方向平直度的回归方程:

同理, 由式 (3) 、水平方向平直度回归统计的结果 (相关系数0.976 728、判定系数0.953 998、校正判定系数0.396 495、标准差0.269 011、观测值10) 和表10可知, 各因素的主次顺序为X7、X5、X6、X1、X3、X2, 且水平方向平直度与以上各辊压下量的调节有直接关系, 与8#没有线性关系。因此为了得到更好的水平方向平直度, 调节各辊压下量的效果和方法依次为:增大15#辊、2#辊的压下量, 减小11#辊、减小13#辊、6#辊、4#辊的压下量。

3.3 重轨最优复合矫后规程

综上所述, 7号试验和对照组试验结果在各个指标上均满足国标要求, 其中, 7号试验的轨底最大应力为150.080 MPa, 垂直方向平直度为0.252mm/1m, 水平方向平直度为0.586mm/1.5m;而现场生产中采用的矫直规程19.2mm-11.2mm-7.9mm-3.5mm-12.0mm-6.0mm-2.5mm, 采用现场规程的对照组试验的轨底最大应力为94.587MPa, 垂直方向平直度为0.317mm/1m, 水平方向平直度为0.342mm/1.5m。可见采用现场矫直规程所得到的轨底最大应力更小, 平直度指标也更优。因此, 通过对U75V重轨最优矫直规程的理论研究, 证明通过大量生产实践逐渐摸索出并在现场生产中所采用的矫直规程为最优规程。

3结论

(1) 矫直过程中各矫直辊压下量的单独调节不会对矫后重轨轨底纵向应力产生较大影响。减小重轨轨底纵向应力的压下量调节方法和效果依次为:减小8#辊压下量, 增大4#辊压下量, 减小2#辊压下量, 增大6#辊压下量, 增大11#辊压下量。

(2) 矫直过程中各个矫直辊压下量的单独调节对矫后重轨的平直度指标影响很大。提高垂直方向平直度的压下量调节方法和效果依次为:增大8#辊压下量, 增大6#辊压下量, 减小4#辊压下量或者增大11#辊压下量, 增大2#辊压下量;提高水平方向平直度的压下量调节方法及效果依次为:增大15#辊压下量, 减小11#辊压下量, 减小13#辊压下量, 增大2#压下量, 减小6#辊压下量, 减小4#辊压下量。

(3) 通过对重轨最优复合矫直规程的均匀试验优化研究, 证明现场生产中采用的矫直规程即为最优规程, 即19.2mm-11.2mm-7.9mm-3.5mm-12.0mm-6.0mm-2.5mm, 其结果是:轨底最大应力为94.587 MPa, 垂直方向的平直度为0.317mm/1m, 水平方向平直度为0.342mm/1.5m。

摘要：采用均匀试验对复合矫直规程进行了试验设计, 通过ANSYS/LS-DYNA显式动力学软件对重轨复合矫直过程进行了仿真。以重轨矫后轨底残余应力和平直度为指标进行统计学分析, 得到了重轨复合矫直的最优矫直规程, 以及各矫直辊的调节作用和调节效果。

关键词：重轨,复合矫直,均匀试验,最优规程

参考文献

[1]Chen Lin, Wang Jianguo, Li Ge.The Simulated Calculation and Optimizing Experimental Research of the Residual Stress of the Heavy Rail[J].Materials Science Forum, 2012, 704/705:296-301.

[2]Chen Lin, Tian Zhongliang, Gao Michao, et al.Researches on Rules of the Longitudinal Residual Stress Distribution in Straightening Deformation Zone of Heavy Rail with Multi-rollers[J].Materials Science Forum, 2008, 575/578:231-236.

[3]Talamini B, Gordon J, Perlman A B, et al.Finite Element Estimation of the Residual Stresses in Rollerstraightened Rail[C]//ASME Proceedings Rail Transportation.Anaheim, CA, USA, 2004:123-131.

[4]周剑华, 吉玉, 吴迪.辊式水平矫直60kg/m重轨断面应力应变分析[J].塑性工程学报, 2011, 18 (6) :39-42.Zhou Jianhua, Ji Yu, Wu Di.Analysis of the Stress and Strain on the Section of 60kg/m Heavy Rail in the Process of Level Roller, Straightening[J].Journal of Plasticity Engineering, 2011, 18 (6) :39-42.

[5]王培龙.重轨辊式复合矫直数值模拟研究[D].鞍山:辽宁科技大学, 2009.

新型矫直机矫直辊系模态分析篇3

生产刀具所用短圆柱合金钢一般由长直棒料或盘料供货的钢筋首先经过矫直,然后通过剪切机剪切钢筋获得所需长度的短圆柱合金钢。剪切过程会对矫直后的棒料直线度产生一定的影响。此外,随着建筑、铁路等行业的发展,工业生产对钢筋直线度提出了较高的要求。因此,需要精密矫直机对剪切后的短圆柱合金钢进行精密矫直。

新型矫直机能够实现对短圆柱合金钢的精密矫直,较多科研工作者对其进行了研究。近年来矫直技术发展迅速,矫直设备矫直质量提高,控制检测系统性能得到改善[1,2,3]。文献[4]设计了一种新型管材矫直机,对矫直机矫直后管材的椭圆度、直线度、残余应力进行了分析,并验证了新型矫直机设计的合理性;文献[5]对精密矫直机的辊系受力情况进行了分析,并用MATLAB编程、ADAMS仿真验证了矫直辊系设计的合理性,为矫直机的进一步优化提供理论依据;文献[6]研究了十五辊矫直机的矫直模型,验证了板材在十五辊组合矫直机中矫直可以达到较高的矫直精度。

本文研究一种新型全自动精密矫直机,矫直机可以实现自动上料、夹紧、检测钢筋挠度、下料等工作。在对压辊施加一定压下量、上主动辊施加一定预紧力条件下,建立矫直辊系动力学微分方程,计算了辊系固有频率,用ANSYS Workbench对矫直辊系各阶模态和辊系阵型进行了分析,并研究了各参数对矫直辊系模态频率的影响规律。研究结果为矫直机工作时主动辊的转速设置及矫直机辊系的优化设计提供理论依据,避免矫直时辊系振动对矫直精度的影响。

1 辊系结构组成及工作原理

新型矫直机矫直辊系由十五辊组成,分别为压辊和左、右辊系,矫直机辊系结构图如图1所示。辊系由主动辊、矫直辊、辅助辊组成,电机带动主动辊旋转,主动辊通过摩擦带动上、下矫直辊旋转,左右矫直辊通过摩擦带动钢筋旋转,矫直过程是在钢筋旋转过程中进行。矫直辊系左右对称安装,辅助辊、矫直辊中心平行,上主动辊、上矫直辊采用浮动安装,实现矫直辊系对不同直径钢筋的夹紧作用,压辊可以左右移动,实现对棒料不同弯曲点的矫直,同时压辊的上下移动改变对矫直钢筋的压下量,经过几次接触后,减小钢筋的残余曲率,达到矫直的目的。

1.下主动辊;2.下矫直辊;3.棒料;4.上矫直辊;5.上主动辊;6.辅助支承辊;7.压辊

2 动力学模型建立

2.1 动力学模型

新型精密矫直机的矫直辊系在动力学分析中作以下假设:

1)各辊只受辊系间压力的影响;

2)压辊下压δ后固定,压辊与短圆柱合金钢之间的接触力为正弦力;

3)矫直辊系各辊及短圆柱合金钢简化为刚体,各啮合处简化为线性弹簧;

4)辅助支撑辊与下主动辊固定。

在短圆柱合金钢端面所在平面建立直角坐标系x Oy,考虑矫直辊、棒料、上主动辊的平移自由度,建立动力学模型如图2所示。矫直辊系的上主动辊、上矫直辊、棒料具有平移自由度,左、右两侧上主动辊自由度分别为yz5、yr5,左、右两侧上矫直辊自由度分别为yz4、yr4,棒料自由度为yz3,四个下矫直辊自由度分别为yzz2、xzz2、yzr2、xzr2、yrz2、xrz2、yrr2、xrr2。

2.2 各构件动力学微分方程

将短圆柱合金钢安装在矫直辊上,压辊与钢棒恰好接触。对上主动辊施加预紧力F,并将压辊向下微移动δ后固定,根据各辊之间相对位移关系,利用牛顿第二定律建立精密矫直机辊系各构件动力学微分方程,微分方程为:

式中:

θ3为下矫直辊与棒料接触线法平面与y轴夹角;

θ2为下矫直辊与下主动辊接触线法平面与x轴夹角。

3 有限元模态分析

3.1 有限元模态频率与阵型

辊系尺寸参数参如表1所示。

通过Solid Works软件建立矫直辊系三维实体模型,将模型导入到ANSYS Workbench中,将矫直辊、压辊及辅助辊设置成结构钢材料,待矫钢棒设置成合金工具钢,对矫直辊系进行网格划分,该模型共有单元数2031,节点数共有12635,进行有限元模态分析[7,8,9,10],得到辊系各阶模态频率。

对矫直辊系进行模态分析,低阶模态阵型决定矫直辊系的动态振动特性,低阶频率更容易激励引起总成振动,Workbench分析中提取了矫直辊系前13阶模态频率,并对振型进行了分析,结果如表2所示。图3提取了模态阵型变化比较大的2、3、6、12阶模态阵型图。

固有频率与模态频率对比如表2所示,第5阶频率误差最小,误差值为1.19%,第12阶频率误差最大,误差值为4.58%,各阶频率误差均在5%以下,模态仿真验证了理论推导的合理性。

由图3模态阵型图可知,第2阶模态频率导致钢筋弯曲,影响精密矫直机对钢筋最大挠度点的判断,对矫直精度有一定影响;第3阶模态频率导致钢筋中部下凹,左、右主动辊扭转,对矫直质量产生影响;第6阶模态频率主动辊同侧扭转,影响辊系之间的摩擦传动;第12阶模态频率对钢筋、主动辊、压辊变形影响较大,钢筋弯曲、主动辊和压辊扭转,导致矫直精度降低。

3.2 参数对模态频率的影响分析

改变矫直辊系结构参数值,分析各参数对2、3、6、12阶模态频率的影响。选取短圆柱合金钢直径Φ1、压辊厚度hy、压辊直径Φ2、矫直辊厚度h作为变化参数,分析参数变化对模态频率变化的影响。

钢筋直径Φ1的变化对模态频率影响如图4所示。Φ1小于9.5及大于11时,ω2曲线斜率发生较大变化;Φ1小于10及大于11时,ω3曲线斜率发生较大变化;随着钢筋直径Φ1的增加,ω6曲线斜率先减小后增大,ω12曲线斜率逐渐减小。

压辊厚度hy的变化对模态频率影响如图5所示。模态频率ω2、ω3、ω12值随着压辊厚度增加而减小,ω2曲线斜率发生微小变化,ω3曲线斜率逐渐增大,ω12曲线斜率逐渐减小;ω6随着压辊厚度的增加不发生变化。

压辊直径Φ2的变化对模态频率影响如图6所示,模态频率ω2、ω3、ω6、ω12值随着压辊直径增加而减小,ω2与ω3曲线斜率先减小后增加;Φ2小于90mm和大于110mm时,ω6曲线斜率发生较大变化;Φ2小于90mm时ω12曲线斜率逐渐减小,Φ2等于90mm时ω12曲线斜率为零,Φ2大于90mm时ω12曲线斜率逐渐增大。

矫直辊厚度h的变化对模态频率影响如图7所示。模态频率ω2、ω3、ω6、ω12值随着矫直辊厚度增加而增大,ω2、ω3、ω12曲线斜率先减小后增大。h小于9.5mm和大于11mm时,ω6曲线斜率逐渐增大;h大于9.5mm和小于11mm时,ω6曲线斜率逐渐减小。

4 结论

在对上主动辊施加预紧力F、压辊向下微移动δ条件下,建立动力学模型,推导动力学微分方程,对理论计算进行仿真验证,并进行参数分析。结果表明:

1)计算频率与仿真频率相对误差较小,模态仿真验证了计算结果的准确性,理论计算较全面的揭示新型矫直机的模态特性。

2)增加钢筋直径,模态频率ω2、ω3、ω6、ω12值增加;增加压辊厚度,模态频率ω2、ω3、ω12值减小,ω6保持不变;增加压辊直径,模态频率ω2、ω3、ω6、ω1 2值减小;增加矫直辊厚度,模态频率ω2、ω3、ω6、ω12值增大。模态频率随参数的变化规律为矫直机工作时主动辊的转速设置提供参考。

3)增加钢筋直径、减小压辊厚度及直径、增加矫直辊厚度,可以避免辊系振动对矫直机的影响。研究结果为全自动矫直机矫直辊系结构设计提供理论参考。

参考文献

[1]卢秀春,金贺荣.数控带肋钢筋矫直切断技术[J].建筑机械化,2000(4):24-25.

[2]李双顶.矫直机定位系统的开发与设计[D].重庆:重庆大学,2011.

[3]卢秀春,金贺荣,宜亚丽.热轧带肋钢筋矫直切断机的研究设计[J].钢铁,2001,37(3):59-62.

[4]许石民,王春迪,王京,等.超细管材矫直机设计及矫直动态仿真分析[J].锻压技术,2016,41(2):91-97.

[5]刘金,卢秀春,张玮.短钢棒矫直机矫直辊系受力分析与仿真[J].塑性工程学报,2015,22(6):78-83.

[6]王效岗,黄庆学,马勤.十五辊组合矫直机矫直模型研究[J].四川大学学报:工程科学版,2008(6).

[7]丁欣硕,凌桂龙.Ansys Workbench14.5有限元分析案例详解[M].北京:清华大学出版社,2014:172-196.

[8]于天彪,王学智,关鹏,等.超高速磨削机床主轴系统模态分析[J].机械工程学报,2012,48(17):183-188.

[9]蔡力钢,马仕明,赵永胜,等.多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析[J].机械工程学报,2012,48(3):165-173.

复合矫直篇4

辊式矫直机主要是利用轧件的残余曲率差值的收敛特性进行矫直,也就是轧件经过多次交变的弹塑性弯曲后,其残余曲率逐渐趋向于一致,形成单值残余曲率,进而矫平。五辊矫直机是辊数最少的矫直机,主要应用在冷轧带钢的连续热镀锌机组,连续退火机组的入口段。主要作用是对带钢头部进行矫直,方便机组穿带。在有色金属的退火机组中,五辊矫直机也有应用,主要是对板带进行全线的粗矫。

矫直力矩是矫直机的重要力能参数,直接关系到矫直功率大小的选择,将其计算模型进行对比研究,对提高板带矫直质量具有重要意义。

2 力能参数计算

2.1 矫直力计算

五辊矫直机矫直辊上的作用力大小可以通过带钢弯曲变形时所需力矩来计算。矫直辊对带钢的压力等于带钢对辊面的反作用力。

根据图1所示,各辊子上的力可根据冷轧带钢断面的力矩平衡条件求出,即

上下排辊子总压力为:

式中:t-辊距;Mi-第i辊子的弯曲力矩。

带钢在第2辊时,压下量较大,带钢处于塑性弯曲,M2为塑性弯曲力矩,M2=Ms;

带钢在第4辊时,压下量较小,带钢处于弹性弯曲,M4为弹性弯曲力矩,M4=Mw;

带钢在第3辊时,带钢处于弹-塑性弯曲,M3为近似等于Ms和Mw平均值,M3=(Mw+Ms)/2

Mw-轧件的屈服力矩;Ms-轧件的塑性弯曲力矩。

将以上代入各辊子受力公式可得出:

σs-带钢的屈服极限;e-断面形状系数;b-带钢的宽度;h-带钢的厚度;

2.2 矫直力矩计算方法

2.2.1 计算方法一

基于以下假设条件:(1)带钢在各矫直辊的弯曲变形均为塑性弯曲;(2)弹性弯曲变形对能量消耗不影响;(3)对原始曲率为的轧件,其原始平均曲率为,式中(r0)min的数值,对于钢板,(r0)min=(10~30)/h。

得到矫直辊上的矫直力矩计算公式:

式中:平均原始曲率,最大残余应力曲率,矩形截计算公式:

2.2.2 计算方法二

基于以下假设条件:

(1)除第2辊外,各辊下的相对塑性变形曲率Cpi均是前一辊残余曲率与本辊残余曲率之和,即Cpi=Cri-1+Cri;

(2)轧件的原始曲率Cr0与第二辊的反弯曲率Cρ2相等且Cp2是二者之和,即Cp2=Cr0+Cρ2,对于瓢曲或带有单、双边波浪形的钢板,推荐Cp2=10;仅有波浪形弯曲的钢板Cp2=4.5~6。

(3)第3辊的反弯曲率等于第2辊,Cρ3=Cρ2,弹复曲率Cy3=e=1.5,所以Cp3=Cρ2+Cr3=Cρ2+Cρ3-1.5=Cp2-1.5

(4)从第3辊开始,各辊下的Cpi值线性递减,Cpn-1=1,;得到矫直辊上的矫直力矩计算公式:

式中:D-矫直辊直径;a-塑性变形折算系数,

2.2.3 计算方法三

带钢发生弹塑性弯曲变形,为确定弹性区和塑性区的边界,引入塑性变形渗透率k塑,表示塑性区占整个截面的比值,0≥k塑≤1;对于矫直机第2辊的k塑最大,k2=0.8~0.62.

矫直机总的塑性系数

得到矫直辊上的矫直力矩计算公式:

2.3 矫直机传动功率计算

矫直机传动功率包括三部分,一部分是使带钢塑性变形所需的矫直功率N塑,第二部分是上下工作辊轴承处摩擦消耗功率N摩1,第三部分是轧件与辊面滚动摩擦消耗功率N摩2。

式中:V-矫直速度,m/s;η-电机传动效率,η=0.7~0.85;Mk-使冷轧带钢产生塑性变形的矫直力矩,k N·m;ΣP-各辊压力之和,k N;f-辊子与冷轧带钢的滚动摩擦系数,钢板取f=0.0002m;μ-辊子轴承的摩擦系数,滚动轴承μ=0.005;滚针轴承μ=0.01;滑动轴承μ=0.05~0.07;d-辊子轴承中径,m。

综上,冷轧带钢塑性变形矫直力矩Mk和各辊子上的总压力ΣP与矫直机主传动电机功率计算有直接关系。ΣP的大小对于指定辊数的矫直机是个定值,Mk由不同的计算方法得到不同的计算值,直接影响传动电机功率的选择。

3 矫直力矩计算模型比较

已知某钢厂连续热镀锌机组,机组的工艺参数具体为:冷轧带钢的屈服极限σs=800MPa;带钢宽度b=700mm~1250mm;带钢厚度h=0.2mm~1.6mm;带钢矫直速度V=1m/s;辊子轴承中径d=100mm。

(1)计算方法一:小变形矫直方案的残余应力曲率最大值

(2)计算方法二:对于瓢曲或带有单、双边波浪形的钢板,Cp2=10;塑性折算系数

仅有波浪形弯曲的钢板Cp2=4.5~6,塑性折算系数a=0.45n(Cp2-0.35)-0.225Cp2+2.25=3.825~6.86

(3)计算方法三:总的塑性系数,得到矫直辊上的矫直力矩计算公式:

将上面三种方法得到的矫直力矩结果代入矫直机传动功率计算公式,分别得到:N1=4.07k W;N2=19.15k W

当Cp2=10时,N3=66.2k W,当Cp2=4.5~6时,N3=17.7~31k W。

对于被矫直的带钢原料一般不会存在瓢曲或带有单、双边波浪形这种严重的板型缺陷,故Cp2=10计算的传动功率偏大。

第一种方法计算的结果要比另外两种计算结果小得多,这是因为小变形矫正方案只能在矫直机上部分实施,对于五辊矫直机以大变形方案为主,并且1/r0的选值对矫直力矩的计算结果影响很大,我们1/r0取值为最大原始曲率的一半,以平均原始曲率计算,导致结果偏小。

第二种计算方法与第三种计算方法,原理相同,只是塑性变形的系数a和塑性渗透率k塑取值方法不同,从传动功率的计算结果看,第二种计算结果在第三种计算结果范围之内(Cp2=4.5~6)。