劉少朋，李玉貴

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

滾切式鋼板剪切機(jī)作為最終鋼材的產(chǎn)品設(shè)備，在各工廠中的作用不言而喻，無論是作為成品直接提供給客戶，還是作為下道工序再處理的坯料，鋼板剪切機(jī)都發(fā)揮著重要的作用，而作為其核心裝置的夾送系統(tǒng)當(dāng)然不能忽視。一方面我國(guó)對(duì)夾送系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，致使大部分鋼廠很少使用夾送輥，另一方面由于引進(jìn)的夾送輥未能完全消化、國(guó)外一直對(duì)夾送系統(tǒng)的技術(shù)壟斷等原因，安裝使用的夾送輥經(jīng)常出現(xiàn)鋼板跑偏、送板偏差大等問題。我國(guó)關(guān)于夾送輥的研究起步較晚，整體水平與國(guó)際仍有一定差距。為此，本文就夾送輥的運(yùn)行狀況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為夾送輥的設(shè)計(jì)、改造和生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 夾送輥的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理

1.1 夾送輥的結(jié)構(gòu)

滾切式鋼板剪切機(jī)的夾送輥位于剪切機(jī)的前后兩側(cè)，總共四組，每組呈上下布置，每側(cè)的兩組為一套，一組固定，另一組則隨夾送板材的寬度不同而移動(dòng)，如圖1所示。每組夾送輥的上下軸承座間安有一臺(tái)液壓缸，當(dāng)需要進(jìn)行夾送時(shí)，通過液壓缸設(shè)置初始輥縫來壓緊板材。且每個(gè)夾送輥都配有單獨(dú)的電機(jī)，經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)夾送輥的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鋼板的前進(jìn)。每組夾送輥主要有夾送輥輥身、軸承座、移動(dòng)側(cè)和固定側(cè)機(jī)架、中心軸及同步軸組成。中心軸通過兩端的軸承和軸承座裝配在一起(圖2)，且液壓缸通過軸承座控制夾送輥的壓下量，通過軸承傳遞到中心軸以及輥身，不影響中心軸的撓度變化，避免了夾送輥的初始彎曲誤差。

每一組夾送輥的下夾送輥通過剛性同步軸聯(lián)接，以保證下側(cè)夾送輥的旋轉(zhuǎn)速度的一致。在每個(gè)下夾送輥的軸承座下部設(shè)有限位螺栓，以保證安裝時(shí)對(duì)位置偏差的矯正。每根夾送輥的內(nèi)側(cè)均設(shè)有帶心軸的軸承座(包含外套筒通稱為軸承座)，軸承座兩端穿在中心軸上，在工作側(cè)的軸承座內(nèi)裝有內(nèi)、外偏心套，在輥身端內(nèi)裝有雙列圓柱調(diào)心滾子軸承，當(dāng)上下夾送輥的軸心不平行時(shí)，可以通過調(diào)整內(nèi)外偏心套的位置來矯正。

圖2中O點(diǎn)為軸承座與支架的鉸接點(diǎn);A、B點(diǎn)為軸承座與中心柱的接觸點(diǎn);C點(diǎn)為中心軸上外端點(diǎn)。

1.2 夾送輥的動(dòng)作原理

滾切式鋼板剪切機(jī)夾送輥起著夾緊待剪鋼板并以步進(jìn)的方式輸送鋼板的作用。夾送輥在工作時(shí)，將來料鋼板夾緊送往下道工序的鋼板剪切機(jī)。當(dāng)鋼板達(dá)到預(yù)定的長(zhǎng)度等要求時(shí)，夾送輥停止夾送，等待剪切機(jī)工作;當(dāng)剪切機(jī)完成預(yù)定的動(dòng)作后，夾送輥隨即繼續(xù)運(yùn)行，準(zhǔn)備下一次的剪切。夾送輥很與其他設(shè)備的協(xié)、自身的結(jié)構(gòu)、液壓缸的位置、制造及安裝精度決定了鋼板質(zhì)量。當(dāng)夾送輥安裝精度不夠時(shí)，很容易使鋼板出現(xiàn)側(cè)移、送板長(zhǎng)度不夠、鋼板規(guī)律性跑偏等，導(dǎo)致最終剪切的鋼板出現(xiàn)各種問題。

2 夾送輥上輥的微變形分析

根據(jù)夾送輥的結(jié)構(gòu)，下夾送輥基本上可看做剛體，故需著重分析上輥的工況。夾送輥對(duì)鋼板的正壓力F與液壓缸及其位置有關(guān)。液壓缸的安裝位置如圖2，可簡(jiǎn)化為一端鉸接的梁，故軸承座所受液壓缸的力F為液壓缸施加力的二倍。由圖3可將上輥進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。則F=2P，P為液壓缸的壓力。

圖3 液壓缸的安裝位置及其簡(jiǎn)化Fig.3 Mounting position and its simplification of hydraulic cylinder

當(dāng)夾送輥運(yùn)行時(shí)，來自鋼板的力的傳導(dǎo)為鋼板→輥身→錐套→中心軸→軸承→軸承座→支架。

而實(shí)際上是由液壓缸施加主動(dòng)力即壓力P，故不妨采用逆向力傳導(dǎo)的方式進(jìn)行分析。首先分析軸承座的彎曲變形情況，其結(jié)構(gòu)見圖2。并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以軸承為支撐點(diǎn)，將中心軸、錐套以及輥身看做一個(gè)整體，如圖4所示。將圖4拆分成4a、4b分別進(jìn)行求解。

對(duì)于圖4a，由正壓力引起撓度為

圖4 中心軸受力計(jì)算圖Fig.4 Force calculation of central axis

B點(diǎn)的撓度和轉(zhuǎn)角為

對(duì)于圖4b來說，由轉(zhuǎn)距引起B(yǎng)點(diǎn)的撓度方程為

由于這一轉(zhuǎn)角最終會(huì)導(dǎo)致C點(diǎn)向上的撓度發(fā)生變化，其大小為

式中，r1、r1為分別為軸承座的外徑和內(nèi)徑;c為軸承中心至輥身中心的距離

然后再來考慮中心軸的撓度情況，將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，如圖5所示。仍然采用疊加法，將圖拆分成單獨(dú)的受力情況，分別進(jìn)行求解。

圖5 中心軸受力簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram for force situation of central axis

在夾送輥夾送鋼板的過程中，由于輥徑、鋼板厚度等各種原因，致使輥身的受力不一致。假設(shè)輥身受力為不均布的載荷，采用疊加法求解。實(shí)際輥身所受到的力為光滑弧線形分布，但由于輥身兩端的差距并不是很大，又由于輥身本身的寬度有限，故采用以線代弧法，簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)其之間的直線進(jìn)行擬合的方程為

按照疊加法，如圖5載荷作用下，自由端C點(diǎn)的撓度應(yīng)為dωC2的積分，即

將微分載荷式代入撓度積分式中，經(jīng)計(jì)算整理可得

其中，輥寬為c－d=l′;輥身兩邊的受力差qnq1= Δf。

對(duì)于第二種單獨(dú)所受的轉(zhuǎn)矩，由材料力學(xué)可知，其撓度方程為

C點(diǎn)的撓度為兩者之和。即，ωC2= ωC21+ ωC22。

最終的撓度還應(yīng)把BC部分看作是整體旋轉(zhuǎn)了一個(gè)θB的懸臂梁，于是C點(diǎn)的撓度最終應(yīng)為ωC1和 ωC2的疊加之和:

此撓度僅為中心軸自由端的撓度，再考慮輥身自身的重力產(chǎn)生的抵消一部分原先的撓度，在實(shí)際中應(yīng)考慮到這種影響。

輥?zhàn)幼陨碇亓輥產(chǎn)生的撓度為

式中，E為彈性模量，碳鋼的 E=196～216 GPa;I為慣性矩，其中圓形;qi為鋼板相對(duì)于輥身的單位力載荷;l'為輥身寬度(即均布載荷長(zhǎng)度);l為集中力載荷距軸承的位置。

必須保證 θC＜(0.25～0.5)(°/m)(精密機(jī)械許用精度)，使扭轉(zhuǎn)剛度足夠，滿足生產(chǎn)需要。

從以上分析可知，夾送輥運(yùn)行時(shí)發(fā)生的輥身撓度變化與輥身寬度a，中心軸伸出軸承座的長(zhǎng)度c，夾送輥所受壓力F以及輥身寬度l'等有關(guān)。

由于輥身安裝在中心軸的錐形軸套上，隨中心軸的撓度發(fā)生變化，其受力簡(jiǎn)圖見圖6。由于當(dāng)發(fā)生撓度變化時(shí)其受力也發(fā)生變化的影響，以及受夾送輥整體剛度影響。中心軸理論轉(zhuǎn)角為θ，實(shí)際轉(zhuǎn)角僅為α，設(shè)輥身與鋼板相接觸的長(zhǎng)度為輥身邊部(此為輥身撓度放大圖，實(shí)際撓度很小)。

圖6 輥身受力簡(jiǎn)圖Fig.6 Diagram for carrying force of roll body

由于轉(zhuǎn)角都很小，假設(shè)θC≈a，其受力方式變?yōu)閳D6所示。由于上夾送輥整體受向下的力N，沿徑向方向，故其產(chǎn)生的使鋼板跑偏的力為Nsinθ，假設(shè)下輥道對(duì)鋼板偏轉(zhuǎn)總的阻力為F1=fmg，兩個(gè)夾送輥所產(chǎn)生的阻力為F2=2fN，當(dāng)鋼板未發(fā)生跑偏應(yīng)滿足:

以上諸式是以平面假設(shè)為基礎(chǔ)導(dǎo)出的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有對(duì)橫截面不變的軸類，平面假設(shè)才是正確的。所以這些公式只能近似進(jìn)行計(jì)算，但完全可以滿足工程要求。

3 模擬結(jié)果分析

從工程實(shí)際來看，鋼板在夾送輥中不可避免地會(huì)受到夾送輥輥身彎曲的影響，特別是當(dāng)鋼板寬度方向有厚度差的時(shí)候，左右兩側(cè)的夾送輥撓度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致輥身邊部受力變大，瞬間增大鋼板跑偏的力及力矩，使鋼板跑偏成為可能;特別是輥身的彎曲越嚴(yán)重鋼板的跑偏力就越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鋼板邊部翹曲，直接造成鋼板報(bào)廢。

為了驗(yàn)證上式計(jì)算撓度的準(zhǔn)確性，利用分析軟件對(duì)上夾送輥進(jìn)行了建模和仿真模擬。每組夾送輥根據(jù)不同的板厚設(shè)計(jì)不同的壓力值:當(dāng)板厚小于10 mm時(shí)，液壓缸的壓力為5 MPa，當(dāng)板厚大于10 mm時(shí)，液壓缸的壓力為10 MPa。如果壓力過大就會(huì)產(chǎn)生邊浪的缺陷。夾送輥的參數(shù)有:a=1500 mm;b=336 mm;c=464 mm;l=1836 mm;l'=350 mm。測(cè)量時(shí)，夾送輥處于抬起狀態(tài)，且以中心軸的端部為測(cè)量點(diǎn)。模擬計(jì)算和測(cè)量時(shí)上夾送輥施加10 MPa壓力的輥身變形如圖7所示。圖8為計(jì)算公式和實(shí)測(cè)結(jié)果隨壓力增大的對(duì)照?qǐng)D。

理論上，上夾送輥撓度為0.001 m/m。而由本文計(jì)算可得0.001 1 m/m，實(shí)測(cè)結(jié)果為0.000 48 m/m。將理論計(jì)算的微變形與多次模擬值進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者誤差小于5%，而于理想狀態(tài)也比較吻合，符合應(yīng)用要求，證實(shí)所推導(dǎo)模型具有可信度。由圖8還可以推出，隨著液壓缸壓力的增大，發(fā)生微變形的程度成線性增大，較大壓下(薄板)時(shí)，尤其嚴(yán)重，故如何選擇合適的壓力，還需要進(jìn)一步的探討。

4 結(jié)論

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)引進(jìn)消化的夾送輥裝置，由于存在結(jié)構(gòu)不合理，調(diào)整方法不當(dāng)，調(diào)整精度達(dá)不到要求等原因，導(dǎo)致剪切出的鋼板經(jīng)常出現(xiàn)邊浪、錯(cuò)口、S形等缺陷，造成鋼板必須回切改尺，使不合格產(chǎn)品增多，嚴(yán)重時(shí)一天會(huì)出現(xiàn)100多t的不合格產(chǎn)品，不得不臨時(shí)停產(chǎn)檢修。嚴(yán)重制約著鋼板成材率和生產(chǎn)作業(yè)率，使得誤軋時(shí)間居高不下。本文推導(dǎo)出的計(jì)算模型完全符合工業(yè)生產(chǎn)要求，對(duì)夾送過程中出現(xiàn)的鋼板跑偏等各種問題進(jìn)行力學(xué)分析和影響因素的討論，可有效預(yù)防在設(shè)計(jì)或改造中出現(xiàn)的鋼板跑偏問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率，對(duì)生產(chǎn)順利進(jìn)行具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

［1］ 張建軍，黃新，王磊，等．雙邊剪－剖分剪夾送輥運(yùn)送鋼板狀態(tài)分析［J］．寬厚板，2007(8):34－36．

［2］ 鐘曉兵．三軸傳動(dòng)滾切式雙邊剪夾送輥的整改［J］．重型機(jī)械科技，2002(3)．