王高平，李玉貴，包 野

(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

夾送輥是鋼板剪切機(jī)生產(chǎn)線的重要組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)鋼板的循環(huán)進(jìn)給和精確導(dǎo)向。目前國(guó)內(nèi)鋼廠使用的夾送輥裝置常出現(xiàn)跑偏和精度不高現(xiàn)象，嚴(yán)重困擾正常生產(chǎn)。本課題組前期對(duì)夾送輥剛度等因素進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。本文將從夾送輥幾何偏差角度對(duì)夾送輥的跑偏機(jī)理進(jìn)行分析，并通過(guò)現(xiàn)代數(shù)值方法進(jìn)行分析和仿真，找出造成跑偏的原因，并提出改進(jìn)的方法。本文的研究對(duì)夾送輥正常運(yùn)行具有理論指導(dǎo)意義。

1 夾送輥裝置的組成和工作原理

夾送輥裝置種類(lèi)繁多，用途廣泛，本文主要介紹雙邊剪夾送輥裝置，該類(lèi)型的夾送輥裝置一般安裝在剪切機(jī)的入口和出口處，共由兩套四對(duì)八個(gè)輥?zhàn)咏M成，固定側(cè)、移動(dòng)側(cè)下輥間配置同步軸用于保證機(jī)械同步，具體布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 雙邊剪夾送輥布置簡(jiǎn)圖Fig.1 The layout schematic diagram of pinch roll in the DSS line

在夾送過(guò)程中，當(dāng)入口夾送輥前的檢測(cè)裝置檢測(cè)到鋼板信號(hào)，該信號(hào)立即啟動(dòng)入口夾送輥液壓缸壓下上輥至設(shè)定位置，同步也驅(qū)動(dòng)夾送輥電機(jī);之后鋼板被咬入并依靠輥套和板材間摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾送;然后，當(dāng)PLC控制器采集到1/2送板步長(zhǎng)信號(hào)后，其立即向主逆變器發(fā)出零速度信號(hào)，夾送輥電機(jī)輸出反向力矩，夾送輥反轉(zhuǎn)，使鋼板逐漸減速至零，完成一次送板。鋼板在夾送過(guò)程中總是處于加速起動(dòng)、減速制動(dòng)和停止的步進(jìn)循環(huán)工作狀態(tài)。

2 夾送輥送板時(shí)輥徑差與跑偏分析研究

夾送輥送板過(guò)程如圖2所示，夾送輥的整個(gè)送板過(guò)程可分為入口夾送輥單獨(dú)送板、入出口夾送輥共同送板及出口夾送輥單獨(dú)送板的三過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程的跑偏量是遞進(jìn)疊加的關(guān)系。為此，研究輥徑差與跑偏的關(guān)系，必須把這三個(gè)過(guò)程綜合起來(lái)一并考慮。

因夾送輥的上下、左右、前后均相互對(duì)稱，各個(gè)輥不同的輥徑差導(dǎo)致鋼板的跑偏的情況也千差萬(wàn)別，為了最有效的分析出在何種情況下的輥徑差導(dǎo)致的跑偏量最可能導(dǎo)致后續(xù)剪切出現(xiàn)次品，本文將分析輥徑差導(dǎo)致跑偏的極端情況。

(1)前夾送輥單獨(dú)送板(時(shí)間段0～t1=l1/v0)，因R1≥R2，鋼板將繞輥2作圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為兩輥間距l(xiāng)2，ΔR前=ΔR1－ΔR2，ve=2πnΔR前，則

(2)前后夾送輥共同送板(時(shí)間段t1=l1/v0～t2=l0/v0)。因 R3≥R1≥R4≥R2，則鋼板將繞輥4作圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為兩輥2、3間距 l，ΔR前－ΔR后，ve=2πnΔR，則

圖2 夾送輥的送板過(guò)程圖Fig.2 The plate-sending process of pinch roll

(3)后夾送輥單獨(dú)送板(時(shí)間段t2=l0/v0～t3=(l1+l0)/v0)。因R3≥R4，鋼板將繞輥4作圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為兩輥間距l(xiāng)2，ΔR后=ΔR3－ΔR4，ve=2πnΔR后，則

綜上可知，總共的跑偏量ε應(yīng)為

式中，ti為每個(gè)階段的時(shí)間點(diǎn)(i取1，2，3);v0為鋼板的運(yùn)行速度;l1為前、后夾送輥距;l2為固定、移側(cè)夾送輥距;Ri為夾送輥i的輥徑(i取1，2，3，4);ΔRi為輥i相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)輥徑Ri的輥徑差(i取1，2，3);ve為因輥徑差而導(dǎo)致的輥間速度差;εi表示不同極端情況下的跑偏量(i取1，2，3)。

若取長(zhǎng)l0=10 m的Q235鋼板以2 m/s的初速度經(jīng)夾送輥送入雙邊剪切邊15 mm，要保證整個(gè)過(guò)程中鋼板的跑偏均在所允許范圍之內(nèi)，即要求鋼板頭部任一節(jié)點(diǎn)的橫向跑偏量ε≤15 mm。按此具體數(shù)據(jù)，即前夾送輥單獨(dú)送板時(shí)間段0～2.4 s，前后夾送輥共同送板時(shí)間段2.4～5 s，后夾送輥單獨(dú)送板時(shí)間段5～7.4 s，且剪切過(guò)程的時(shí)間段為1.2～6.2 s，則總共跑偏量為ε=ε1+ε2+ε3=6.833 mm。

3 夾送輥輥徑差與跑偏關(guān)系的數(shù)值模擬

為驗(yàn)證本文分析的輥徑差與跑偏關(guān)系計(jì)算思路及模型的可靠情況，利用有限元分析軟件ANSYS的LS-DYNA模塊對(duì)夾送過(guò)程進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果中提取數(shù)據(jù)，然后輸入到MATLAB軟件中進(jìn)行圖形可視化，得出夾送輥輥徑差與跑偏情況的相關(guān)結(jié)果如圖3、4所示。從圖3可知，前后輥共同送板時(shí)的跑偏量大于它們分別單獨(dú)送板時(shí)的跑偏量，且單獨(dú)送板時(shí)的跑偏量易受外界干擾而波動(dòng)，而共同送板時(shí)的情況則趨于穩(wěn)定。從圖4可得，在剪切機(jī)完成剪切時(shí)，鋼板總的跑偏量約為7.373 mm，該值與理論計(jì)算值6.833 mm相近，且兩者均小于15 mm的切邊量，因而可知，按本文要求剪切的鋼板不會(huì)出現(xiàn)剪切出次品的情況。當(dāng)然，若在實(shí)際生產(chǎn)中，初始夾送鋼板的板長(zhǎng)增大，當(dāng)隨著夾送時(shí)間的延長(zhǎng)，若在沒(méi)有糾偏措施的情況下，則跑偏量一定會(huì)在某一時(shí)刻超出跑偏允許的范圍。

圖3 送板不同過(guò)程中輥徑差與跑偏模擬結(jié)果Fig.1 The simulation results of roll diameter deviation and the deviation during different sending processes

4 結(jié)論

圖4 鋼板頭部一節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間的跑偏量Fig.4 The amount of deviation over time of a node on the plate head

夾送輥因素是鋼板跑偏的主要因素之一，消除鋼板夾送過(guò)程中的跑偏是鋼鐵行業(yè)共同的心愿，本文從夾送輥幾何偏差中的輥徑差角度對(duì)夾送輥的跑偏機(jī)理進(jìn)行分析研究，用現(xiàn)代數(shù)值理論方法推導(dǎo)入/出口夾送輥單獨(dú)送板及入、出口夾送輥共同送板時(shí)輥徑差對(duì)跑偏的影響，并用有限元軟件ANSYS的LS-DYNA模塊對(duì)夾送過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、用MATLAB軟件進(jìn)行圖形可視化分析。最終得出的理論和模擬結(jié)果近似相符。本文的分析方法可為生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的技術(shù)支持。同時(shí)，運(yùn)用本文的思路和方法還可間接地用來(lái)找出最易造成跑偏的特定輥，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性地磨削和堆焊，使其更高效的為整個(gè)生產(chǎn)線工作。本文的研究不僅對(duì)夾送輥的正常運(yùn)行有理論指導(dǎo)意義而且對(duì)提高夾送輥的使用率也有一定效果。

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