(1.中國第二重型機械集團公司，重型機械設(shè)計研究院，四川成都 610052; 2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原 030024)

(1.中國第二重型機械集團公司，重型機械設(shè)計研究院，四川成都 610052; 2.太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原 030024)

輥式矯直是改善板型、消除殘余應(yīng)力、獲得合格金屬板帶材的重要工藝環(huán)節(jié)。但是輥式矯直機矯直過程中有關(guān)輥間張力的研究較少，使得輥間張力對矯直力能參數(shù)的影響不被人了解。通過對輥式矯直過程中施加輥間張力進行的理論分析，配合有限元模擬和實驗，找出了輥間張力與矯直力之間的關(guān)系:隨著輥間張力的增大，總矯直力會增大，在矯直壓下量較小的情況下，輥間張力對矯直力的影響較大。研究結(jié)果對完善矯直理論和指導實際生產(chǎn)有一定積極的意義。

輥式矯直;輥間張力;矯直力

0 前言

輥式矯直的原理是利用板材在交錯排列的矯直輥輥系間經(jīng)過連續(xù)反復彎曲，其表面發(fā)生塑性變形，中心發(fā)生彈性變形，在這個過程中板材的初始缺陷逐漸減小，曲率逐漸收斂，最后達到矯直的目的［1-3］。

在冶金機械領(lǐng)域內(nèi)，張力是矯直工藝重要參數(shù)。然而，國內(nèi)有關(guān)輥式矯直機輥間張力的研究并不多，但國外學者卻做了一些研究，如日本的益居健等人將大輥徑的輥式矯直機和小輥徑的輥式矯進行了組合并在兩組矯直機組之間進行張力補給，降低了不良板形的發(fā)生率［4］。本文將通過經(jīng)典力學理論分析矯直過程中存在張力對矯直力的影響，并通過有限元模擬和實驗進行深入研究。

1 輥間張力的理論

1.1 輥間張力的定義

輥式矯直過程中，板材輥間存在負扭矩或附加扭矩的現(xiàn)象已被學者所了解，但未進行系統(tǒng)研究。崔甫認為負扭矩主要來自各輥壓彎量的不同，矯直過程中矯直輥集中傳動速度相同，而板材中性層因壓彎量不同而速度不同，這導致被矯板材中存在負扭矩現(xiàn)象［5］。劉玉理研究了4 216 mm熱板材矯直機矯直輥輥徑差產(chǎn)生的輥間附加扭矩，認為附加扭矩是矯直設(shè)備傳動系統(tǒng)損壞的重要原因［6］。

為了便于研究，本文把存在于輥式矯直過程中由壓彎時彎曲曲率不同，負扭矩或附加扭矩等引起的板材不同中性層速度差產(chǎn)生的力定義為輥間張力。多輥傳動矯直機在工作時這種輥間張力是普遍存在。把拉伸張力規(guī)定為正，把壓縮張力規(guī)定為負。

1.2 輥間張力產(chǎn)生的機理

由于輥式矯直機的矯直輥較多，所以矯直機一般采用分組集中傳動，即輥系驅(qū)動一般不少于兩臺電機，每臺電機根據(jù)實際情況驅(qū)動一定數(shù)量的矯直輥［7］，同一個電機驅(qū)動的矯直輥轉(zhuǎn)速相同，假如矯直過程中不存在壓下量，那么板材的前進速度就與矯直輥的線速度相同，如圖1所示。此時板材不存在任何彎曲變形，如果沿板材厚度方向劃分許多纖維層，則板材的每一層纖維都沒有發(fā)生壓縮或者拉伸，所以板材每一層纖維的速度都等于板材的表面速度，即此時的板材是一個速度相同的整體，宏觀運行速度可以用板材的中性層前進速度vi表示，板材的前進速度與矯直輥的線速度vg相同，即vi=vg=v。

圖1 無壓彎狀態(tài)矯直速度Fig.1Straightening speed without roll reduction

假如矯直過程中存在壓下量，板材在矯直過程中就會發(fā)生彎曲變形，則板材不再具有宏觀意義上的相同速度，板材在矯直輥作用下發(fā)生的彎曲導致每一層纖維產(chǎn)生不同的變形，有的纖維被壓縮，有的纖維被拉伸［8-9］。板材會在與矯直輥接觸部位產(chǎn)生一個長度方向上的收縮，假設(shè)板材在第i號矯直輥處產(chǎn)生彎曲變形時的應(yīng)變?yōu)棣舏，則板材的表層纖維收縮速度為εivg，此時中性層的前進速度不再是原來表層的速度，還應(yīng)該在原來的表層速度上再疊加一個因為彎曲變形而產(chǎn)生的表層收縮速度εivg，這時中性層的速度vi= εivg，當板材發(fā)生彎曲變形后各層纖維前進的速度會因為纖維層狀態(tài)的改變而不同，板材各層纖維的前進速度不同但又受到板材整體的約束，相當于每層纖維兩端都有一個剛端約束，這樣的約束會導致內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，這就輥間張力產(chǎn)生的機理。

1.3 輥式矯直機存在輥間張力時垂直矯直力的計算

當輥式矯直機存在輥間張力時，其每個矯直輥的垂直矯直力可以通過下述方法進行計算，從左至右開始對每個矯直輥處的板材用截面法截開，如圖2a所示，有如下平衡方程。

圖2 輥式矯直機存在輥間張力時垂直力的計算Fig.2Roller straightening machine vertical force when tension exists between rollers

通過上述方程，可以得出如下規(guī)律，即作用在第i號矯直輥上的垂直矯直力為

但是，式(9)只能用于計算i=n-2以前矯直輥的垂直矯直力，即Pn-2，Pn-3…，P1，對于Pi=Pn-1，Pn則不能采用上述公式，因為上述公式的推導是在一定條件的情況下得出的，即對第2號矯直輥輥寫出平衡條件求出P1，對第3號矯直輥寫出平衡條件求出P2，對第n-1號矯直輥寫出平衡條件求出。然而當i=n-1和n時，應(yīng)該按照如下方法進行計算，如圖2b所示，即從出口側(cè)寫出第n-1和n-2號矯直輥的平衡方程式。

對于第n-1號矯直輥輥

由公式(9)，(11)，(13)可知，由于水平力即輥間張力的作用，會使矯直機各矯直輥的垂直矯直力Pi增大。但另一方面，當板材塑性彎曲存在張力時，板材的彎曲力矩M會變小，張力越大，則減小程度越大［10］，所以當板材矯直存在輥間張力時，所需的彎曲力矩Mi會減小，這又會使Pi減小。所以，究竟輥間張力使矯直過程中矯直輥的矯直力增大還是減少，要通過實驗和有限元模擬來看誰占主要因素。

2 實驗研究

2.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為全液壓壓下輥式矯直實驗平臺，如圖3所示，平臺由矯直本體、傳動裝置、電氣控制、液壓伺服系統(tǒng)等部分組成。實驗平臺主要技術(shù)參數(shù)有輥距100(120)mm、輥徑95 mm、設(shè)計矯直力2 000 kN、矯直板材厚度范圍2～8 mm、最大矯直寬度800 mm。

矯直本體機中液壓壓下系統(tǒng)(2)安裝在機架(1)的上橫梁上，通過壓下系統(tǒng)中液壓伺服缸運動，帶動對開梁(3)、上輥系及輥盒(4)移動，實現(xiàn)輥縫調(diào)整。對開梁(3)可通過彎輥液壓缸運動實現(xiàn)上輥系預彎。板材矯直時，傳動系統(tǒng)中主電機(5)通過減速機(6)、齒輪箱(7)、萬向接軸(8)帶動輥系(4)轉(zhuǎn)動，板材通過機架輥(9)進入輥系完成矯直。

實驗平臺共十一根矯直輥，采用分組傳動形式，其傳動系統(tǒng)如圖4所示。沿著矯直方向第1～5號矯直輥由1#電機帶動，第6～11號矯直輥由2#電機帶動，1#電機和2#電機之間的傳動系統(tǒng)沒有硬性連接。在主傳動的電氣控制上，兩臺電機采用兩套ABB變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過速度跟隨技術(shù)控制。矯直力則由四個液壓缸下的四個壓力傳感器測量。

2.2 實驗方案

實驗采用的板材為Q345B，主要規(guī)格參數(shù)及力學性能見表1。板材的初始不平度為20 mm/m。

表1 實驗材料主要規(guī)格參數(shù)及力學性能Tab.1Main parameters of experimental materials

圖3 多功能全液壓輥式矯直實驗平臺Fig.3Hydraulic experimental straightening machine

根據(jù)實驗平臺設(shè)備的狀態(tài)和能力，通過調(diào)節(jié)電機控制柜使1#和2#兩組電機最終穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不同施加輥間張力。同時由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)是確定的，即矯直機的輥徑、輥距、輥長、板材的厚度是定值，為研究張力因素影響，矯直過程中壓下量不宜太小，否則板材的不到很好的矯直效果與實際矯直工藝不符合，但壓下量也不宜過大，否則板形質(zhì)量將下降還會增加矯后板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從矯直工藝來說過大的壓下量會增加機器多做附加功還會使板材的表面產(chǎn)生裂紋，報廢板材。綜合考慮上述原因，為了研究不同壓下量下輥間張力對矯直力的影響，而壓下量的確定又由板材在矯直過程中的板材最大彎曲曲率比確定［11］，所以Q345B輥間張力的實驗方案如表2所示。

表2 實驗方案Tab.2Experimental scheme

2.3 實驗結(jié)果及分析

由于進行矯直實驗時采用上排輥整體傾斜的矯直方案，且前后電機轉(zhuǎn)速不同，使板材中性層的速度會有較大差異，造成輥間張力的存在，這會對矯直垂直力造成一定的影響。不同壓下量和不同輥間張力作用下輥系矯直實驗過程中矯直垂直力數(shù)據(jù)如表3所示，其中四個壓頭位于矯直機控制上輥系壓下的四個液壓缸正下方，而矯直垂直力的分布狀態(tài)如圖5所示。

表3 矯直實驗壓頭壓力值Tab.3Head pressure value of straightening experiment

從圖5和表3中可以看出，提高2#電機控制的矯直輥的轉(zhuǎn)速，Q345B在矯直過程中中性層速度差累積就會增大即輥間張力增大，張力在輥間的狀態(tài)發(fā)生了變化直接導致矯直力的分布狀態(tài)發(fā)生了改變。當最大彎曲曲率比k=3時，隨著輥間張力的增大，矯直力依次增大了6.08%和 16.6%;當k=4時依次增大了8.96%和6.25%;而當k=5時，則依次增大了5.96%和4.26%。所以從總體上來說有如下結(jié)論:①在壓下量相同的情況下輥間張力越大矯直力就越大;②在變形量較小的情況下輥間張力對矯直力的影響較大。

圖5 矯直力分布狀態(tài)圖Fig.5Straightening force distribution bar

3 有限元模擬

3.1 分析模型的基本參數(shù)

有限元模擬采用的是顯示動力學軟件ANSYS/LS-DYNA，模擬所用模型分矯直輥和鋼板兩部分，矯直模型基本參數(shù)如表4、表5所示。

表4 矯直鋼板參數(shù)Tab.4Straightening plate parameters

表5 矯直輥參數(shù)Tab.5Straightening roller parameters

3.2 有限元模型

有限元模型如圖6所示，一共模擬2次，其中前5個矯直輥轉(zhuǎn)速都為50 r/min，后6個矯直輥一次為50 r/min，一次為50.5 r/min，分別模擬無輥間張力和施加1%輥間張力的情況。壓下采用傾斜壓下，入出口輥縫分別為4.0 mm和5.6 mm。

圖6 有限元模型Fig.6The finite element model

3.3 模擬結(jié)果及分析

在矯直過程中，每根矯直輥在無轉(zhuǎn)速差和1%轉(zhuǎn)速差的情況下，與板材接觸時合力絕對值的最大值如表6所示。矯直過程中11個矯直輥在不同轉(zhuǎn)速情況下與板材接觸時合力的分布情況如圖7所示。

表6 接觸時合力絕對值的最大值Tab.6The max.absolute value of contact forcekN

圖7 接觸合力的分布Fig.7Contact force distribution

由表6和圖7可知，在矯直出口側(cè)提高矯直輥的矯直速度，則板材在出口側(cè)的速度累積就會增大即張力就會增大，張力在輥間的狀態(tài)發(fā)生了變化直接導致每個矯直輥與板材接觸合力的分布狀態(tài)發(fā)生了改變。即在壓下量相同的情況下，隨著輥間張力的施加，基本上每個矯直輥的接觸合力都會增大，又由于水平摩擦力相對于垂直矯直力來說較小，所以矯直輥與板材接觸的垂直矯直力會增大。

4 結(jié)論

(1)板帶材在輥式矯直過程中，隨著輥間張力的增大，每個矯直輥與板材接觸的垂直力都會增大，所以總矯直力會增大。

(2)在矯直壓下量較小的情況下，即板材變形量較小的情況下，輥間張力對矯直力的影響較大。

(3)通過實驗和模擬證明，輥式矯直過程中施加輥間張力，對矯直力產(chǎn)生影響的兩個因素中，輥間張力產(chǎn)生的水平力是主要因素，而板材塑性彎曲時存在張力引起的彎曲力矩減小是次要因素。

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輥式矯直過程中輥間張力對矯直力的影響

李樂毅1，王海瀾2，王效崗2，黃慶學2

Influence of tension between rollers on straightening force in the process of straightening

LI Le-yi1，WANG Hai-lang2，WANG Xiao-gang2，HUANG Qing-xue2
(1.Heavy Machinery Research Institute，China National Erzhong Group Co.，Chengdu 610052 China; 2.Material Science＆Engineering College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024 China)

Roller straightening is an important step to get qualified plate and sheet，it could remove flatness defects and induce the residual stress.But few researchers study about the tension between the rollers in the process straightening，causing it's not well known.Theoretical analysis and FEM simulation experiment results show that straightening force rises with tension between the rollers increases，which affects straightening force badly when rolling reduction is small.It is important to improve the straightening theory and guide the practical production.

roller straightening;tension between the roller;straightening force

TG333.2

A

1001-196X(2014)05-0023-06

2014-02-14;

2014-03-21

973計劃前期研究專項(2012CB722801);山西省基礎(chǔ)研究項目計劃(2011021019-4)。

李樂毅(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向:軋鋼機械設(shè)計及其過程控制。