石志君

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

隨著后工業(yè)化時代的到來，人們對各種具有特殊性能的鋼材需求量越來越大。在特殊鋼的冶煉生產中，喂線(絲)過程對調節(jié)鋼液成份起著重要的作用。其中，喂線(絲)過程中所用的線(絲)即為合金芯線。

包芯機是生產合金芯線的主要設備，它由生產合金芯線的主機和完成包裝的收排線機兩部分組成。收排線機將主機生產出來呈直線狀態(tài)的合金芯線，通過卷曲、排線、捆扎形成芯線卷，以達到節(jié)省空間，便于運輸?shù)哪康摹?/p>

其中，卷曲過程以交流力矩電機為動力，由減速機傳動帶動卷筒的旋轉，實現(xiàn)芯線的卷曲。排線過程以普通交流電機為動力，通過鏈傳動，附加變頻調速及傳感器等信號控制，實現(xiàn)排線機構的往復運動完成芯線的排布。捆扎過程則主要分為捆扎與斷線兩個環(huán)節(jié)。

當完成捆扎進行斷線時，在斷線瞬間整個收排線機會出現(xiàn)明顯的振動。另外，對于捆扎完的芯線卷，由于捆扎力控制的差異會造成部分芯線卷線頭回旋，存在一定的安全隱患，并且影響了芯線卷的外觀。究其原因是，沒有控制好卷曲過程中芯線的彈塑性變形。

1 卷曲過程芯線的形變受力分析

卷曲過程其執(zhí)行機構為卷筒，由卷曲收排線示意圖(圖1)及局部放大縱切面變形示意圖(圖2)可知，在收排線卷曲階段，包芯線在外力矩作用下，其外表面受拉力，產生拉伸變形，而其內表面受壓，產生壓縮變形。由于內外表面受力及變形情況的差異，最終使得包芯線在卷曲階段發(fā)生了彎曲變形。

由生產實踐可知，卷曲過程對芯線造成的彎曲變形影響，隨著外載荷的消失，合金芯線會產生一定的回復形變，但這種回復形變量相對較小，并不能使合金芯線完全恢復成原有的直線狀態(tài)，所以該過程使芯線發(fā)生了明顯的彈塑性變形。因合金芯線外表面受拉、內表面受壓，其形變過程遵循材料的拉伸－壓縮應力、應變規(guī)律。

圖1 收排線機收排線示意圖

圖2 局部放大縱切面變形示意圖

根據材料應力－應變曲線圖(圖3)，并結合芯線生產過程中，捆扎時芯線的機械性能表現(xiàn)可知，芯線在卷曲階段受外力矩作用發(fā)生的形變，其狀態(tài)處于圖中d點的位置。當捆扎斷線卸載時，儲存在芯線卷中的彈性勢能被部分釋放，伴隨著整個收排線機的振動，芯線的形變產生一定的回復量(g－g’)。由于捆扎力的作用，剩余的彈性勢能仍被儲存在芯線卷中，當捆扎力不足，芯線間的摩擦力不足以約束芯線上的回復力時，芯線頭就會產生回旋，并最終維持在d’的形變狀態(tài)。由此可見，芯線未達到要求的形變量g，是導致斷線后產生諸多不利現(xiàn)象的根本原因。

2 控制利用材料的彈塑性變形

圖3 材料應力－應變曲線

由圖3可知，材料在強化階段時，都同時存在著彈塑性變形，即加載時形變增大，卸載時具有一定的回復量，并最終維持在恒定的形變狀態(tài)下。根據這一原理，可先將芯線做過載處理，即使芯線處于h點狀態(tài)，然后去掉外載荷，經過回復后芯線的形變量恒定為h’。通過調整加載形變狀態(tài)，使h’=g，即可保證芯線卸載時，其回復形變正好與要求形變一致。

由于收排線機采用力矩電機作為動力，可保證輸出應力可調并定量輸出。所以只需保證有足夠的應變，即可滿足上述分析狀態(tài)。在實際應用中，可在主機之后，收排線機之前，放置一個預變形卷筒，為使芯線產生足夠的形變，該預變形卷筒的直徑RP必須小于收排線機卷筒直徑RR，即RP＜RR。

假設芯線發(fā)生彎曲時，其形變均勻，即其形變中性層與幾何中心層重合，由圖2可知，發(fā)生形變的芯線曲率半徑為ρ，則ρ=R+r。當發(fā)生角度大小為θ的形變時，其中性層弧長為S，其外表面的弧長為S1。根據角度與弧長的關系可知:

根據伸長率公式可知:

將等式(1)、(2)帶入等式(3)，則

因為包芯機生產的芯線，其半徑r多為定值(r=6.5～7mm)。根據等式(4)可知，δ由R決定，R越小，δ越大。因為RP＜RR，所以當R=RP時，δ取最大值，即:

由于芯線外表多采用厚度為0.35mm～0.5mm的普通鋼帶，其材質多為Q235，其延展率為20%～26%。在芯線的形變時，需滿足:

才可保證芯線不因鋼帶拉伸破裂而失效，根據等式(5)、(6)可知RP＞4r。

3 結論

通過分析合金芯線的彈塑性變形特性，可以更好的對其加以控制利用。由于增加了預變形卷筒，并保證預變形卷筒半徑RP∈(4r，RR)為某一值時，可令芯線在收排線過程中，提高芯線卷外觀平整度，消除斷線時收排線機體的振動。

［1］鄒家祥.軋鋼機械.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.8

［2］劉鴻文.材料力學Ⅰ.北京:高等教育出版社，2004.1