岳海波　趙彥榮　姜　辰

(1.北方重工集團(tuán)有限公司,遼寧110141；2.西安泰賽科技發(fā)展有限公司，陜西710000)

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350 mm輥距型鋼矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

岳海波1趙彥榮2姜辰1

(1.北方重工集團(tuán)有限公司,遼寧110141；2.西安泰賽科技發(fā)展有限公司，陜西710000)

350 mm輥距型鋼矯直機(jī)是針對(duì)鞍鋼大型580線精整區(qū)域開發(fā)設(shè)計(jì)的型鋼矯直設(shè)備，主要用于球扁鋼的在線矯直。矯直機(jī)本體主要由機(jī)架、壓下系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、矯直輥體、入口和出口導(dǎo)衛(wèi)等部分組成,其功能完備，易于操作，并通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)代有限元方法對(duì)其功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，大幅減輕設(shè)備重量，降低制造成本，提高設(shè)備可靠性。

型鋼矯直機(jī)；球扁鋼；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

型鋼矯直機(jī)主要包括壓力和輥式矯直機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式。壓力矯直機(jī)生產(chǎn)率較低，一般在型鋼或鋼管車間作為輔助的矯直設(shè)備或矯直彎曲度過(guò)大(>50 mm/m)及壁厚超過(guò)輥式矯直機(jī)的矯直范圍的型材。針對(duì)鞍鋼大型廠的車間空間限制、較高的產(chǎn)品屈服強(qiáng)度等特點(diǎn)，同時(shí)吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)350 mm輥距型鋼矯直機(jī)進(jìn)行了全面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使350 mm輥距型鋼矯直機(jī)的功能更加合理可靠，同時(shí)滿足車間使用條件。

1　設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)備特點(diǎn)

1.1工藝技術(shù)參數(shù)及要求

該設(shè)備主要是針對(duì)大型廠580線精整區(qū)域配套設(shè)計(jì)開發(fā)的。鋼板品種：特殊合金鋼，Re=590 MPa～750 MPa，Rm≥655 MPa,A≥16%。矯直產(chǎn)品： 5#、6#、7#球扁鋼(單球)，矯直速度： 0～1 m/s～2 m/s(變頻調(diào)速)。

1.2基本參數(shù)選取

輥距t=350 mm；

輥數(shù)n=14；

矯直速度v1=2 m/s;

輥?zhàn)涌仔推骄睆紻=340 mm；

矯直鋼材的屈服極限Re=750 MPa；

矯直規(guī)格：5#、6#、7#球扁鋼(單球)

1.3力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算

最大塑性彎曲力矩Ms按下式計(jì)算： Ms=eReW (N·m)

式中，e為型材系數(shù),取1.5；W為被矯直型鋼的彈性彎曲斷面系數(shù) (cm3)；Re為被矯直型鋼的屈服極限，Re=750MPa。

被矯直件的彈性斷面系數(shù)如表1所示。

由表1可知: 7#球扁鋼的斷面系數(shù)較大，按7#球扁鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

彈性彎曲力矩:My=Re×W=750×6=4500 N·m。

塑性彎曲力矩:Ms=e×My=1.5×4500=6750N·m。

(1)各輥矯直力的計(jì)算，見下式。

(3)矯直時(shí)鋼材塑性變形所消耗的扭矩

P1=2tMs=38.6kNP2=3P1=115.7kNP3=4P1=154.3kNP4=4×Mst+Myt?è???÷=128.6kNP5=4×2tMy=102.9kNP6=4×2tMy=102.9kNP7=P6=102.9kNP8=P7=102.9kNP9=P8=102.9kNP10=P9=102.9kNP11=P10=102.9kNP12=P11=102.9kNP13=3×2tMy=77.1kNP14=2tMy=25.7kN

表1　被矯直型鋼的彈性彎曲斷面系數(shù)Table 1　Elastic bending section coefficient ofthe straightened section steel

式中，β為折彎系數(shù),β=1+(n-2)=13;r為彎曲半徑。

(4)矯直時(shí)鋼材與輥?zhàn)娱g摩擦所消耗的扭矩MⅡ=fP0=1388.6 N·m，摩擦系數(shù)：f=0.001 m。

(5)矯直時(shí)輥?zhàn)虞S承中所消耗的摩擦扭矩：

軸承支反力：

式中，L為兩軸承之間距離，取600 mm；a為軸承和矯直輥中心距離，取250 mm；μ為輥?zhàn)虞S承摩擦系數(shù)滾動(dòng)軸承，取0.005；dA為軸承平均直徑，取200 mm；dB為軸承平均直徑，取115 mm。

(6)總矯直扭矩M0=∑Mi=MⅠ+MⅡ+MⅢ=4780N·m。

1.4設(shè)備技術(shù)參數(shù)

生產(chǎn)產(chǎn)品球扁鋼：5#、6#、7#

矯直鋼材：最大屈服極限Re≤750 MPa

結(jié)構(gòu)形式：懸臂式

矯直輥中心距：350 mm

輥數(shù)：13+1(上輥7、下輥7)

輥?zhàn)涌仔推骄睆? 300 mm～345 mm

上輥壓下最大調(diào)整量：115 mm(電動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)輔助)

垂直調(diào)整量：+80 mm/-35 mm (電動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)輔助)

軸向調(diào)整量：±10 mm

矯直軋件溫度：≤200℃(熱軋冷卻后)

驅(qū)動(dòng)方式：下輥為主傳動(dòng)輥，上輥全為被動(dòng)輥

矯直速度：0～1 m/s～2 m/s(變頻調(diào)速)

主電機(jī)容量：變頻YP2 315S-6(額定功率：75 kW)

1.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

矯直機(jī)本體主要由機(jī)架、壓下系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、矯直輥體、入口和出口導(dǎo)衛(wèi)等部分組成。

(1)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)架采用鍛焊整體結(jié)構(gòu)，由多塊鋼板與鍛件焊接而成，最后再進(jìn)行機(jī)械加工。由于機(jī)架承受所有的矯直力，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛度要求較高。過(guò)去采用整體鑄造，因此設(shè)計(jì)的零件重量較大，達(dá)到10 t，這樣的設(shè)計(jì)成本較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。在此次型鋼矯直機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，針對(duì)機(jī)架減重問(wèn)題進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知，矯直機(jī)機(jī)架受力薄弱點(diǎn)在機(jī)架上部，下端安裝在基礎(chǔ)上并由基礎(chǔ)承受矯直力。通過(guò)優(yōu)化，降低下端鋼板厚度，變更筋板承力結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的機(jī)架滿足使用強(qiáng)度。矯直機(jī)本體如圖1所示。

(2)壓下系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

壓下機(jī)構(gòu)與上輥軸承座相連，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪副、蝸輪副及螺紋副來(lái)進(jìn)行電動(dòng)壓下，同時(shí)也可手動(dòng)調(diào)整，壓下量變化數(shù)值可通過(guò)升降指示表顯示。壓下機(jī)構(gòu)采用彈簧及平衡螺母進(jìn)行平衡，消除壓下螺絲與螺母之間的間隙，減少?zèng)_擊。壓下電機(jī)采用垂直放置，大大縮短了空間尺寸。壓下絲桿采用鋸齒形螺紋S80X10-7e，由于前后絲桿受力方向不同，前后絲杠設(shè)計(jì)鋸齒形螺紋的方向也隨之變化。壓下系統(tǒng)如圖2所示。

1—機(jī)架　2—壓下系統(tǒng)　3—接軸　4—齒輪分配箱　5—主電機(jī)　6—矯直輥體　7—出口導(dǎo)衛(wèi)　8—入口導(dǎo)衛(wèi)　9—減速器圖1　矯直機(jī)本體Figure 1　Straightening machine body

(3)主傳動(dòng)部分的方案設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)部分主要包括主電機(jī)、齒輪聯(lián)軸器、減速器、齒輪分配箱及接軸裝置等。主電機(jī)為交流電機(jī)。受大型廠的車間空間限制，減速器采用90°輸出，可滿足使用。

(4)矯直輥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

矯直輥體共14根。上輥系共7根輥，上輥的輥軸部分裝在上輥軸承座內(nèi)，在壓下裝置的帶動(dòng)下可上下調(diào)整(電動(dòng)調(diào)整)。下輥系共7根輥，全部為主動(dòng)輥，直接以滑動(dòng)配合裝于機(jī)架上的軸孔內(nèi)，并通過(guò)萬(wàn)向接軸與主傳動(dòng)減速機(jī)相連。矯直輥前后軸承均采用調(diào)心滾子軸承，前端矯直力較大，采用兩個(gè)調(diào)心滾子軸承24130C/W33。矯直輥的軸向調(diào)整通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸輪上有梯形螺紋，因此矯直輥?zhàn)鬏S向移動(dòng)可達(dá)到調(diào)整目的，最大調(diào)整量±10 mm。矯直輥采用錐形孔，這樣更換矯直輥方便快捷。矯直輥上下輥鎖緊螺母采用正反摳，保證矯直時(shí)鎖緊矯直輥。上輥軸承座兩側(cè)面貼靠在機(jī)架立柱的內(nèi)側(cè)面。矯直輥體如圖3所示。

圖2　壓下系統(tǒng)Figure 2　Screw down system

圖3　矯直輥體Figure 3　Straightening roll

(5)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)機(jī)械設(shè)備使用壽命的長(zhǎng)短起關(guān)鍵作用，此次設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑系統(tǒng)如下：

a) 壓下機(jī)構(gòu)的螺紋副采用干油集中潤(rùn)滑，此種干油泵為電動(dòng)的，故使用較方便。

b) 壓下機(jī)構(gòu)的蝸輪副和上下輥的蝸輪副均裝滿干油進(jìn)行潤(rùn)滑。

c) 齒輪分配箱是在重載下連續(xù)工作的，所以在齒輪的齒面上采用齒輪油泵打稀油進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑，軸承靠飛濺的油進(jìn)行潤(rùn)滑。

d) 上、下矯直輥軸承采用稀油循環(huán)潤(rùn)滑，配套潤(rùn)滑系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的矯直機(jī)上、下矯直輥軸承采用干油循環(huán)潤(rùn)滑，矯直機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后矯直輥前端軸承溫度升高，采用稀油循環(huán)潤(rùn)滑后軸承溫度大大降低，提高使用壽命。

2　設(shè)備特點(diǎn)

通過(guò)仔細(xì)分析國(guó)內(nèi)同類設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)仿真軟件，開發(fā)設(shè)計(jì)了350 mm輥距型鋼矯直機(jī)，實(shí)際應(yīng)用的效果良好。該產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：

(1)機(jī)架采用鍛焊整體結(jié)構(gòu)，焊接后進(jìn)行整體退火處理，消除焊接應(yīng)力，減小變形，機(jī)身強(qiáng)度高，精度保持性好，通過(guò)有限元計(jì)算，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法減重4 t以上，在滿足使用要求的前提下，降低了設(shè)備投資成本。

(2)設(shè)備空間尺寸減小，單獨(dú)的減速機(jī)和分配箱便于維護(hù)。

(3)矯直鋼材屈服極限較高，矯直力大，設(shè)計(jì)輥軸和機(jī)架的強(qiáng)度要求高。

(4)上、下矯直輥軸承采用稀油循環(huán)潤(rùn)滑，配套潤(rùn)滑系統(tǒng)后矯直輥前端軸承在大矯直力，且長(zhǎng)時(shí)間工作下的溫升得到了改善。

[1]王海文．軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：6．

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編輯李韋螢

Design and Development on Section Steel Straightening Machine with 350 mm Roll Spacing

Yue Haibo，Zhao Yanrong, Jiang Chen

Section steel straightening machine with 350 mm roll spacing has been designed and developed for ANSTEEL heavy 580 line finishing area, and is mainly used for online straightening of ball flat steel. Straightening machine body mainly consists of machine frame, screw down system, main drive system, straightening roller body and inlet and outlet guide, etc., which function is complete, and easy to operate. The overall optimization design of its function and structure has been performed by the theoretical calculation and modern finite element method to greatly reduce the weight of equipment, decrease manufacturing costs and improve equipment reliability.

section steel straightening machine; ball flat steel; structure optimization design

2016—05—13

岳海波(1986—)，男，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作，主研究方向型鋼矯直機(jī)、鋼板剪切機(jī)、軋機(jī)等壓延設(shè)備。

TG333

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