王式研++馬立東+++陳敏

摘 要：對(duì)某廠六斜輥（2-2-2）矯直過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)有限元分析，模擬各矯直輥快開壓下過程及穩(wěn)定矯直過程，仿真獲得矯直力與現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器測(cè)試值基本一致。通過有限元后處理結(jié)果中矯直力隨時(shí)間的歷史變化曲線，分析了矯直過程中壓彎力、壓扁力的作用情況以及各接觸對(duì)的接觸特性變化。各單輥矯直力在矯直輥快開壓下并接觸鋼管時(shí)最大，穩(wěn)定矯直后趨于平穩(wěn)，中間對(duì)輥接觸相對(duì)比較均勻，邊輥的接觸區(qū)域集中在矯直輥的端部。

關(guān)鍵詞：鋼管；斜輥；矯直；數(shù)值模擬；接觸

1 概述

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展以及對(duì)輸油管線鋪設(shè)效率提高的迫切需要，對(duì)鋼管成品的直線度及圓度精度要求越來越高。鋼管矯直的直線度決定于反彎曲率與接觸曲線，而圓度精度決定于壓扁量。對(duì)于矯直機(jī)設(shè)備而言，直線度決定于反彎量和矯直輥的傾斜角，圓度決定于對(duì)輥輥縫。前蘇聯(lián)的馬斯吉列遜[1]和國內(nèi)的崔甫[2]對(duì)鋼管矯直過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對(duì)國內(nèi)鋼管矯直機(jī)設(shè)備及工藝的研究提供了基礎(chǔ)。李強(qiáng)[3]采用在矯直輥軸承座上貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行了斜輥鋼管矯直機(jī)矯直力的測(cè)試分析。朱美珍[4]以彈塑性理論為基礎(chǔ)，建立了壓扁力的計(jì)算體系。于風(fēng)琴[5]采用相對(duì)更準(zhǔn)確的受力模型計(jì)算各矯直輥的受力情況，綜合分析彎曲力與壓扁力對(duì)總矯直力的作用，但其只在中間抱輥施加了壓扁力。而在鋼管實(shí)際矯直過程中，矯直輥的受力情況及其復(fù)雜，而且在實(shí)際矯直過程中，為了實(shí)現(xiàn)碾壓彎曲矯直鋼管端部作用，首尾對(duì)輥也要施加一定的壓扁力。文章以某現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況為基礎(chǔ)，建立有限元模型，分析矯直過程中矯直力的變化以及矯直輥接觸情況。

2 有限元模型建立

現(xiàn)場(chǎng)使用矯直機(jī)為國外引進(jìn)當(dāng)前國際先進(jìn)的矯直機(jī)，具備完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)矯直輥位置和角度的自動(dòng)設(shè)定，同時(shí)，在三個(gè)上輥裝配連接位置配備壓力傳感器，能夠動(dòng)態(tài)獲得矯直過程中的矯直力。該矯直機(jī)矯直鋼管外徑尺寸范圍60.3mm～244.5mm，壁厚范圍3.5mm～30mm，最大允許矯直力100噸，矯后直線度精度能夠達(dá)到管體1mm/1500mm，管端（1400mm范圍）達(dá)到1mm/1000mm；首尾矯直輥輥距1800mm，輥腰直徑318mm，輥形長度452mm。

矯直鋼管為L80-1油套管，外徑73mm，壁厚5.51mm，到達(dá)矯直機(jī)的溫度為500℃。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來料情況，來料鋼管均相對(duì)比較直，肉眼觀測(cè)無明顯彎曲。

控制模型中輸入?yún)?shù)為來料參數(shù)，分別為管徑73mm，壁厚5.5mm，屈服強(qiáng)度400Mpa；輸出參數(shù)為三個(gè)上輥角度、三個(gè)下輥角度、三對(duì)輥輥縫值與中間下輥反彎量；設(shè)定參數(shù)為實(shí)際矯直過程中使用的三個(gè)上輥角度、三個(gè)下輥角度、三對(duì)輥輥縫值與中間下輥反彎量（彎曲形式為上彎式，中間下輥上抬），但是由于矯直輥的磨損，實(shí)際的輥縫值與設(shè)定值已經(jīng)有非常大的差距，而現(xiàn)場(chǎng)矯直輥與鋼管的接觸狀態(tài)良好，且能夠矯直，因此模擬中選擇了按照模型計(jì)算參數(shù)進(jìn)行建模。穿管速度40m/min，矯直速度50m/min。

2.1 幾何模型的建立

圖1所示為建立的幾何模型，涉及到的零件有矯直輥、鋼管、輥道，其中為簡(jiǎn)化計(jì)算，輥道采用光滑無摩擦的平板代替。具體幾何參數(shù)如表1所示。

矯直輥的輥形如圖2所示將該輥形與現(xiàn)場(chǎng)矯直機(jī)矯直輥的樣板輥形比較，兩條曲線一致。

將鋼管、矯直輥、平板按照現(xiàn)場(chǎng)尺寸進(jìn)行裝配，得到圖1所示幾何模型。

2.2 材料模型

矯直過程中輥系變形極小，故將輥系考慮為剛體，僅考慮鋼管的變形，500℃時(shí)其可近似為理想彈塑性材料，相關(guān)物性參數(shù)參考現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，取彈性模量175Gpa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度400Mpa，500℃條件下，材料可近似看作理想彈塑性材料。

2.3 邊界條件處理

整個(gè)計(jì)算過程完全參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際矯直過程，初始狀態(tài)各矯直輥沿自己的軸線空轉(zhuǎn)，保證沿軋制方向分速度為50m/min，只有旋轉(zhuǎn)自由度，其他方向固定，鋼管給定初始速度場(chǎng)，穿管速度40m/min，兩側(cè)平板固定。當(dāng)鋼管經(jīng)過第一對(duì)矯直輥時(shí)，入口上輥壓下，經(jīng)過第二對(duì)矯直輥時(shí)，中間上輥壓下，經(jīng)過最后一對(duì)矯直輥時(shí)，出口上輥壓下，整個(gè)過程分為8個(gè)分析步，分別為初始步、開始穿管步、入口上輥壓下步，穿管步，中間上輥壓下步，穿管步，出口上輥壓下步，連續(xù)矯直步。設(shè)置鋼管與各矯直輥的接觸為面面接觸，徑向有限滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)0.2，法向硬接觸；設(shè)置鋼管與兩側(cè)平板為徑向無摩擦接觸，法向硬接觸；總計(jì)8個(gè)接觸對(duì)。

2.4 單元?jiǎng)澐?/p>

鋼管單元選擇一階顯式六面體縮減積分單元C3D8R。劃分鋼管單元時(shí)保證鋼管壁厚方向至少有4層單元以減小沙漏效應(yīng)。

2.5 求解過程

為提高計(jì)算效率，計(jì)算過程中采用了半自動(dòng)的質(zhì)量放大辦法，將時(shí)間增量步小于1E-6的值均放大到1E-6以上。

3 結(jié)果比較

3.1 矯直力結(jié)果比較

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)矯直某根φ73鋼管的控制模型上的視頻錄像進(jìn)行分析，圖3所示為視頻上記錄下來的三個(gè)上輥矯直力（t）隨時(shí)間變化情況（現(xiàn)場(chǎng)上輥安裝有壓力傳感器，鋼管長度12m），圖4為有限元計(jì)算過程各輥矯直力（N）變化曲線（其中下面3條對(duì)應(yīng)上輥矯直力，鋼管長度6m），從圖中可以看到，曲線趨勢(shì)相同，考慮有限元計(jì)算中的波動(dòng)噪音，最大值偏差在15%以內(nèi)，平均值偏差在20%以內(nèi)。從結(jié)果來看，有限元計(jì)算模型相對(duì)準(zhǔn)確。

3.2 直線度比較

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，矯后的鋼管均能滿足1mm/1500mm的直線度要求。

為得到有限元分析后處理中具體的鋼管直線度數(shù)據(jù)，采用的辦法是分別在鋼管最上邊緣取一系列不間斷節(jié)點(diǎn)，建立其坐標(biāo)曲線1，然后取曲線1上的頭尾節(jié)點(diǎn)，建立坐標(biāo)直線2，將兩條數(shù)據(jù)點(diǎn)相減可得到該邊緣上任意節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)差值。如圖5所示是X方向鋼管邊緣的直線度數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在管體全長（6m）范圍的最大撓度為0.25mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1mm/1500mm。

圖6所示為Y方向鋼管邊緣的直線度數(shù)據(jù)，管體全長部分（6m）最大撓度為0.16mm，且彎曲度變化較大的位置在鋼管頭尾500mm范圍，直線度精度比較高?？梢员砻髟撚邢拊Ｐ拖鄬?duì)比較準(zhǔn)確。

4 結(jié)果分析

從圖4可以分析得出，鋼管在進(jìn)入入口輥時(shí)，入口上下輥受力較小，當(dāng)入口上輥快開壓下后，入口對(duì)輥開始承受矯直力，此部分矯直力均為壓扁力，而上輥承受的矯直力稍大于下輥，原因是未進(jìn)入輥系的鋼管部分與輥道接觸，抵消了部分向上的力，并且管端快速與中間下輥接觸，由于中間下輥的反彎作用，入口上輥增加了承受單側(cè)彎曲的力；隨后，中間上輥快開壓下，此時(shí)中間對(duì)輥矯直力迅速增大，而當(dāng)出口上輥快開壓下后（3.3s時(shí)），中間下輥所承受的力有增大的過程，此時(shí)，在整個(gè)輥系當(dāng)中形成一個(gè)彎曲單元，中間下輥既承受壓扁力，又承受壓彎力，而中間上輥只承受壓扁力。隨后出口對(duì)輥與鋼管接觸，而出口上輥的力大于出口下輥的力，原因與入口上輥一致。由此可知入口下輥、中間上輥、出口下輥只承受對(duì)應(yīng)輥縫的壓扁力，而入口上輥、中間下輥、出口上輥除承受壓扁力外還要承受壓彎力，且中間下輥的反彎力應(yīng)與入口上輥和出口上輥所受彎曲力之和一致。

矯直輥的實(shí)際接觸情況對(duì)于矯直力能有直接影響，接觸區(qū)域越大，壓扁力越大。圖7為穩(wěn)定矯直時(shí)三個(gè)上輥的接觸情況（左側(cè)為入口輥），圖8為穩(wěn)定矯直時(shí)三個(gè)下輥的接觸情況。從接觸狀態(tài)來看，中間上下輥均接觸良好，入口上輥中間和偏右部分接觸，入口下輥矯直輥?zhàn)蠖私佑|，出口輥上輥全長接觸良好，出口下輥右端接觸更厲害，由此可以看出，形成彎曲單元后，矯直輥的接觸狀態(tài)比較復(fù)雜，但大的趨勢(shì)是上輥邊輥內(nèi)側(cè)接觸多，而下輥邊輥外側(cè)接觸多，而邊輥接觸區(qū)域的變化隨著壓扁量大小變化（模擬中出口壓扁量大于入口壓扁量）。

5 結(jié)束語

利用數(shù)值分析方法能夠真實(shí)的模擬鋼管斜輥矯直過程，矯直力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)矯直力一致，鋼管直線度滿足要求，符合實(shí)際生產(chǎn)情況。計(jì)算結(jié)果表明中間下輥、入口和出口上輥承受壓扁力和彎曲力，而中間上輥、入口下輥和出口下輥只承受壓扁力。而壓扁力的大小與接觸區(qū)域相關(guān)，實(shí)際的接觸區(qū)域比較復(fù)雜，中間對(duì)輥接觸相對(duì)均勻，邊輥接觸出現(xiàn)端部集中現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]馬斯吉列遜，等.管材矯直機(jī)[M].西安重型機(jī)械研究所譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[2]崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械[M].第二版.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[3]王秀軍，李強(qiáng)，賈志剛.斜輥鋼管矯直機(jī)矯直力計(jì)算分析[J].焊管，2002，27（2）：26-28.

[4]朱美珍，王春香，劉玉瑛.對(duì)向六斜輥管材矯直機(jī)壓扁力研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，16（1）：36-41.

[5]于鳳琴.鋼管矯直機(jī)力能參數(shù)研究[J].試驗(yàn)與研究，2008，37（5）： 26-29.