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        寬厚板矯直機(jī)工作輥強(qiáng)度分析

        2017-12-11 07:30:00吳慶君
        中國(guó)重型裝備 2017年4期
        關(guān)鍵詞:輥身輥輥輥的

        趙 崠 吳慶君

        (1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所,山西030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部,安徽232033)

        寬厚板矯直機(jī)工作輥強(qiáng)度分析

        趙 崠1吳慶君2

        (1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所,山西030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部,安徽232033)

        寬厚板矯直機(jī)工作輥承受矯直力大,在設(shè)計(jì)中必需從軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、輥身彎曲強(qiáng)度、輥面接觸應(yīng)力三個(gè)方面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。

        矯直機(jī);工作輥;扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度;彎曲強(qiáng)度;接觸應(yīng)力

        寬厚板矯直機(jī)所需矯直鋼板的尺寸規(guī)格大、屈服強(qiáng)度高,工作輥承受矯直力大,為了提高矯直質(zhì)量應(yīng)選用較小輥徑、輥距參數(shù)的工作輥,為了滿足矯直精度要求,故在設(shè)計(jì)中必需對(duì)工作輥的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

        以下以一臺(tái)9輥寬厚板矯直機(jī)工作輥參數(shù)為例,在滿足對(duì)軋件的大變形反彎條件下,即前三輥產(chǎn)生的相對(duì)反彎曲率Cw=5時(shí),進(jìn)料側(cè)第3根工作輥所受矯直力與扭矩值均為各輥中的最大值,依此最大值從軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、輥身彎曲強(qiáng)度、輥面接觸強(qiáng)度三個(gè)方面進(jìn)行工作輥強(qiáng)度校核。

        1 寬厚板矯直機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

        1.1 矯直機(jī)輥系參數(shù)

        工作輥數(shù)n:9

        工作輥輥徑D/mm:220

        工作輥軸頸d/mm:130

        工作輥輥距P/mm:260

        工作輥身長(zhǎng)度L/mm:3600

        工作輥材料性能:60CrMoV,調(diào)質(zhì)熱處理286~321HBW,屈服極限σs1取640 MPa,許用剪應(yīng)力[τ]取180 MPa。

        支承輥排數(shù)n1:6

        各排支承輥間距l(xiāng)n/mm:l1=l7=636,l2=l3=l4=l5=l6=550(見(jiàn)圖1)

        支承輥輥徑D1/mm:250

        1.2 矯直典型板材規(guī)格

        矯直板材:合金鋼板材

        厚度H/mm:20

        寬度B/mm:3300

        矯直板材屈服極限σs2/MPa:800

        2 工作輥軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

        在設(shè)定前三輥對(duì)軋件的相對(duì)反彎曲率Cw=5后,只要給定軋件的斷面尺寸與材質(zhì)性能,就可算出第3輥的矯直力矩T3,故可按軸頸尺寸d與材料的許用剪應(yīng)力[τ]為條件進(jìn)行工作輥軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析。

        2.1 最大單輥矯直力矩

        選取典型規(guī)格板材的參數(shù),按第3輥的相對(duì)反彎曲率Cw=5,計(jì)算最大單輥矯直力矩T3為:

        =4.269×107N·mm

        式中,f為軋件與輥面的滾動(dòng)摩擦系數(shù),0.2~0.4 mm,取0.4 mm;μ為軸承摩擦系數(shù),0.005~0.01,取0.005;u3為第3輥矯直變形能量比,在相對(duì)反彎曲率為5時(shí)u3=10;M3為第3輥對(duì)板材的相對(duì)彎曲力矩,在相對(duì)反彎曲率為5時(shí)M3=1.48。

        板材的彈性變形能μt為:

        式中,E為鋼質(zhì)彈性模量,2.1×105N/mm2。

        板材的彈性彎矩Mt為:

        圖1 工作輥對(duì)典型板材配置的合成彎矩圖Figure 1 Composite bending moment diagram of typical plate configuration to working roll

        2.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

        按軸頸尺寸計(jì)算單輥許用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度MD為:

        2.3 計(jì)算安全系數(shù)

        工作輥軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)K為:

        安全系數(shù)K=1.75~1.85,在規(guī)定范圍內(nèi)。

        3 工作輥輥身彎曲強(qiáng)度

        對(duì)于配置支承輥的工作輥輥身彎曲強(qiáng)度計(jì)算,應(yīng)先按連續(xù)梁確定工作輥上各支點(diǎn)的彎曲力矩后再進(jìn)行。工作輥對(duì)典型板材配置的合成彎矩如圖1所示,沿工作輥輥身長(zhǎng)度上有6個(gè)支承輥,可按八支點(diǎn)連續(xù)梁進(jìn)行分段計(jì)算求出各支點(diǎn)的彎曲力矩,再根據(jù)各支點(diǎn)中的最大彎曲力矩進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核。

        圖1中Mi為各支點(diǎn)彎曲力矩;Ri為各支點(diǎn)的支反力;ln為各排支承輥間距。選取典型規(guī)格板材的參數(shù),按第3輥相對(duì)反彎曲率Cw=5,計(jì)算最大單輥矯直力F3為:

        假設(shè)最大單輥矯直力F3為均布載荷,單位長(zhǎng)度的壓力q:

        3.1 各支點(diǎn)彎曲力矩Mi的計(jì)算

        連續(xù)梁各支點(diǎn)的彎曲力矩計(jì)算可采用三彎矩方程式:

        Mn-1ln+2Mn(ln+ln+1)+Mn+1ln+1

        式中,Mn-1、Mn、Mn+1分別為第n-1、n、n+1支點(diǎn)處的彎矩,單位N·mm;ln、ln+1分別為第n、n+1跨度的長(zhǎng)度,單位mm;ωn、ωn+1分別為第n、n+1跨度在外載荷作用下的彎矩圖面積,單位N·mm2;an、bn+1分別為彎矩圖面積ωn、ωn+1的重心到支點(diǎn)n-1、n+1的距離,單位mm。

        3.1.1 0~2段三彎矩方程

        0~1段梁上的作用載荷及其彎矩圖如圖2所示。

        計(jì)算該段最大彎矩Mmax1為:

        圖2 0~1段作用載荷及彎矩圖Figure 2 Applied loading of 0~1 section and bending moment diagram

        式中,A0為只考慮由該段外載荷對(duì)支點(diǎn)0產(chǎn)生的支反力;A1′為只考慮由該段外載荷對(duì)支點(diǎn)1產(chǎn)生的支反力;a1為彎矩圖面積重心到支點(diǎn)0的距離。

        計(jì)算彎矩圖面積ω1為:

        =1.658×1010N·mm2

        計(jì)算彎矩圖面積重心到支點(diǎn)0的距離a1為:

        1~2段梁上的作用載荷及其彎矩圖如圖3所示。

        圖3 1~2段作用載荷及彎矩圖Figure 3 Applied loading of 1~2 section and bending moment diagram

        圖3中A2′為只考慮由該段外載荷對(duì)支點(diǎn)2產(chǎn)生的支反力;A1″為只考慮由該段外載荷對(duì)支點(diǎn)1產(chǎn)生的支反力。由于整個(gè)跨段作用著均布載荷q,該段最大彎矩Mmax2、彎矩圖面積ω2分別為:

        Mmax2=1/8ql22=9.184×107N·mm

        ω2=2l2Mmax2/3=3.367×1010N·mm2

        彎矩圖面積重心到支點(diǎn)2的距離b2為:

        b2=l2/2=550/2=275 mm

        由于支點(diǎn)0的彎曲力矩M0=0,以上數(shù)據(jù)代入0~2段三彎矩方程整理后得:

        3.1.2 1~3段三彎矩方程

        由于2~3段的作用載荷及其彎矩圖與1~2段(圖3)相同,l2=l3=550 mm,ω2=ω3=3.367×1010N·mm2,a2=b3=b2=275 mm,代入以上數(shù)據(jù)整理后得:

        3.1.3 2~4段三彎矩方程

        由于3~4段的作用載荷及其彎矩圖也與1~2段(圖3)相同,l3=l4=550 mm,ω3=ω4=3.367×1010N·mm2,a3=b4=b2=275 mm,M3=M4,代入以上數(shù)據(jù)整理后得:

        3.1.4 彎曲力矩

        聯(lián)合方程式(1)、(2)和(3),求解支點(diǎn)1、2、3處的彎曲力矩:

        M1=-0.5×108N·mm

        M2=-0.65×108N·mm

        M3=-0.61×108N·mm

        由于M7=M0,M6=M1,M5=M2,M4=M3,故求出M1,M2,M3后,可得出整個(gè)工作輥上各支點(diǎn)的彎曲力矩。

        3.2 工作輥輥身彎曲強(qiáng)度計(jì)算

        由上述計(jì)算得出,輥身各支點(diǎn)彎曲力矩最大值在支點(diǎn)2和支點(diǎn)5處且相等,故按M2進(jìn)行輥身彎曲強(qiáng)度計(jì)算。

        計(jì)算彎曲應(yīng)力σ為:

        計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ為:

        按第四強(qiáng)度理論合成σc為:

        工作輥材料60CrMoV,調(diào)質(zhì)熱處理硬度為286~321HBW,屈服極限為σs1,取σs1=640 MPa。工作輥輥身彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)n=2~2.5。

        3.3 輥身彎曲強(qiáng)度計(jì)算

        對(duì)于高強(qiáng)度寬厚板熱矯直機(jī)來(lái)說(shuō),所需矯直鋼板溫度高達(dá)450~900℃,故在矯直過(guò)程中需對(duì)工作輥進(jìn)行充分有效地冷卻,以延長(zhǎng)輥?zhàn)邮褂脡勖?,提高板材矯直質(zhì)量。熱矯直機(jī)工作輥采用中空通冷卻水結(jié)構(gòu),增加冷卻孔直徑有利于輥?zhàn)永鋮s。

        因此,當(dāng)該工作輥用于熱矯直時(shí),按冷卻孔內(nèi)徑D1=150 mm進(jìn)行輥身彎曲強(qiáng)度計(jì)算。彎曲應(yīng)力σr為:

        計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τr為:

        按第四強(qiáng)度理論合成σcr為:

        計(jì)算安全系數(shù)nr為:

        4 工作輥輥面接觸應(yīng)力的計(jì)算

        輥?zhàn)颖砻娴慕佑|應(yīng)力σa可用圓柱體與平面相接觸時(shí)的應(yīng)力公式計(jì)算,輥?zhàn)由系淖畲蠼佑|應(yīng)力應(yīng)小于允許接觸應(yīng)力值[σa],[σa]≈2σs1=1280 MPa,接觸應(yīng)力σa為:

        式中,R為矯直輥半徑,取110 mm。

        計(jì)算安全系數(shù)s為:

        5 結(jié)論

        綜合以上各項(xiàng)分析,工作輥的強(qiáng)度主要受輥面接觸應(yīng)力與軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的影響;另外,由于工作輥的強(qiáng)度計(jì)算受典型板材厚度、寬度、屈服極限的影響,所以依據(jù)詳細(xì)的產(chǎn)品大綱,綜合考慮矯直板材的主要規(guī)格,選取合理的典型規(guī)格板材參數(shù)進(jìn)行計(jì)算是非常重要的,并直接影響到分析結(jié)果。

        編輯 陳秀娟

        Strength Analysis of Working Roll of Wide and Heavy Plate Straightener

        ZhaoDong,WuQingjun

        The working roll of wide and heavy plate straightener is subjected to a great straightening force, the calculation and analysis of intensity shall be performed from three aspects: journal torsion strength, bending strength of roll body and contact stress of roll surface.

        straightener; working roll; torsion strength; bending strength; contact stress

        2017—04—04

        TG333.2+3

        B

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