斜辊式矫直机矫直钢管的压扁量等参数的研究

2013-12-03左雁冰黄维勇

重型机械 2013年5期

左雁冰，张超，黄维勇，陈锋，常瑜，何潜，刘杰

(中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032)

0 前言

通常对斜辊矫直技术没有对板带等其他矫直技术的研究更充分，有的技术及工艺参数的研究尚属空白。究其原因，往往是使用者对钢管矫直技术的认识进入一个误区，认为矫直质量与矫直精度等技术指标仅仅取决于设备本身。这种认识是片面的:产品的矫直质量及精度等技术指标，除了与设备辊列布置及调整控制系统等硬件有关外，还与工艺参数的调整设定有密切关系。对于高精矫直而言，一些工艺参数(如倾角α、压扁量δ、反弯量fc压扁力p以及矫直辊的尺寸精度和表面质量等)甚至对矫直精度起到决定性的作用，这一点已经被实践所证明。

为了对矫直技术有一个完整准确的认识，作者将几个主要的工艺参数问题，在前人的基础上进行分析讨论，以供参考。

1 压扁力及压扁量的确定

1.1 单位接触长度的压扁力p和总压扁力P

可以认为用两个相对单位接触长度的辊子作用于单位长度的圆环，鉴于上下左右的对称性，可以计算圆环的四分之一，如图1所示。

由于各方向的对称性，多余约束的未知量只剩下静不定弯矩M0，则内力方程按曲梁表示为

按卡氏定理的变形协调条件，即在A－A断面处转角等于零，则有

图1 计算简图Fig.1 Calculation sketch

将式(1)代入式(2)，则

计算得

代入式(3)中得出

积分(5)式解出

代入(1)式

环弯矩图如图2所示。

图2 圆环受压弯矩图Fig.2 Bend moment on the borne circle

图1，图2符号的意义:rc为圆环(钢管)几何中心半径;r为平面弯曲曲梁形心半径;S为钢管壁厚;S※曲梁弯曲时静距;R为圆环(钢管)外半径;rn为圆环(钢管)内半径;p为圆环单位长度压力;P为圆环总接触长度的总压力。

1.2 压扁量δ的计算

在矫直过程中，矫直辊与圆环(钢管)的接触倾斜一个角度β，其数值不大，可以认为β=0。对于曲梁变形(δ/2)，按以下关系计算:

利用卡氏定理，计算弯矩对p/2的偏导数

压扁量δ表达为

1.3 压扁力

曲梁弯曲应力表达式为

(11)式与(7)式联解

总的压扁力按下式计算

按英国Bronx公司以Pauk理论推出的计算公式为

在此列出(18)、(19)式供参考。

2 对计算结果的分析

2.1 压扁力的计算比较

按以下条件计算:

接触长度lk=320 mm、σ=500 MPa、R=50 mm，边缘处达到屈服极限计算结果见表1。

表1 压扁力计算结果比较Tab.1 Comparison of the calculated press flat force results N

通过数值计算表明，按曲梁计算和按直梁计算其计算结果数值差约在10% ～40%。而对于钢管外径R=50 mm规格，壁厚可能由3 mm增至16 mm。因而不能用直梁计算(对厚壁管D/S=6时)。Pauk计算方法经分析是用直梁计算，所以计算的压扁力偏小，特别是所列计算方法没有考虑外区的影响。经生产实践表明，在矫直过程中没有发生钢管被压坏的情况。只有在高速矫直时，钢管头部才有可能被压坏。对薄壁管计算的压扁力都小。这是建立在线接触的情况。实际上存在小的接触面。因此也具有一定的抗压能力。

2.2 关于压扁量问题

用式(13)计算出的单位长度的压扁力p比用式(9)或式(10)计算出的压扁量δ小，这正是管子未被矫坏的原因;说明计算得出的值具有合理性，只有在调节出错时，或者压扁量给大时才会出现压坏管子的情况。特别是加大压扁量不能提高矫直精度，这种做法不仅矫不直，还会在矫直过程中会因为δ大而出现缺陷。要么矫坏产品，要么降低矫直的直线精度，不仅破坏表面状态，还降低尺寸精度。通过压扁方法达到矫直目的的观点是不适宜的。所以不推荐这种方法，特别对高精度矫直更是如此。