对称三辊卷板机上辊挠度补偿计算与受力分析*

2015-11-23郭瑞峰郭永平

机械研究与应用 2015年1期

甄诚，郭瑞峰，郭永平

(1．西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安 710055;2．首钢长钢(集团)锻压公司设计院设计科，山西长治 046011)

0 引言

卷板机按辊数可分为两辊、三辊、四辊及多辊;按辊子布置方式可分为对称式和非对称式;按辊子轴线位置可分为卧式和立式;按辊子调整方式可分为上调式和下调式;按主驱动方式分为机械和液压;按辊子的传动方式分为上传动(上辊主动、其余辊从动)下传动(下辊主动、其余辊从动)、全传动(工作辊全为主驱动);按上辊有无倾倒轴承体可分为开式和闭式(船用型);按功能可分为普通型和多用型;按卷制方法可分为冷卷、热卷、温卷;按控制方式可分为强电控制、NC 控制、CNC 控制［1］。

卷板机的上辊是整个卷板机的核心构件，上辊的受力变形会导致卷板压力分布，影响成型筒型的圆度和母线的直线度。笔者以首钢长治钢铁(集团)锻压机械制造有限公司的W11NC-6x1600对称三辊卷板机为研究对象，通过建立数学模型，以及用Auto-CAD Mechanical分析仿真软件构建模型，来计算补偿上辊的挠曲变形，保证板材的直线性。

图1 为对称三辊卷板机简图

1 建立上辊数学模型

在现有的设备中，卷制板材时，上辊受力变形导致不能保证板材的直线性。在一台卷板机卷制不同厚度板材时，为了改变板材出现“鼓肚”和“束腰”的现象，通过研究上辊的挠度，来达到生产要求，这正是笔者所要研究的［2］。通过AutoCAD Mechanical软件受力分析，研究上辊的挠度补偿，在不更换上辊的前提下，对上辊形状做优化设计［3］。卷板机上辊的受力形式类似于简支梁，一般通过简支梁的近似计算，来计算卷板机上辊的挠度。上辊适用理论公式如表1所示，受力简图如图2所示［4］。

表1 简支梁受力试用公式表

图2 上辊受力简图及适用理论公式

2 上辊力学模型的建立

上工作辊受力简化模型，总跨度为1 913．5 mm，其中辊身长度为1 650 mm，上辊支撑辊的位置分布如图3所示。W11NC-6x1600对称三辊卷板机基本参数如表2所列。

图3 上工作辊受力简化模型

表2 W 11NC-6x1600对称三辊卷板机基本参数

现需要计算在保证最大的挠度条件下，计算上辊支反力。通过卷制钢板的板宽，板厚，最小弯曲直径及钢板的屈服极限这四个条件，可计算上辊受力为100 kN［5］，分布到1．65 m 辊身上，上辊受到的均布载荷为60．6 kN/m。

3 上辊受力分析与计算

3．1 均布载荷

对上辊(上辊直径Φ150 mm)在1 650 mm范围内施加均布载荷60．6 N/m，用CAD Mechanical软件分析在此载荷作用下，上辊的挠度分布［6］，如图4。

图4 上辊受均布载荷60．6 kN/m，挠度为1．64 mm

为了突出挠度变形量，图4为放大100倍比例的应力和应变，最大变形量S2为1．64 mm。这是卷制最大卷板厚度6 mm，最大卷板宽度1 600 mm时的挠度变形量。如果按此生产，卷制板材时，板材成型后会出现“束腰”的现象，也就是中间闭合，两端开口，这是不允许的，不符合生产要求。因此需改进产品，优化设计。但又需节约成本，不更换已有零件。通过对上辊的受力分析研究得出，只需对上辊进行再加工，补偿挠度，改变“束腰”现象，使产品达到生产要求。

4 上辊设计的分析与讨论

三辊卷板机虽然有具体规格，设定了最大卷板厚度和宽度，但是厂家经常需要卷制不同规格的板材，卷制不同规格板材时，由于上辊受力变形而发生“鼓肚”和“束腰”的现象。通过研究上辊的挠度变形，来改变这一现象，达到生产要求，通过 AutoCAD Mechanical软件进行分析，研究上辊的挠度变形，在不更换上辊的前提下，对上辊形状做优化设计。W11NC-6x1600对称三辊卷板机的上辊辊径为Φ150 mm，根据AutoCADMechanical软件的受力分析得出，上辊挠度为1．64 mm。通过测量比对变形量，得出如下的挠度补偿措施:通过减小上辊两端直径，上辊两端实际受力处0～300 m缩小直径为Φ146．5 mm，300～600 mm年缩小直径为Φ148．5mm(见图5)来达到补偿的目的，从而使成上辊受力变形时，加大了辊身两端的挠度，保证了受力面的直线度，使卷制最大规格，以及其他规格板材时，成型板材筒径的圆度、直线度符合生产要求。