实心T型导轨挠曲校直有限元分析

蔺艺辉

摘 要：随着国民经济的快速发展，科学技术的投入也越来越大。目前国外已经实现了T型导轨精确校直的自动化，而国内由于技术原因，仍采用较为落后的人工目测校直，仅能满足中低速T型导轨的需求，通过对T型导轨进行建模仿真，确定了最优压下量程，研究目的是为国内T型导轨制造厂商提供适用于自动校直机的T型导轨校直方法，为T型导轨自动校直机的国产化提供参考。

关键词：T型导轨 建模仿真 最优压 量程 校直方法

中图分类号：TG33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0055-02

随着经济发展与城市化进程加快，城市楼层越来越高，对高速电梯的需求也越来越大，而T型导轨作为电梯的重要部件，其精度要求也越来越高。T型导轨的水平度对电梯升降的速度、舒适度、安全程度有着重要的影响，在T型导轨的机加工过程中，由于诸多加工因素的影响，导轨在期间会发生屈曲变形，因此，校直工序便是T型导轨的最关键的加工工序。

1 T型导轨的概括及现状

1.1 T型导轨概况

T型导轨作为箱式电梯最基础的部件，多以双列或者多列的形式装在电梯轨道上或者横置于隔层间，T型导轨毛坯一般采用Q235A牌号钢材，机械性能，尺寸依据《T型导轨用热轧型钢》标准YB/T 157-1999的要求。T型导轨可以分为三大类，即实心T型导轨、空心T型导轨以及扶梯导轨。实心导轨是通过机械设备加工得出来的，用便于成型的导轨材料经过机械设备加工它的侧长面和连接面而成，其作用是为正在运行的厢体电梯导向，实心导轨的规格按其重量分为：8K、13K、24K等，按照底板宽度有：T50、T75、T82、T90、T127等。

1.2 T型导轨现状

国外部分企业则拥有导轨自动校直、校扭机等较先进的生产设备，以及导轨自动校直线、直线度自动检测机等先进专用设备。

而国内的导轨加工企业主要服务于中小规模的电梯厂商，加工工艺、装备水平相对落后，没有系统的校直设备和精密的校直机构，精校采用半自动人工校直，凭操作人员经验控制校直的进给量。产品直线度和扭曲度通过工人师傅直观和经验测量。激光检测设备只用于成品直线度最终检验。人工校直很大原则上取决于工人师傅的经验和工作状态，校直精度得不到保障，生产能力較低。目前，导轨的精度、直线度均达不到高质量导轨的要求。

2 校直技术现状

2.1 常用校直方法

针对不同的型材可以用不同的校直方法，可以使用的校直方法通常有平行辊校直法、压力校直法等。其中压力校直法是简单实用且易于操作的方法。

（1）平行辊校直法。机身上下安装着两排滚动平行辊，它们交错排列，中心距从一端到另一端递增，导轨从辊子中心距大的一端进入，辊子转动将导轨传动到辊子中心距较小的一端，传动过程中，辊子对对弯曲导轨进行重复压弯校直。

（2）压力校直法。把被校直的工件两端固定或者支撑住，给工件的弯曲处施加压力，当工件变形后的塑性变形量和工件初始挠度相同，则完成了一步校直工序。压力校直主要用于实现条材的校直，其校直精度容易控制，校直方案简单、灵活。

2.2 各种校直机械

校直机械是一种用于使条状型材从弯变直的机加工设备。这些成型材料在不同加工工艺处理的工程中或在后处理、搬运、存放过程中发生横向或纵向的弯曲变形。校直机械根据工作原理差异可划分为以下几类。

第一，反复弯曲式校直机。电梯导轨压力校直理论分析与数值模拟如压力校直机及辊式校直机，这类校直机械是通过校直压头和辊子对有弯曲变形位置的电梯导轨进行不断的挤压修正，直到T型导轨的塑形变形量以及初始挠度相等即结束校直。

第二，拽拉校直机。它是将导轨的一段固定，给导轨的另一端施加一沿着导轨纵向的力，通过力的拉拽作用使导轨内变形的中性层拉直，恢复到和其周围金属纤维的平直度相似或者一致的程度。

第三，拉弯校直机。它同时拥有弯曲辊、校直辊与张力辊，一般情况下也可将一组张力辊组称S辊组，不同的设备弯曲辊与校直辊的数目也可能不同。在校直工序中拉校机可使工件上下表层的扭曲量以及导轨中性层的弹塑性变形量交替产生，从而既可保证生产工艺要求，又可防止板带断裂，增强校直水准。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

通过SolidWorks建立实心T型导轨的2mm初始挠度模型，该导轨用的是T127-B材料为Q235A，然后将其以标准的ACIS文件保存，再用ABAQUS软件将这种模型导入，完成建模。

塑性变形极大值在压点所在截面，沿压点两侧塑性区逐渐减小，最终为零，剩余部分为弹性变形，由于几何连续性，校直变形成线性变化。采用模型为T127-B型实心T型导轨，导轨长度为2m，导轨弯曲曲率为单曲率，初始最大挠度为2mm，位于导轨中点。

有限元模型采用Solid186单元，弹性模量取210GPa，密度为7850kg/m3时经过有限元分析可知，校直行程为12.06mm时，校直后得到最优结果。

3.2 仿真计算

原始最大挠度为2mm的导轨，校正挠度在压点处最大，其校正挠度变形规律与前面的分析一致。校直后的导轨弯曲程度大幅度缩小，但是形式成波浪弯曲，比原始弯曲更为复杂。

通过多次对有2mm Y向初始挠度的T型导轨有限元分析，在导轨顶面的中点附近施加2mm的下压量时所取得的校直效果最佳。

4 结论

根据校直原理，研究了T型导轨校直的塑性变形过程及校直后弯曲形式变化，获得了以下结论。

（1）通过研究导轨弯曲变形与曲率的关系，发现对于给定类型的实心T型导轨，在单步校直过程中，其校直行程由支点跨距与压点处挠度决定。支点跨距一定，则校直行程随导轨弯曲程度的增大而增大；对于同样曲率的弯曲，加大支点跨距，也需要相应增大校直行程才能满足校直要求。由于T型导轨为非对称异型材，因此，中性层位置会随着压下量的增大而发生变化。导轨在侧放时，由于底板宽度较大，塑性变形仅发生在底板两翼，因而校直过程中中性层位置保持不变。

（2）通过对导轨校直弯曲形式变化的研究，发现导轨校直时塑性变形主要集中在导轨上下面压点附近，塑性变形区域校直后挠度变化量与弹区比有关，弹性变形区域则由于几何连续性，挠度变化量呈线性变化。该推论可以作为T型导轨弯曲预测依据。

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