短钢棒矫直机矫直辊系动力学分析

张卓 牛野

北方重工集团有限公司 辽宁沈阳 110141

随着国内刀具制造企业的转型和产品工艺的改进和升级，矫直技术的改进在整个过程中变得越来越重要，特别是在一些短圆柱合金工具钢的矫直中。目前，短圆柱合金工具钢在刀具生产中得到了广泛的应用，如钻头、铰刀、圆柱铣刀等。国内生产厂家大多采用长直杆材料或卷杆材料对短钢条进行拉直，然后对拉直后的钢条材料进行切割，使钢条达到长度要求。该方法矫直的短钢筋精度较低，不能满足质量要求，在剪切过程中容易失去原有的矫直精度。新型自动短棒材矫直机的功能是在进入下一道工序前对柱状棒材进行精密矫直，进一步提高产品的直线度和质量，使经过精密矫直后的产品质量得到了很大的提高。通过理论分析辊之间的接触力在新的自动短钢筋矫直机，矫直辊系统的模型建立了基于ADAMS动力学仿真软件，并结合实验，每个接触点的力15-roll矫直辊系统的进行了分析。

1 矫直原理和矫直辊系系统

国内生产厂家大多采用孔式轮毂矫直机对棒材进行矫直。轮毂上的每个孔型相互交错。在牵引辊和轮毂的驱动下，轮毂内设置的几个孔模具围绕杆件旋转，使杆件可以提前校直。

孔型轮毂矫直机采用旋转反向弯曲矫直原理。旋转矫直是一种全方位矫直。由于棒材的初始弯曲是多向的，棒材由多个弹塑性弯曲矫直单元组成，由交错孔模具形成，使每个截面得到多个后弯，达到一定程度的矫直。同时，杆在轮毂旋转过程中向不同方向弯曲，可以使原曲率向多个方向伸直。当棒材通过孔模时，每个孔模形成多个弹塑性弯曲元件，使棒材的弯曲程度不断由大变小，从而达到所需的矫直精。

目前国内短钢条矫直，由于待矫直钢条的长度和尺寸，不可能采用孔型轮毂矫直机矫直。根据旋转弯曲矫直机的工作原理，采用了一种新型的自动短钢条矫直机。孔式轮毂矫直机与新型自动短钢条矫直机的不同之处在于，前者在轮毂上设置多个孔，使轮毂绕棒材旋转，而棒材不旋转，而后者通过滚轮系统驱动棒材主动旋转。当前者通过牵引辊使杆沿轴线移动时，旋转轮毂内的多个孔模具会旋转并拉直杆，而后者则通过改变压力辊的压降量和压力辊的位置来拉直杆。因此，新型自动短杆矫直机可以从矫直原理上解决轮毂转动和弹塑性弯曲问题[1]。

自动短钢条矫直机可以在线测量和识别参数，并将人工智能相关技术应用于矫直过程的控制。检测装置安装在机架上。当短钢条旋转时，传感器测量多点弯曲脉冲量和对应相位，然后用一定的算法对测量数据进行计算和处理，最终确定弯曲方向和最大弯曲位置。压辊沿短钢条轴向移动到最大弯曲位置，通过计算压头行程得到精确的压量。每次弯曲后，对矫直效果进行跟踪和测试，通过逐渐减少压入量来实现短钢条的矫直。

2 基于ADAMS的辊系动力学仿真

为了进一步验证力学模型的准确性，采用SOLIDWORKS三维工程设计软件对轧辊系统进行结构设计和几何模型的建立。在简化几何模型的基础上，引入ad-ams进行动态仿真，研究了15辊矫直辊系统各辊间接触点的受力情况。

2.1 仿真模型及参数

在模型参数中，轧辊材料为钢材。对于普通材料的摩擦系数，在没有润滑的情况下，轧辊之间的静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.1。定义了各滚子之间的接触，并利用ADAMS自动求解滚子系统各接触点处的力。根据实际约束条件，在每个托辊上增加旋转副，对压力辊施加向下的压力F，对两端的主动托辊施加向下的预紧力F。在两侧的上、下主动滚轮上增加初转速[2]。

2.2 仿真结果分析

辊系A对称分布，接触点B与C、D与G、E与F在辊系中对称分布。仿真结果如图6所示。从图中可以看出，各接触点处的力随时间变化不大，逐渐趋于稳定。辊系对称点的接触力差较小。由于ADAMS仿真中考虑了重力、轴承摩擦等因素的影响，各接触力大小均偏离理论计算值，平均误差为4。7%，内部原因[3]。

3 实验

为了验证仿真结果的可靠性，在自动短杆矫直机上对矫直辊上的电阻应变仪进行了测试。轧辊系统表面的应变片在外力作用下产生应变，通过无线传输将应变转化为电阻变化，再转化为电压变化，最后送入放大器。最后，用标定曲线计算了接触力的大小。

4 结语

（1）以新型自动短棒材矫直机为基础，介绍了15辊矫直辊系统的矫直原理和结构。通过理论分析，以15辊矫直辊系统的接触力、方向角、几何角等参数为研究对象，建立了15辊矫直辊系统的力学模型。通过MATLAB编程，采用迭代计算方法，计算了矫直辊系统各辊间的接触力。

（2）利用ADAMS动力学仿真软件，建立了十五辊矫直辊系统的几何模型，分析了各辊在辊系工作状态下的接触力。由于仿真中考虑了重力、摩擦力等因素，各滚子系统的接触力与理论计算值存在偏差，平均误差为4。在合理范围内，验证了15辊矫直辊系统理论分析力学模型的可靠性。

（3）在自动短杆矫直机上对15辊矫直机之间的受力进行了试验验证。实验结果与仿真结果一致，相对误差小于7%，进一步验证了理论分析和仿真结果的可靠性。分析15辊矫直辊系统中轧辊之间的接触力，有利于轧辊系统的设计和强度校核，有利于轧辊系统的变形分析和优化，为设备的改进提供理论依据。