（机械电子工程专业论文）中厚板矫直机工艺模型开发研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 中厚板辊式矫直机是精整线上保证板材质量的重要设备，在很大程度上决定着板材的 质量水平。而在矫直过程中，矫直工艺模型是保证矫直质量的关键技术。本文以某热轧厂 横切机组中的最新型中厚板十一辊矫直机为研究对象，针对该矫直机矫直的板材规格范围 广而导致模型精度低、覆盖面窄这一缺陷，采用虚拟支点的概念建立新型的矫直机工艺参 数模型，并采用曲线拟合的方法对矫直工艺参数模型进行修正；另外，讨论了l 捍辊位置的 调整对矫直过程的影响。本文主要研究内容包括： ( 1 ) 采用虚拟支点的概念建立了合理的矫直过程的力学模型，考虑板材的受力过程， 将板材作为动态梁分析其在加载、卸载过程中的不同弯曲特点，运用弹塑性变形理论，推 导出矫直机矫直辊作用下板材的压弯挠度与相对曲率之间的关系式。利用该关系式，结合 板材在矫直过程中各相对曲率之间的联系，建立了矫直工艺参数模型。 ( 2 ) 对比分析了三种不同板材压弯挠度的计算方法，并对计算结果进行比较，验证本 文推导的压弯挠度计算公式的合理性。利用曲线拟合得到压下量影响因子，并采用最d , - 乘法拟合出压下量修正函数，从而对本文压弯挠度计算公式进行修正。 ( 3 ) 分析板材在入口矫直辊处矫直过程中的受力状态，建立相应的力学模型，并建立 压弯挠度计算公式的一般表达式。结合生产现场使用的数据，分析l 撑辊位置的调整对整个 矫直过程的影响。 本文通过对中厚板辊式矫直机矫直过程的分析，为实际生产中矫直工艺参数的制定提 供了新的研究方法，同时对调整1 。辊的位置以达到矫直大范围规格的板材提供可供参考的 理论基础，对提高中厚板的生产质量具有重要意义。 关键词：矫直机、压下量、曲线拟合、入口辊调整 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a t er o l l e rs t r a i g h t e n i n gm a c h i n ei sak i i l do fc r i t i c a le q u i p m e n tt oe n s u r et h eq u a l i t yo ft h e p l a t e so nt h ef i n i s h i n gl i n e , w h i c hd e t e r m i n e st h eq u a l i t yl e v e ro ft h es h e e tm e t a lt oal a r g ee x t e n t i nt h ep r o c e s so fs t r a i g h t e n i n g , s t r a i g h t e n i n gp r o c e s sm o d e li st h ek e yt e c h n o l o g yi n e n s u r i n g s t r a i g h t e n i n gq u a l i t y t a k i n gt h e11r o l l e rs t r a i g h t e n i n gm a c h i n eo fs o m eh o tr o l l e rc r o s sc u t s t r a i g h t e n i n gm a c h i n eu n i t a st h er e s e a r c ho b j e c t , a i m i n ga tt h el o wa c c u r a c ya n dn a r r o w c o v e r a g eo ft h ep r e s e n ts t r a i g h t e n i n gm a c h i n em o d e l ，t h ep a p e re s t a b l i s h e san e ws t r a i g h t e n i n g p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sm o d e lu s i n gt h ec o n c e p to ft h ev i r t b a lp i v o tp o i n t ，w h a t sm o r e ，t h em o d e l i sm o d i f i e dw i t ht h em e t h o do fc u r v ef i t t i n ga n dt h ei n f l u e n c eo ft h el # r o l l e r sp o s i t i o ni sa l s o d i s c u s s e d t h en e wm o d e lp r o v i d e sas i m p l ew a yi ns o l v i n gt h es e t t i n go f p l a t es t r a i g h t e n i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h ep a p e r i n c l u d e ： ( 1 ) w i t ht h ec o n c e p to ft h ev i r t u a lp i v o tp o i n t , t h ep a p e re s t a b l i s h e d ar e a s o n a b l e m e c h a n i c a lm o d e lo fs t r a i g h t e n i n gp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h el o a d i n gp r o c e s so ft h ep l a t ea n d t a k i n gt h ep l a t ea sad y n a m i cb e a m ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ed i f f e r e n tb e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep l a t ei nt h ep r o c e s so f l o a d i n ga n du n l o a d i n g u s i n go ft h ee l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r y , ar e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h eb e n d i n gd e f l e c t i o na n dr e l a t i v ec u r v a t u r eo ft h es h e e tu n d e r t h es t r a i g h t e n i n gm a c h i n ew o r k i n gr o l l e ri s d e r i v e d u t i l i z i n gt h eo b t a i n e dr e l a t i o n s h i pa n d c o m b i n i n gt h er e l a t i o n s h i po fd i f f e r e n tr e l a t i v ec u r v a t u r e so ft h ep l a t ei nt h es t r a i g h t e n i n g p r o c e s s ，t h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sm o d e li se s t a b l i s h e d ( 2 ) m a k i n gac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h r e ed i f f e r e n tm e t h o d so fc a l c u l a t i o no fb e n d i n g d e f l e c t i o nf o rp l a t e sa n da c o m p a r i s o no ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t st ov m f yt h ed e r i v e dc a l c u l a t i o n f o r m u l ao fb e n d i n gd e f l e c t i o nr a t i o n a l ；u s i n gc u r v ef i t t i n gt o g e ti m p a c tf a c t o r so fr o l l i n g r e d u c t i o n , a n dm o d i f y i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fb e n d i n gd e f l e c t i o nb a s e do nt h em o d i f i e d f u n c t i o no fr o l l i n gr e d u c t i o nf i t t e db yl e a s ts q u a r em e t h o d ( 3 ) m a k i n gaf o r c ea n a l y s i sd u r i n gt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s so fp l a t e sa tt h ee n t r a n c eo f s t r a i g h t e n i n gr o l l ，e s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a lm o d e la n dt h eg e n e r a le x p r e s s i o n f o r m u l ab e n d i n gd e f l e c t i o n , a n a l y z i n gt h ei m p a c to nt h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sc a u s e db yt h e p o s i t i o na d j u s t m e n to f1 开r o l lc o m b i n e d 、析t hd a t au s i n gi nt h ew o r ks i t e i nt h i sp a p e r , i tp r o v i d e sn o to n l yan e wr e s e a r c hm e t h o df o rs t r a i g h t e n i n gp a r a m e t e r s s e t t i n gi na c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s st h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r o c e s so fp l a t er o l l e rl e v e l e r , b u t a l s oat h e o r yf o u n d a t i o nf o rr e f e r e n c ef o rp l a t e sb ya d j u s t i n gt h ep o s i t i o no f1 群m i l e rt oa c h i e v e l a r g e - s c a l es t r a i g h t e n i n g i t so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n to fp l a t e s k e y w o r d s ：s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ，r o l l i n gr e d u c t i o n ，c u r v ef i t t i n g , e n t r a n c er o l l e ra d j u s t m e n t 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题研究背景 在轧钢工艺中，轧件在轧制和运输过程中受到外力作用、在冷却时温度变化不均及 自身内应力的时效作用，往往会产生各种形状缺陷。例如板材和带材会产生纵向及横向 弯曲、边缘浪形和中间瓢曲以及镰刀弯等【l 】。为了提高轧件的质量，需在矫直机上进行 矫直，以消除这些缺陷。矫直机用于轧钢过程的后部工艺，在很大程度上决定着产品的 质量水平。近年来，随着板材质量要求的不断提高，对矫直机在自动化程度、功能以及 强度和刚度等方面提出了更高的要求。世界上一些技术较先进的制造厂家，如德国的西 马克德马克公司、日本三菱公司等率先研制出了符合要求的新一代高性能矫直机。 在我国，随着钢铁工业的结构调整，中厚板由于具有较高附加价值，已成为各钢铁 企业的发展重点，其产量和质量的要求逐年提高，且其品种规格趋于多样化。为了满足 这些生产要求，国内部分大型中厚板生产厂家均纷纷引进国外先进的矫直设备和技术。 但在实际生产中即使具备先进的设备，由于缺乏有效的控制模型，仍然很难得到理想的 矫直质量，只能够依据现场工程师的多年经验积累来指导生产。 因此，为了能使中厚板的矫直能从理论上指导生产，研发更为有效地矫直模型是非 常有必要的。 1 2 课题来源和研究目的 本课题来源于某热轧厂横切线，这是本世纪新近投产的国内最先进设备之一，机组 均由德国德马克、西马克公司设计，其横切线前后配置两台带上下弯辊的全自动强力冷 矫机，以此来保证板形质量。为了充分发挥设备潜能，积极开发高强度用钢品种，主要 是针对热连轧板材中嘞强度大于6 5 0 m p a 以上的钢种，但是由于横切线机组设计上的原 因，上述品种的生产难度很大，年产量也不过几千吨，在实践中我们逐步发现其自动矫 直模型精度低且覆盖面差，有些设定参数甚至是错误的，不能有效兼顾高强钢矫直力、 内应力和板形的关系，操作者没有可供指导或借鉴的品种规格设定曲线，无统一的参数 选取标准，致使机组卡钢频繁，班产量较普钢降低3 0 以上，这些成为保证质量、提高 产能、扩充高强度新品种的制约瓶颈。 因此针对此现状，通过建立较为合理的矫直机解析模型，对某热轧厂横切生产线上 十一辊矫直机进行了工艺技术改进和优化，获得较合理的压下规程，使钢板获得最小残 余曲率，达到矫直要求；并讨论入口辊单辊调整对大范围规格钢板的矫直过程的影响。 本文的研究可以为矫直理论的进一步发展提供可供参考的研究方法。 1 j 文献综述 1 3 1 国内外辊式矫直机的发展概况 随着钢铁工业和科学技术的不断发展，以及用户对板带材质量要求的提高，辊式矫 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 直技术也在不断地发展，一般按性能、年代粗略地将其分为三代，它们各自的基本功能 和结构特点如下表1 1 所示【4 2 1 。 表1 1中厚板辊式矫直机的发展概况 第一代辊式矫直机技术的发展主要在1 9 世纪末期，当时在英国工业化程度较高，其 钢材产量达到3 0 0 多万吨，各种大型冶金机械设备均已得到非常广泛的应用。第一代辊 式矫直机的典型代表为英国布朗克斯( b r o n x ) 公司生产的7 辊厚板辊式矫直机，该矫直 机能热矫2 5 0 0 m m x1 0 0 m m ( 宽厚) 及冷矫2 5 0 0 m i n x7 5 r a m ( 宽x 厚) 等规格的钢板。其 结构特点如下：该矫直机共有7 个工作辊，3 个上工作辊、4 个下工作辊；3 个上工作辊 可同时升降并由圆形指示盘7 及指针显示其压弯量；同时入口出口端的上辊可以单独 升降以调整压下量，采用手轮6 进行升降机构调整，矫直可往复进行，矫直辊上辊系及 下辊系皆为整体组装、整体拆卸、整体换辊；其结构外形如图1 1 所示。 第二代辊式矫直机：随着用户对钢材品种、质量要求的提高，矫直技术面临着大量 高强度金属的矫直任务。因而在结构上相对于先前的矫直机作了较多的改进，如增加了 矫直辊的数量，支撑由整体式改进为分段式多支撑辊的形式；同时上排矫直辊可前后倾 斜调整，可以很灵活的矫正具有不同缺陷的钢板；部分矫直机的矫直辊可进行预弯，通 过用中间的支撑辊将工作辊压弯，以便有效的消除瓢曲和改善钢板横向残余应力的分布。 第三代辊式矫直机：自热机械控制工艺( t m c p ) 在轧制线上广泛使用后，同时随着钢 板矫直温度降低，用户对高强度钢的需求增加等多种因素，世界上一些著名的冶金机械 制造商，例如德国的西马克德马克公司、日本的三菱重工等陆续研制出“第三代矫直 机，第三代矫直机在结构上形式更加多样化，主要是为了扩大矫直范围，提高矫直质量。 第三代辊式矫直机针对不同的板材，形式更加多样化。对于薄板冷矫矫直机，有德国德 马克& 西马克公司制造多辊薄板带冷矫矫直机，这种矫直机具有动态辊缝调整，压下方 式更为灵活、矫直辊预弯、整体倾斜调整、入出口辊带钢调整等功能；其传动方式也和 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 一般矫直机的传动方式不同，采用单轴驱动代替集中驱动，从而有效的消除负弯矩。还 有有日本住友金属鹿岛厂研制复合式矫直设备( 也称子母式矫直机) ，该矫直机有大辊径 和小辊径两套设备，其中大辊径主要针对厚板板型缺陷的矫直，小辊径主要矫直薄板的 板形板型缺陷；矫直辊还配有弯辊机构，并在大辊径和小辊径之间对薄板施加一定的张 力，可以有效地矫直存在边浪和中浪缺陷的板材【2 3 1 。 图1 1 第一代矫直考l - - b r o n x7 辊矫直机 l - 主传动装置；纠毫座；3 - 机架；争矫直辊；5 - 压下机构：“手轮 7 - 压下指示盘；扎入口导向辊；9 - 导向移动手轮；l o 送料辊 对于中厚板热矫直机，主要制造商有德国的德马克& 西马克公司，英国的布朗克斯 0 3 p o n x ) 公司，日本的三菱重工等；它们的产品是由等辊距，等辊径逐步发展成为变辊 距，变辊径矫直机。变辊距矫直机是加大入口侧的辊距，以减少入口处各辊的压力，使 得各矫直辊受力均匀，避免了等辊距矫直机第三辊断辊事故的发生，同时追求等强度设 计的理想状态，随着矫直力的逐渐减小，向着出口侧逐步也减小辊距尺寸，变辊距的辊 系相对等辊距的矫直辊系大大的缩短了空矫区( 不产生矫直弯矩的区间) ，可以明显的减 轻补矫工作，同时新辊系已采用单辊驱动，可彻底消除断轴事故，变辊径矫直机优点在 于矫直范围广，厚板用大辊径，薄板大小辊径同时矫直，矫直效果明显，但其调整机构 复杂，不易制造、维护且控制复杂；其中变辊距矫直机在我国也已研制成功，如沈阳重 型机器厂制造的变辊距矫直机已经用于马鞍山钢铁公司的h 型钢生产车间。 在辊系方面，其结构形式很多，传统的典型辊系如图1 2 所示。辊系a 是上辊组平 行升降的辊系，主要用于热矫厚板、粗矫板材和在展卷机后平整带材等工作；辊系b 是 两端单独调整，有利于中间各辊加大压下，也有利于两端辊的咬入及提高矫直质量，主 要用于热矫板材；辊系c 是一种灵活性较大的多用途辊系，上辊可以调成平行升降，单 向倾斜和双向倾斜等形式；辊系d 是按线性递减方案压下的板材矫直辊系，整排上工作 辊可以整体升降调整，也可以整体倾斜调整；辊系e 多用于型材矫直，各上辊单独调整， 可采用各种压下方案；辊系厂是四重式矫直辊系，常用于矫直板材，其支撑背辊的作用 有来两个：一是在保持工作辊的刚度，一种是改变工作辊的凸度以消除板形缺陷；辊系 g 是六重式矫直辊系，比辊系厂增加一排中间辊，在矫直表面要求较高的工件时，可隔 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 离辊面压痕的传递，避免在工件表面留下条状暗影甚至痕迹【2 1 。 k 划 口 瓣嘲 煳 图1 2 典型辊系 除此之外，还有变辊距辊系，其特点是加大入口侧的辊距，以减少入口侧各辊的压 力。我国的崔甫教授提出了双交错变辊位矫直辊系【l 】，如图1 3 所示。 i 7 l 一 吒 r五一r 1 r、，r、，、， u岁v，喹过j 丌 6、厂、f、厂 l夕t 岁 一， 少k 乜j f l+ b 一 一 u + 如 0 - ，lh 吩 一1 一 7。， - 气 吖 魄祈狲肌硷k i w 、 i f ： 、4 妒一 埘l 1 吣阱p 一 时。f 哪l l ：f i i i l拉 图1 3 双交错矫直辊系 双交错变辊位矫直辊系主要是为了扩大矫直机的适用范围及缩小空矫区，辊系中2 、 3 ，、4 ，和5 ，各辊为液压恒压支承或在形成连续梁受力时自动卸荷变为零压支承。其恒压是 只能对工件头尾有矫直作用的压力( 仅为连续梁的四分之一) ，同时还可以适当调整上述 辊，因此该辊系不仅可以矫直很小断面的工件，同时可以矫直大型断面的工件，相比变 辊距它更容易调整。 某热轧厂横切线上使用的十一辊矫直机辊系如图1 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图1 4 十一辊矫直机辊系 该矫直机在设备结构上具有如下特点： ( 1 ) 该矫直机采用计算机模型控制，与轧机过程相连结，模型可根据矫直钢板厚度、 宽度、平直度状况及温度来设定辊缝，用数字控制系统精确调整上排矫直辊位置，实现 在线过程的计算机全自动控制； ( 2 ) 在设备上具备高刚度、高强度的矫直机机座，可满足大矫直力条件下的使用， 即在矫直高强度钢板时机架变形小，精度高，从而得到高质量的板材； ( 3 ) 结构上都采用液压安全装置和快速松开装置，保证打开、闭合及咬钢速度的稳 定，并在设备所受载荷过大、卡钢或停电时自动快速松开矫直辊，从而达到保护矫直辊 和传动轴的目的； ( 4 ) 在矫直机入口处装有高压水或压力空气装置，以清除残留在钢板表面的氧化铁 皮，避免氧化铁皮进入矫直辊设备中造成设备的磨损；同时装备快速换辊装置，上、下 矫直辊和支承辊分别装在各自的框架上，通过框架整体的侧向移动，实现快速换辊的目 的，从而减少停产损失。 1 3 2 国内外矫直机的研究现状 尽管矫直技术在快速的发展，但由于矫直过程的复杂性，即板材在矫直过程中发生 多次弯曲和弹复变形，加上压下量较小，同时受到现场生产环境等的影响，使得人们很 难通过实用化的测量仪器来了解矫直过程中的弯曲曲率、压下量和板材内部的变形及应 力变化情况，从而对于揭示矫直过程的认识依然很局限。现有的对矫直过程的分析方法 有两种研究辊式矫直过程主要有两种方法。一种是解析法，即以梁的弹塑性弯曲理论作 为理论基础，做一些适当的假设及简化，建立板材在矫直过程中发生弹塑性弯曲变形时 的力学模型，从而推导出所需的各工艺参数；一种是数值分析法，即将板材分解成为若 干单元，根据板材的边界条件与施加在板材上的加载条件进行求解，得到板材内部任意 一个单元节点处的位移值以及应力应变等参数，通过这种方法来分析在矫直过程中板材 的变形规律，其中最具代表性的是有限元法【4 2 1 。 ( 1 ) 解析法 解析法在矫直分析中的应用已经相当成熟了，我国大部分学者都是把重点放在压弯 量的确定和弯辊模型的建立这两个方面。 在确定压弯量时，传统的计算方法中采用的矫直模型是基于材料力学中梁弯曲理论 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 的简支梁模型，这种方法方便简洁，但是存在很多缺陷，不能准确的反映矫直变形过程。 崔甫在进行压弯量计算时，考虑到仅用简支梁的弯曲挠度值求出的矫直辊压弯量偏小， 于是把残余曲率当作假想外力引起的弯曲曲率来求出另一个挠度，从而对压弯量进行补 充【1 1 。 “零弯矩点 概念的引入使得矫直模型的建立有了新的进展。零弯矩点是指矫直过 程中，作用于钢板上的弯矩从正到负或从负到正转变时的交点，钢板在这一点处的横截 面上，所受的弯矩为零；同时这一点也是相邻矫直辊之间，板材弯曲方向变化的拐点， 如图1 5 所示。 图1 5 矫亘过程中零写矩点的位置 “零弯矩点 这个概念的提出，确定了矫直过程中，钢板弯曲变形时挠曲线的支点 位置。将相邻的两个零弯矩点作为钢板弯曲的支点后，钢板的受力模型可简化为一个受 集中载荷的简支梁模型。东北大学的黄雨华等人采用零弯矩点作为虚拟支点，求出板材 在矫直过程中的弯曲挠度。为了简化计算，取零弯矩点的位置在相邻上、下辊的中点处 【5 1 。北京科技大学的井永水等人利用理想弹塑性材料的矫直曲率与弯矩之间的关系，以 及钢板机械性能的连续性，证明了除入出口矫直辊外板材的零弯矩点在相邻两辊的中 点，并推导了辊式矫直机压下量与矫直曲率之间的关系式【4 】。崔甫和施东成利用零弯矩 点分析并确定了矫直辊的压弯量与挠度的关系，并且提出在计算大挠度压弯时，把残余 挠度与弹复挠度分开计算，将残余挠度作为假想外力作用产生的等效挠度来进行计算 【l o 】。以上几个研究中，为了简化计算将零弯矩点的位置假设在中点，但实际上板材在入 出口处，零弯矩点的位置发生了偏移，并不在相邻两辊间的中点位置，这就导致了计算 中入出口处工作矫直辊的压弯量与实际矫直过程中产生的压弯量不符。此外，这几个研 究都是基于静态的弹塑性弯曲理论对钢板的弯曲变形进行分析，在处理复杂动态的矫直 过程中的钢板弯曲变形时，必然会产生误差。为了解决这些问题，东北大学的周存龙提 出，由于板材在第一辊和最后一辊的外侧无载荷作用，则第一辊与第二辊、最后一辊与 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 倒数第二辊之间的零弯矩点接近于第一辊和最后一辊处，可近似认为零弯矩点就在第一 辊和最后一辊上。同时，相较于传统的矫直辊压弯量及矫直力计算模型是以静态梁为分 析对象，周存龙从动态的角度分析了板材的矫直过程，他考虑了在矫直过程中板材具有 加载与卸载两个不同阶段，并且在加载阶段与卸载阶段板材具有不同的弯曲特点，从而 以面积弯矩第二定律为基础，建立了以板材相对曲率为自变量的矫直辊压下量计算公式 【4 2 】 o 随着弯辊机构在辊式矫直机中的应用更加普遍，我国相应的研究也有一定的发展， 但是弯辊量的确定及弯辊力的计算方面的研究仍然很缺乏。弯辊，是指弯辊机构作用于 矫直辊背面的支承辊，并使矫直辊发生弯曲的行为。弯辊的作用可按照沿板材宽度方向 矫直辊的压弯量是否相同分为两种：一是使矫直辊的轴线保持平直，矫直辊沿板材宽度 方向的压弯量相同，这种弯辊的作用在本质上是为了抑制矫直辊在矫直过程中发生挠曲， 从而使板材纵向纤维的拉伸不同，导致的矫直质量降低；二是根据工艺，要求正、负弯 辊或使矫直辊呈横向倾斜，矫直辊沿板材宽度方向施加不同的压弯量，轴向辊缝沿板材 宽度方向大小不同，这种弯辊主要用于减少或消除板材中中浪、边浪及瓢曲等板型缺陷。 这里，正弯辊为使板材中部受到较大的延伸变形时的弯辊方向；负弯辊为使板材边部受 到较大的延伸变形时的弯辊方向。对于弯辊的第一种作用，在这方面的研究比较成熟， 日本学者通过大量的研究与实验，得出结论：我们可以通过人工对矫直辊上的支承辊施 加不同预紧力，使矫直辊发生一定程度的正弯曲，以此来提高矫直辊横刚度，并且保证 矫直辊轴线平直，使矫直辊压弯量趋于均匀。对于第二种针对板型缺陷的弯辊，如何确 定其弯辊量，目前相应的研究还较少。东北大学的周存龙提出将板材在辊式矫直机矫直 辊作用下的弯曲，假设为由压下机构作用的弯曲和弯辊机构作用的弯曲共同作用的结果， 这样就可以对弯辊作用下板材的变形进行单独分析；同时提出板宽内各纵向纤维总变形 曲率相同的原则，确定弯辊后板材的最大总变形曲率，进而得到弯辊量、弯辊力，从而 建立较为全面的弯辊解析模型【4 1 】【4 2 1 。另外，北京科技大学的农大一对德国西马克德马 克公司生产的矫直机弯辊功能和弯辊结构分析的基础上，对空载弯辊控制模型作了一定 的研究，在研究工作中，借助相对挠度法，根据工作辊的力学模型建立了上辊系弯辊力 的控制数学模型【3 5 1 。 此外，关于解析法的研究还有以板材断面上弹性变形区高度作为主要变形参数的研 究、利用板材弯曲曲率的几何关系求解对矫直过程的分析、矫直辊与板材的接触点位置 对矫直过程的影响、矫后板材的残余应力分析等诸多方面。 ( 2 ) 有限元法 很明显的，前面说的解析法都是从弹塑性力学理论基础出发，进行一定的假设和简 化，能够达到一定的计算精度。但是，实际情况是复杂的，由于板材在矫直过程中的弯 曲变形非常复杂，利用解析法描述矫直变形过程难度较大，同时引入过多的假设条件和 简化，这将导致解析计算的精度误差较大，难以满足实际生产的需要。在实际生产中， 一部分自动矫直机是根据长期积累矫直各种不同规格、不同材质零件的经验数据，并建 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 立庞大的数据库，从而控制矫直行程；另一部分自动矫直机中，则是利用大量的经验数 据来推导经验公式，根据这个公式来计算矫直行程。然而矫直行程会因为工件的几何结 构、材料性能等因素的不同而发生改变，这两种方法都很难实现，适用范围也有限。 近年来，随着计算机技术的高速发展与普遍应用，有限元分析法已经在各行各业中 应用得非常广泛，越来越多的学者开始使用有限元软件来仿真分析工件的轧制过程，也 有不少人利用有限元法对矫直机的矫直过程进行仿真分析。北京科技大学的刘鹏采用零 弯矩点将钢板在矫直过程中的弯曲简化成一简支梁模型，利用相关的有限元软件模拟了 该简支梁受载后的弯曲，用点的垂直位移拟合曲线，得到弯曲曲率与压弯挠度的关系【1 3 1 。 燕山大学的李学通等人采用弹塑性有限元法建立了中厚板矫直过程的动态有限元分析模 型，并用平行辊式十一辊矫直机采用不同的矫直方案来矫直不同厚度板材的矫直过程进 行了有限元模拟计算，给出了在矫直过程中板材的应力场、应变场以及各矫直辊的矫直 力分布【3 8 】。北京科技大学的高燕则利用有限元软件，建立在辊式矫直机上h 型钢矫直时 一个矫直单元的有限元模拟仿真模型，分析了典型规格的h 型钢矫直时断面畸变及其主 要影响因素和影响规律【蚋。东北大学的周存龙利用显式动力学有限元分析软件对矫直过 程进行模拟计算，通过对不同状态下的矫直仿真分析，得出板材在前端、后端、边部以 及中部的相应特征，压弯量对板材沿厚度及长度方向塑性变形的影响规律，板材不平度 的分布规律等结论【4 2 1 。 有限元法在矫直过程的模拟计算中，不足的一点是在建模时采用的都是未发生弯曲 的板材，而实际的矫直过程中，板材都是有一定弯曲及板型缺陷的，这个方面有待改善。 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) 分析板材在矫直过程中的受力状态，利用零弯矩点建立合理的矫直过程的力学 模型。运用弹塑性弯曲变形理论，结合板材在加载与卸载状态下的不同弯曲特点，推导 出矫直机工作辊压弯挠度与相对曲率之间的关系。并结合矫直过程中的各相对曲率变化 关系及各辊压下量的几何关系，建立矫直工艺参数模型。 ( 2 ) 对比分析三种不同压弯挠度计算方法，验证本文建立的矫直工艺参数模型的合 理性。利用二次曲线拟合出与实际矫直过程相吻合的曲线，通过建立模拟压下量与矫直 工艺参数模型计算的理论压下量之间的联系，计算压下量影响因子，并采用最小二乘法 拟合出压下量修正函数，从而对矫直工艺参数模型进行修正。 ( 3 ) 分析板材在入v i 矫直辊处矫直过程的受力状态，建立相应的力学模型，分析l 弹 辊位置的调整对矫直过程的影响，并结合压弯挠度与相对曲率间的关系分析1 # 辊的位置 调整后l 撑辊与2 样辊处板材的相对反弯曲率变化，从而得出1 撑辊位置的调整对整个矫直质 量的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 平行辊式矫直机矫直工艺模型 2 1 辊式矫直机矫直原理概述 辊式矫直机是连续性反复弯曲的矫直设备，其工作原理是利用交错布置的若干个相 互平行的矫直辊，按一定的压下方式( 大变形或小变形方式) ，对轧件进行连续反复压弯 矫直，最终达到矫直的目的【。其理论基础就是金属材料的弹塑性理论，即轧件在发生 弹塑性弯曲变形后，弹性变形恢复，而塑性变形保留，弹复后所残留的弯曲程度会逐渐 减小而趋近于零值，即达到矫直的目的。所以辊式矫直机应至少具备以下两个基本特性： 第一是具有相当数量交错布置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；第二是压弯量可以调整， 即针对不同缺陷的板材设定不同的压下规程。 本文主要以武钢二热轧横切线组的2 群矫直机为研究对象，2 舟矫直机为十一辊平行辊 式矫直机，由于钢板的矫直过程是一个相当复杂的反复弹塑性变形过程，且没有实用化 的测量残余应力的仪器，人们对于揭示板材在矫直过程的变形规律仍然很局限。尽管如 此，仍可以定性的从弯曲曲率半径的角度来阐述辊式矫直机的整个矫直过程。 图2 1 表示了原始曲率半径为o 士r o 的轧件在辊式矫直机上的矫直过程【3 】。 图2 1 辊式矫直机的矫直过程 ( 1 ) 轧件通过第一辊子后无变形，因此，进入第二辊的原始曲率不变，仍为0 士，o 。 ( 2 ) 轧件进入第二辊的原始曲率为o 士托，对于1 厂o ( 上凸) 部分，第一次受到弯曲， 被反向弯曲到1 庇。反向曲率l 庇的数值，是根据使上凸辊的1 弯曲部分得到矫直的 原则选择的。所以，经第二辊后，+ l 弯曲部分被矫直，即曲率为+ 1 俩变为零。 对于1 ，0 ( 下凹) 部分，它受到同向弯曲，弯曲变形很小，只有弹性变形，所以1 ，o 被同向弯曲到l 见。卸载后又弹复到原始曲率1 ，o 。 轧件原来平直部分进入第二辊后，也被弯曲到1 晚。当离开第二辊卸载弹复后，产 生残余曲率1 忆，如上图所示。 ( 3 ) 轧件进入第三辊的原始曲率为0 ，o ，对于1 ，o 部分，被第三辊反弯到曲率1 西。 第三辊的反弯曲率1 历是根据1 的弯曲部分得到矫直的原则选择的，它在数值上与第 二辊的反弯曲率l 见相等，而方向则相反。所以，经第三辊后，1 弯曲部分被矫直， 曲率由1 变为零。 但轧件通过第二辊已被部分矫直，进入第三辊时，也被弯曲到1 仍。当离开第三辊 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 卸载弹复后，产生残余曲率+ l ，3 。因此，经第三辊后的残余曲率，即为进入第四辊的原 始曲率。 ( 4 ) 轧件进入第四辊的原始曲率为l r 3 ，第四辊的反弯曲率1 佃根据矫直+ l r 3 的原则选择，故经第四辊后原始曲率+ l 厂3 弯盐部分被矫直而原始曲率等于零的部分，又 被弯曲到1 p 4 。卸载弹复后，则产生残余曲率- l r 4 ( 5 ) 轧件进入第五辊的原始曲率为l 厂4 ，用同样的方法分析，经第五辊后，原始 曲率1 ，4 被矫直，而原始曲率为零的部分则产生残余曲率+ l r 5 。 以后各辊用同样的方法分析进行矫直，由上述矫直过程可得出以下结论： ( 1 ) 由于进入矫直机的轧件原始曲率具有一定范围，在矫直时，将得不到完全平直 的轧件，只是将轧件的残余曲率的变化范围逐渐变小。由于轧件的残余曲率愈来愈小， 经第( n - 1 ) 个辊子弯曲后，轧件的残余曲率趋近于零。矫直辊越多，轧件就矫得越直。但 辊子数目是有限制的，所以，在辊式矫直机上得不到理想的矫直，只能使轧件曲率的不 均匀性逐渐减少到一定程度。 ( 2 ) 各辊子下的反弯曲率是根据进入辊子的最大原始曲率确定的，此最大原始曲率 在数值上等于上一辊轧件的最大残余曲率。由于残余曲率亦相应地减小。由此可知，在 最初几个辊子上，反弯曲率较大，轧件弯曲变形较剧烈，可以认为轧件在这几个辊子处 是纯塑性弯曲。以后各辊子的反弯曲率逐渐减小，在最后几个辊子处，轧件弯曲变形最 小，可认为是纯弹性弯曲。 ( 3 ) 若在第二个辊子和第三个辊子上采用较大的反弯曲率，其值远大于弹复曲率， 使轧件各部分都产生较大的弹塑性变形，这就可使残余曲率的变化范围迅速减小，即所 谓采用大变形方式进行矫直。在第四个辊子后，采用小变形方式( 反弯曲率等于弹复曲率) 进行矫直。这种矫直方法，可以用较少的辊子而达到一定的矫直质量，使矫直机结构简 单。如果矫直机辊数一定时，则可提高轧件的矫直质量。 2 2 弹塑性弯曲的基本概念及板材的矫直方案 在平行辊式矫直机中，板材的弯曲变形主要是由弯矩所产生的正应力引起的，剪应 力产生的影响小到可忽略不计，故可认为板材仅承受纯弯曲。因此，在板材的弹塑性弯 曲中，仍可以应用弹性弯曲的平断面假设。为了简化板材的弯曲分析，引入以下假设条 件： ( 1 ) 忽略板材沿宽度方向的变形对弯曲变形的影响； ( 2 ) 忽略板材沿厚度方向的变形对弯曲变形的影响； ( 3 ) 忽略矫直过程中，板材与矫直辊间的摩擦对材料变形的影响； ( 4 ) 忽略矫直速度对材料屈服强度的影响； ( 5 ) 材料符合v o nm i s e s 屈服条件。 2 2 1 板材在弹塑性弯曲中的应力应变关系 对于理想弹塑性材料，当板材断面高度为h 时，板材在矫直过程中发生弹塑性弯曲 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 时，通常可将其弯曲变形分为两个区域【l 】，如图2 2 所示： ( 1 ) 弹性变形区日：板材弯曲中弹性变形是从零值到弹性极限值的全部变形内容。 在外力矩的作用下，板材中发生弹性变形的纤维部分，其应变与应力呈线性关系，其弹 性极限应力为a j ，其相应的弹性极限应变值为铲研值，式中e 为弹性模量；当外力矩撤 去时，板材中发生弹性变形的纤维部分会在弹性内力矩的作用下全部弹性恢复。 ( 2 ) 塑性变形区：板材弯曲中弹塑性变形是超过弹性极限后到工件便曾最大变 形值的全部变形内容。在这个区域内，应力值保持研不变，应变值继续增大到铝当外 力矩撤去后，板材发生弹复，其弹复变形量为昂，残余变形量为昂。 。s r 国 一l a ta d 2口p j 一、j i 冬6 、 6g 趣 0 | i _ 7k 赶 。-，。 p n 髫2 a n i 图2 2 理想弹塑性弯曲应力与应变分布模型 2 2 2 板材在弹塑性弯曲过程中的曲率 板材的矫直过程就是一个反复弯曲的过程，可以用其曲率变化来描述，如图2 3 所 示。 ( 1 ) 原始曲率1 佃：原始曲率是板材在初始状态下的曲率，原始曲率的方向用正负 号表示，矫直过程中，原始曲率的方向与反弯曲率的方向相反时，其符号相同；反之， 其符号相反。 ( 2 ) 反弯曲率l 风：反弯曲率是板材在外力的作用下，发生弯曲后的曲率。 ( 3 ) 总变形曲率1 枷总变形曲率是原始曲率与反弯曲率之和，即 上：土+ 土 ( 2 1 ) 一= 一+ 一 i _ - p l p qp 。 ( 4 ) 弹复曲率l 风：弹复曲率是板材发生弹复时的曲率变化量。 ( 5 ) 残余曲率1 胁：残余曲率是板材弹复后的曲率，当板材被矫平时，其值为零。 土：上一一1 ( 2 2 )一= z - p ，p 。p y ( 6 ) 弹性极限曲率l 协：板材表层纤维达到弹性极限变形时的曲率值。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 土：等 ( 2 3 ) 一= - 二j - p t e i 式中尬为弹性极限弯矩，e 为板材的弹性模量，j 为板材横截面的截面系数。 图2 3 板材弯曲时的曲率变化 为了方便分析，定义：各曲率与弹性极限曲率1 他的比值为各曲率的相对曲率值， 如相对总变形曲率为q = n 忱。与上述曲率对应，其相对曲率值分别为：相对原始曲率 岛、相对反弯曲率g 、相对总变形曲率c h 相对弹复曲率g 、相对残余曲率c ，。相应 的，各相对曲率间的关系为：c l = 白+ c 1 w 、c ，= c 0 一c v 。 2 2 3 板材在弹塑性弯曲过程中的力矩及曲率方程 从图2 2 中可看出，距中性层z 处的应变为：岛彳锄。由此可知板材的表层应变为： 6 = h 2 p b 弹性变形区高度为：凰= 2 蜀应= 2d 应腰。 定义h 胆伪弹区比，有相对总变形曲率与弹区比的关系为：乒1 c r o 由于板材发生弹塑性变形时，其外力矩与断面上应力引起的内力矩平衡，依据静力 矩平衡条件可得出板材外力矩m 为： m = m ，( 1 5 0 5 f 2 ) = m ，( 1 5 0 5 c 2 ) ( 2 4 ) 由于板材的弹复变形属于纯弹性恢复过程，故其应力与应变的关系为线性关系，因 此可得到： 一1 ：丝 ( 2 5 ) 一= z1 - p 。 e l 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 因为弹复力矩与外力矩相等，故可得到曲率方程： 上：等( 1 弘0 5 g 2 ) ( 2 6 ) p v e i 、 一 、 相对弹复曲率为： q = 1 5 - 0 5 c z 2 ( 2 7 ) 由以上可知，当己知钢板的原始曲率时，只需要确定其反弯曲率，即可得到总变形 曲率，再计算出弹复曲率，就能确定最终残余曲率。 2 2 4 平行辊式矫直机的矫直方案 矫直方案根据变形程度分可分为小变形矫直方案和大变形矫直方案两种。小变形矫 直方案是在每次矫直中消除板材在上一辊产生的最大残余曲率，适用于各辊单独可调的 辊系。大变形矫直方案是尽量使第三辊处的残余曲率差减小的方案，其调整方式有两种： 一种是线性递减方式，即使第二辊到倒数第二辊的压下量按线性递减方式分布，倒数第 二辊的反弯曲率一般采用弹性极限曲率；另一种是最小残差递减方式，这种方式在第二、 三辊处采用较大压下量，使板材的弯曲方向一致，且残余曲率差达到最小，之后各辊按 线性递减方式分布。 由于需要矫直的板材一般具有大小、方向均不同的多种原始曲率，即为双向弯曲， 故中厚板辊式矫直机一般采用采用大变形矫直方案。本文的研究对象为十一辊平行辊式 矫直机，其上排辊可整体倾斜调整，故可确定为线性递减方式压下。由于压下量呈线性 递减方式分布，出口辊压下量可根据弹性极限曲率来确定，故入口辊处压下量的选择将 直接决定最终矫直质量。 2 3 矫直工艺模型的建立 矫直工艺参数模型是保证矫直质量的关键技术。目前，中厚板矫直机为了适应大范 围规格产品的生产，多采用矫直辊单独可调的结构型式，这使得工艺参数模型的设定变 得更加复杂，难以保证所有规格产品的矫直质量。传统矫直理论【l 】通常采用曲率的变化 来描述钢板的矫直过程，利用最终残余曲率表征矫直质量。而在实际生产中，是通过设 定矫直机工作辊的压下量来控制钢板的矫直质量。由于工作辊压弯挠度