（机械设计及理论专业论文）辊式矫直机有限元仿真及1辊对板材矫直质量影响研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，随着工件加工自动化程度的提高，客户对板材平直度精度要求越来越高。辊 式矫直机是保证板材平直度、降低板材残余应力的重要设备。 本文以武钢热轧总厂二分厂精整横切线的十一辊矫直机为研究对象，对该矫直机的设 备结构作了简要介绍，阐述了辊式矫直机的矫直原理。以弹塑性弯曲变形理论为基础，通 过引用一些假设条件，并将板带的零弯矩点看作虚拟支点，将板材简化为简支梁，从而建 立起更加准确合理的板材矫直模型，推导出矫直机各辊压下量与反弯曲率的关系，并根据 该辊式矫直机的调整特点，确定各辊压下量以及各辊处板材的各种相对曲率。 根据该矫直机的结构工艺参数，利用显式动力学有限元软件a n s y s l s d 、i a 建立了 矫直机有限元模型，对板材的矫直过程进行动态有限元仿真，分析板材矫后残余应力及平 直度的情况。 运用曲线拟合的基本思想，分析1 4 辊压上量的改变对2 4 辊处相对反弯曲率产生的影响， 得出1 “辊压上量的改变使得1 4 辊与2 捍辊间零弯矩点的位置发生了变化，使2 4 辊处产生最大相 对反弯曲率。运用建立的有限元模型，分析比较不同的1 “辊压上量所对应的板材矫后残余 应力和平直度，发现在设定好上排辊的压下规程后，适量地改变1 8 辊压上量可以提高板材 整体质量，为实际生产提供了理论依据。 关键词：辊式矫直机、动态仿真、残余应力、平直度、曲线拟合 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lm ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o ni i lw o 却i e c e sp r o c e s s m g ，m ec u s t o m e r sh a v e i 1 1 c r e 舔e dt 1 1 e i rd e m 缸1 d sf o rm ef l a t i l e s st o l e r a n c eo fp l a t es i l l c es e v e r a ly e a r s r 0 1 l e r s 缸a i g h t 即i i l gm a c 陆1 ei st h ec r i t i c a le q u i p m e n tw i l i c hi su s e dt o 到【a r a n t e em es 仃a i 曲- 恤e s so f s t e e lp l a t ea i l de l i m i n a t et h er e s i d l l a ls n e s s n l ep a p e rt a 】k e s1 1r o l l - 咖es 仃a i g h t e i l i n gm a c l l i n e 、) 1 7 1 i l i c hi sl o c a t e di nt l l en u i 】曲e r2h o t r o l l 堍m i l lo f m s c o a sm eo 场e c to f 也e 咖d y ，咖e sab r i e f i n 缸d d u c t i o nt om es 仃u c t u r ea 1 1 d m em e o r yo fs 臼缸g h t e i 血gm a c h i n e b y 嬲岫gp l a c es t e e l2 u sas i i n p l ys u p p o m db e 锄m o d e l a n dt a ：凼gz e r 0m o m e n tp o i ma sav i l 知mp i v o t ，也ep a p e r ，w b i c hi sb a s e do n l e l e o 巧o f b e n d i n go fe 1 嬲t i cd e f o m a t i o i l ，a i m st oe s t a b l i s hm o r er e 嬲o n a b l es n 面g h t e rm o d e la n dg e t a c c u r a t er o l l i l l gr e d u c t i o n 蛐gm es 臼面g h t e l l i n gp r o c e s sm e no b t a i n st 1 1 er e l a t i o n s l l i pb e 铆e e n m ei n t e n n e s ho fe v e r yr o l la n da n t i - b e n d i i 培r a t e f i i l a l l y w ed e t e m 血et h e 血e m e s ho fe v e 巧 r 0 ua i l de v e 巧r e l a t i v eb e n d i i l gr a t eo fp la = t e sa te v e r yr o ua c c o r d i n gt om ec h a r a c t e r i s t i co ft l l e r o l l 铆es 仃2 l i g h t e i l i i l gm a c l l i n e a c c o r d i i l gt o 吐屺p r o c e s sp 舢t e r so fs 砌g h t e 凼n gm a c h i n e ，m e3 - dd y n 锄i cf h l i t e e l e m e n tm o d e lo f 1 es t e e li i ls 把l i 龇1 1 i n gp r o c e s si se 蛐l b l i s h e db ye x p l i c i td y n 锄i cf e m s o 行啪r ea n s y s l s d y n a ，趾d 也e r e f o r et 1 1 er e s i d l l a ls 住e s sa n df l a ：虹1 e s so ft 1 1 ep l a t ec a i lb e 砌y z e d b yu s i l l g l e i m 也o do fc u r v ef i 他g ，m ei i l f l u e n c eo fm ec h a i l g eo f1 8l e v e l e r r 0 1 1 e r i 1 1 t e m e s ho nt h e 趾t i - b e r l d i i l gr a t eo f2 4r o ui sa i l a j y z e d ，t 1 1 e nw eo b t a i l l 廿1 er e s u l tm a tt 1 1 e l o c a t i o nz e r 0m o m e n tp o i n to fb e 锕e e n1 撑r o ua n d2 撑r o l li sc h a i l g e d 硒t 1 1 ec l m g eo f1 41 e v e l e r r o l l e ri n t e 如1 e s h 、) l ，：b i c hr e s u ni 1 1t h el o c a t i o no fm a x i i 】m mr e l a t i v ea i l t i _ b e l l d i n gc u l er a t e 印p e a r a t2 撑r 0 1 1 b a s e do nm ec o m p a r i s o no fr e s i d 砌s 仃e s sa n df 1 咖e s su 1 1 d e rd i 饿r e n t1 ”l e v e l e rr o l l e r i n t e m e s h ，也ei r i f h l e n c eo ft h ei n t e m l e s ho n 也eq u a l 时o f 也er o nc a l lb ec o n c l u d e dw i l i c h p r o v i d ea 也e o r 砸c a lb 嬲i sf o rp r a c t i c a lp r o d u 而o n 趾di l p r 0 v em e 删i 够o f t l l ep l a t e k e y w o r d s ：s 臼面出e i l i n gm a c h i n e ，i l y 删cs i m u l 撕o n ，r e s i d u a ls 仃e s s ，n a 缸l e s s ，c u r v e f i t t 吨 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 金属板带材在轧制、锻造、挤压、拉拔、运输、冷却及各种加工过程中常因外力作 用，温度变化及内力消长而发生弯曲或扭曲变形，产生纵向及横向弯曲、边缘浪形、中 间瓢曲以及镰刀弯等n 3 。为了获得高质量的平直板带材，必须使板带材纵向纤维或纵向 截面由曲变直，横向纤维或横向截面也由曲变直，即对板带材进行矫直。矫直机是保证 板材平直度精度、消除板材残余应力或使残余应力重新分布的重要设备，决定着板材的 最终板型和质量，广泛应用于精整车间。 近年来，经过钢铁工业的结构调整，我国的钢铁工业发展迅猛，特别是中厚板的生 产，出现了多样化的品种规格并且产量和质量也在逐年提高。但随着工件加工自动化程 度的提高，用户对板材的平直度精度要求也越来越严格，如厚度为4 1 0 r i u l l 板材的平直 度精度要求已经从之前的1 0 m m m ，提高到了5 衄m ，甚至达到了3 m m m 【2 】，特别是 1 9 7 5 年以后，t m c p ( 1 k n l l om e c h a m c a lc o n 仃o lp r o c e s s ) 技术在该行业得到了广泛应用， 矫直设备受板材矫直温度的降低、材料屈服强度的提高等多种因素的影响，在强度、刚 度以及其功能和自动化程度等方面提出了更加严格的要求。因此，德国西马克( s m s ) 、 日本三菱等世界上先进的制造厂家为满足这些性能要求率先推出了新一代矫直机。而我 国国产矫直机由于核心技术积累不够，同类型的设备与国外的先进设备相比较，在矫直 效率和板材矫后平直度精度上都有一定的差距，无法满足工艺要求和客户需求，这使得 国内一些大型厂家不得不花巨资从国外引进先进的矫直设备和技术。 因此，为了促进我国矫直工艺的发展，缩小同国外先进矫直技术的差距，对矫直机 进行研发是很有必要的。 1 2 课题来源和研究目的 本课题来源于武钢二热轧厂2 2 5 0 精整横切线，该横切线前后配置了两台全自动强力 冷矫机，这两台冷矫机均配有弯辊机构来保证板形质量。但是由于该横切线机组设计上 的原因，该机组设备没有充分发挥它的的潜能，特别是在针对材料屈服强度仍大于 6 5 0 m p a 以上的高强度用钢品种的生产上难度很大且年产量低( 不足几千吨) ，并且该机 组在实际的生产实践中自动矫直模型精度低且覆盖面差，由于没有统一的参数选取标准， 有些参数的设置不合理甚至是错误的，也没有可供操作者借鉴的品种规格设定曲线，因 此该机组无法有效地兼顾高强钢内应力、板形以及矫直力的关系致使卡钢频繁，产量降 低，班产量比普钢要低3 0 以上，这些都成为扩充高强度新品种、提高产能、保证质量 的制约瓶颈。 针对此现状，对武钢二热轧精整横切生产线上十一辊矫直机进行工艺技术改进和优 化，将板材的残余应力控制在一定的范围内，或者使钢板的残余应力分布均匀，提高板 材的平直度精度，从而切实保证高质量快节奏的生产需求，已成为厂家急需解决的问题。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 国内外辊式矫直理论的研究现状 板材在辊式矫直机的矫直过程中会发生多次的弯曲和弹复变形，过程十分复杂，而 且板材在矫直的同时也会受到外部现场环境等的影响，人们很难直接或者利用测量仪器 等工具间接了解板材在矫直过程中的内部变形、应力变化等情况。因此，研究辊式矫直 模型的基础是对矫直过程的研究，即探讨板材在矫直过程中材料变形与弯曲曲率之间的 力学关系、各弯曲曲率之间的几何关系以及弯曲挠度与弯曲曲率之间的关系，将从理论 上建立的这些关系与实际矫直过程中板材弯曲所存在的关系进行比较，它们的符合程度 决定了所建立的矫直模型的完善与否【2 l 】。 目前，研究板材辊式矫直过程的方法主要有两种。第一种是解析法；另一种是数值 仿真法，其中以有限元法最具代表性。 1 3 1 解析法 解析法，它是以材料力学中梁弯曲理论为基础，通过一些合理的假设，将矫直模型 简化成熟悉的简支梁或者其它模型，建立板材在矫直过程中发生弹塑性弯曲变形时力能 参数与几何参数以及其它几何参数之间的解析关系式，从而求解所需的工艺参数。 用解析法分析板材的矫直变形过程，主要是按照板材在矫直弯曲过程中的参数、矫 直辊的位置与形状对矫直的影响等几个方面去分析。 ( 1 ) 研究板材半断面上弹性变形区高度 板材的弯曲程度可以通过板材半断面上弹性变形区的高度反映出来。 早在2 0 世纪前期，前苏联的采利柯夫教授等人就以梁弯曲理论为基础，采用伯努利 平断面假设，并假设第二、三辊下板材所受弯曲力矩为纯塑性弯曲力矩，出口端除最后 第n 辊以外的三个辊子下面的板材所受弯曲力矩为纯弹性弯曲力矩，其余辊子下板材的 弯曲力矩等于上述两个弯曲力矩的平均值，从而建立了弯曲力矩m 关系式。在此基础上， 前苏联专家确定了板材总变形曲率与半断面上弹性变形高度之间的关系，利用板材内外 力矩的平衡关系，完善了板材半断面上弯曲力矩m 的关系式【4 】： 肛譬b ( 鲁圳 ， 式中呱一屈服强度；6 一板材宽度；办一板材厚度；靠一屈服应变；1 p ，一总变形曲率。 ( 2 ) 研究板材弯曲曲率的几何关系 2 0 世纪7 0 年代，日本学者荒木甚一郎将板材在矫直过程中所受载荷假设为集中载 荷并忽略材料的加工硬化现象，如图1 1 所示，利用板材在矫直过程中弯曲曲线的顶点 。，及相邻两个拐点只小。、# ，j + 。的坐标，得到曲线顶点处的曲率半径只通过求解力矩 的平衡方程得到板材受到的弯矩，根据板材横截面上的某一点在不同曲率中的位移差求 得应变啪3 。此后，他又研究了矫直辊的辊距对板材变形的影响，得出板材的原始曲率越 大，矫直辊的压下量也就越大；当板材的原始曲率不大时，矫直辊的压下量不如辊距大 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 小对板材矫直后质量的影响大口9 l ；接着，他又分析比较3 辊、5 辊及7 辊矫直机的矫直 过程，得出7 辊矫直机可使板材矫后的平直度精度最高臼们。 图1 1 板材某段沿矫直方向弯曲示意图 ( 3 ) 研究板材与矫直辊的接触点位置 2 0 世纪9 0 年代，日本学者用田浩次等认为辊式矫直机矫直辊与板材的接触点位置 及相互之间的距离也是影响矫直过程中板材弯曲的因素之一。他通过板材的横截面转角、 矫直辊辊距计算出相邻两接触点间的距离，然后利用矫直辊的压下量和板材横截面转角 计算得到接触点之间的弯曲挠度，从而得到板材在矫直过程中的弯曲曲率和矫直力等性 能参数。通过试验对比，发现这些计算值与实测值存在一定的差距【3 2 ，3 3 ，3 4 1 。 图1 2 矫直辊与板材的接触点 日本学者比蘸刚志等计算了在矫直辊与板材的接触点间距离是固定的和变化的两种 情况下各矫直辊处板材的弯曲曲率，得到以下结论：对于厚度一定的板材，接触点之间 的距离对弯曲曲率值的影响随着矫直机入口压下量的增大而变大；而随着板材厚度的减 小，接触点之间的距离对弯曲曲率的计算值的影响也加大【3 5 3 6 1 。 ( 4 ) 零弯矩点的研究 零弯矩点是指在矫直过程中，作用在板材上的弯矩从负到正或者从正到负转变时的 交界点，板材在这一点处的横截面上受到的弯矩为零，同时该点也是板材在相邻矫直辊 之间弯曲方向变化的拐点，如图1 3 所示。 l 舅 y o 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 3 矫直过程中零弯矩点的位置 黄雨华等人采用零弯矩点作为虚拟支点，建立新的板材受力模型，求出了板材在矫 直过程中的弯曲挠度【5 1 。崔甫同样采用零弯矩点作为虚拟支点，分析并确定了入出口处 矫直辊的压下量与挠度的的关系、中间矫直辊的压下量与挠度的关系【6 1 。井永水等人证 明了除入出口矫直辊外，板材的零弯矩点在相邻两矫直辊的中点，并在此基础上推导了 辊式矫直机矫直辊压下量与矫直曲率之间的关系式 7 】嘲。 ( 5 ) 压下量的确定 付文祖通过材料力学中梁弯曲理论【9 】得到： 万：婺 ( 1 2 ) 4 励 、7 刘怀政在对板材作简支梁假设、悬臂梁假设和纯弯曲理论假设后，依据大变形矫直 理论，用悬臂梁的挠度来确定压下量【1 0 】： ，r ，2 艿= 4 4 4 里 ( 1 3 ) 1 2 励 式中e 一板材的弹性模量，矫直辊辊距。 崔甫利用零弯矩点理论，分析并确定了矫直辊的压下量与挠度的关系，并且提出在 计算大挠度压弯时，把弹复挠度与残余挠度分开计算，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，得到压下量公式【l 】 州q + 鼍掰) 篙 ( 1 4 ) 式中c ，一弹复曲率与屈服曲率之比； c ，一残余曲率与屈服曲率之比。 ( 6 ) 弯辊机构的研究 弯辊机构现在已经普遍应用于先进的辊式矫直机中，但是关于弯辊量和弯辊力的计 算，目前国内外还很少有资料去介绍和研究。弯辊是指作用在矫直辊背面的支承辊，它 可以使矫直辊发生弯曲，已达到特定的工艺需求。辊式矫直机中弯辊的作用可以按照矫 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 直辊沿板材宽度方向上的压下量相同与否分为两种，如图1 4 所示。 一种是使矫直机矫直辊的轴线保持平直，即矫直辊沿板材宽度方向上的压下量相同， 目的是抑制矫直辊在矫直板材的过程中发生挠曲。日本学者对弯辊的第一种作用研究较 多，通过大量的研究和实验，发现：当没有对矫直辊采取弯辊控制措施时，入口矫直辊 在矫直力的作用下，中部压下量发生改变，矫直辊辊缝呈抛物线状：通过有无支承辊两 种条件下，矫后板材平直度的比较得到，支承辊能够有效抑制矫直辊产生挠曲变形，使 矫直辊轴线在矫直板材的过程中保持平直，因此板材的平直度精度得到了显著的提高。 第二种是根据板材缺陷的不同，通过弯辊机构的调整使矫直辊发生横向弯曲，即通 过弯辊给矫直辊沿板材宽度方向上施加不同的压下量，这样可使具有中浪、边浪或瓢曲 等缺陷板材的纵向纤维得到不同程度的延伸，最终达到均匀一致，减少或者消除板型缺 陷。周存龙提出板材在矫直过程中纵向纤维在零弯矩点间的弯曲，是由弯辊机构和压下 机构分别作用下的弯曲进行叠加而成，故可对弯辊作用下的弯曲分离出来进行单独研究， 通过对弯辊作用下的弯曲进行分析研究，提出了板宽内各纵向纤维总变形曲率相同的原 则，在此基础上确定了弯辊后板材的最大总变形曲率、弯辊量和弯辊力，并参照修正函 数加以修正，最终建立了比较全面的辊式矫直机弯辊解析模型【2 l 】。北京科技大学的农大 一以德国西马克& 德马克公司生产的辊式矫直机为研究对象，分析了该矫直机的弯辊机 构和弯辊功能，依据相对挠度法，在矫直辊的力学模型上研究了空载弯辊控制模型，最 终建立了辊式矫直机上辊系弯辊力的控制数学模型【3 1 。 尹 ? 争复一 i _ 垒 p 和 曼曼l 22 l _主 l工。 1 1，事- lt s 7 l 一 - + 一- r - 一l r占1 f ， g 2 j 2 ( a ) 辊缝保持平行辊缝成弯曲形状 图1 4 矫直机弯辊的作用 以上利用解析法对板材矫直过程中的弯曲变形所作的分析，对认识矫直变形过程， 确定矫直力、矫直扭矩等都提供了较大的帮助。但是该分析是基于静态的弹塑性弯曲进 行的板材变形，在处理复杂的、动态的矫直过程中的板材变形时，存在较大的误差。另 外在描述压下量与板材的总变形曲率之间关系时，基本上都是以梁弯曲理论中的弯曲力 矩与弯曲挠度之间的关系式为基础，但该关系式的适用条件是小弹性变形，而板材在矫 直过程中产生的变形则是弹塑性大变形，因此上述得到的解析式，在分析实际生产中板 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 材的弯曲变形时会出现偏差。 1 3 2 有限元法 随着计算机技术的高速发展，有限元法已经被广泛应用于各行各业，并在金属塑性 成形模拟中得到普遍认同，近年来，利用有限元法对板材矫直过程进行的模拟分析也逐 渐增多。有限元法，是将板材分解成若干个单元，通过施加边界条件和加载条件求解得 到板材内部任意一点的应变、应力及位移等参数，以此分析板材在辊式矫直过程中的变 形规律。 日本学者谷德孝利用有限元软件a b a c u s e x p l i c i t 对板材在平行辊式七辊矫直机 中的矫直过程进行了三维模拟，得出如下结论：1 ) 矫直过程中，板材边部的应力比中部 低约2 0 。在板材中部，应力的最大值和最小值位于矫直辊与板材接触点的后面，而在 板材边部，应力最大值和最小值与矫直辊与板材的接触点保持一致；2 ) 通过壳体单元和 实体单元的比较，认为采用实体单元划分板材与实际的矫直过程比较吻合。 燕山大学李学通老师利用有限元软件建立了中厚板矫直过程的有限元动态分析二维 模型，通过自己建立的平行辊式十一辊矫直机有限元模型，针对不同厚度的板材，采用 不同的矫直方案分析板材的矫直过程，得出了在矫直过程中板材的应变场、应力场以及 各矫直辊矫直力的分布状况【l 。 部国光高工利用a n s y s 软件，对平行辊式七辊矫直机的板材矫直过程进行了二维 有限元仿真模拟，计算出了在一定的矫直辊压下量情况下的矫直力和矫直力矩，并对板 材在矫直过程中的应力分布作了介绍【l 列。 北京科技大学的刘鹏采用零弯矩点理论，建立了板材在矫直过程中弯曲的简支梁模 型，并利用有限元软件分析模拟了该简支梁受载之后的弯曲情况，用点的垂直位移拟合 曲线，得到板材矫直过程中弯曲曲率与压弯挠度的关系【l 引。 韩国学者k e ec h o e l 等人利用有限元方法分析了同一厚度的薄带在1 3 辊辊式矫直机 和15 辊辊式矫直机矫直前以及矫直后的应力分布，并与试验结果进行对比，得到模拟结 果与试验结果吻合；该学者还在十五辊辊式矫直机上做了当原始曲率为零时，对采用不 同压下量进行矫直后残余曲率的比较，仿真结果表明入口压下量对板材矫后残余曲率影 响较大【1 4 】。 周存龙等人运用a n s y s 有限元软件，按照某厂引进的第三代十一辊辊式矫直机参 数、实际生产中矫直辊的设置、板材的几何参数和力学性能等参数，建立了该矫直机的 三维动态的有限元模型，全面分析了在板材在矫直过程中的应力和应变的变化状况以及 入出口矫直辊压下量对板材平直度精度的影响，得到以下结论：板材在矫直弯曲变形过 程中，占主导地位的是沿板材矫直方向上的纵向应力，并且在第三、四辊处的纵向应力 值最大；当增加矫直机矫直辊的入口压下量时，板材的塑性变形率也会随之增加，但超 过塑性变形率的拐点值后则增加比较缓慢，并且，他对板材的矫直解析模型进行了修正 和检验，建立了与实际矫直变形规律更符合的矫直模型，通过模拟得到矫直过程中板材 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 的应力、应变变化规律，获取了板材在矫直过程中任意时刻的弯曲变形与矫直辊位置之 间的关系，以及矫直过程中的各项力学性能参数，利用这些关系和参数修正所建立的矫 直解析模型，得到与实际生产中矫直变形相吻合的矫直模型口o 。2 3 】。 1 4 本课题的研究内容 1 ) 利用弹塑性弯曲理论和虚拟支点理论，建立合理的矫直解析模型，推导矫直辊压 下量与反弯曲率之间的关系。 2 ) 利用显式动力学有限元分析软件a n s y s l s d 叮a ，按照武钢热轧总厂二分厂引 进的由德马克、西马克公司制造的第三代十一辊辊式矫直机参数，实际生产中的矫直辊 的调整方式和压下量的设置，板材的规格和力学性能参数，建立该辊式矫直机的三维动 态有限元矫直模型，分析板材在矫直过程中的变形状况及矫后板材残余应力和平直度状 况。 3 ) 利用已建立的矫直机有限元模型，分析1 4 矫直辊的压上量对板材矫后残余应力和 平直度的影响。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第2 章辊式矫直结构及矫直原理 2 1 辊式矫直机的结构 本课题以武钢热轧二分厂横切线组中的岁辊式矫直机为研究对象，该矫直机是本世 纪国内投产的最先进的设备之一，主要由以下几部分组成：主传动系统、机架、工作辊 系、上辊压下调整装置( 沿矫直方向倾斜调整) 、支承辊调整装置、弯辊机构及快速换辊 装置等。该矫直机的操作可完全自动化，由计算机进行过程控制：l e v e l l ：基础自动化， 包括p l c 和现场设备、传感器机构和传动元件等，p l c 系统可执行以下功能：速度控 制、液压辊缝控制、辅助系统控制、弯辊控制、液压和流体系统控制、自动和半制动序 列控制；l e v e l 2 ：工艺优化系统，其主要功能有：板材跟踪、数据记录和报告、操作人 员接口、l e v e l 网页、用户网页和p l a l l e 模型等。 2 撑辊式矫直机共有1 1 个矫直辊，上五下六布置，并且每个矫直辊配有1 2 个交叉排 列的支承辊，用来承受矫直过程中的矫直力，提高矫直辊的刚度，如下图2 1 所示： 支承辊 工作辊 图2 1 矫直机辊系布置简图 由于在矫直过程中，矫直辊会产生挠曲变形，因此每个矫直辊的一段采用滚针轴承， 另一端采用调心辊子轴承，而在采用滚针轴承那端的轴承座采用弧形支座，这样可以达 到矫直辊系的自调整。 下排矫直辊也可以单独调整辊缝，通过调整每个矫直辊两端的垫片高度来调整矫直 辊的压下量，如图2 2 所示。 图2 2 下辊辊缝调整装置 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 矫直过程中，矫直辊和上横梁会受到矫直力的作用产生弯曲变形，矫直机在上辊座 与上横梁之间装有辊身凸度调整装置( 即弯辊机构) ，利用本文第1 章中提到的弯辊机构 的第一种作用，使矫直辊轴线在矫直过程中始终保持平直，以达到理想的矫直效果。辊 身凸度调整装置是由3 套液压缸和斜楔机构组成的，沿辊身方向分布，如图2 3 所示， 其基本原理就是通过斜楔的调整补偿矫直过程中上辊座和矫直辊由于承受矫直力而产生 的弯曲变形。 斜楔斜楔斜楔 图2 3 上辊凸度调整装置 该矫直机采用了液压压下的控制技术，在机架和上横梁之间布置四个液压缸，通过 液压调整位置控制回路，可在无负荷的情况下快速闭合以及在带负荷的情况下进行辊缝 调整，可以补偿机架弹性拉长、横梁辊系的弹性压缩。整个矫直过程中保持辊缝恒定使 板材的头尾均得到很好的矫直质量，另外，主油缸也用于过载保护，如图2 4 所示。 板材 图2 4 矫直机液压压下控制系统 该液压压下控制系统可以通过三种方式实现调整功能：“倾斜”调整、“旋转”调整 和“组合调整”。“倾斜”调整，可实现矫直机入口端辊子压下量大于出口端压下量，这 种调整后板材在进入矫直机的初期就发生很大的弹塑性变形，迅速减小板材的残余曲率 变化范围，然后再利用小变形方式达到矫直的目的。“旋转”调整，是针对某一侧有“边 浪”缺陷的板材，通过“旋转”调整使矫直机传动侧和工作侧的压下量不同，达到矫直 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 “边浪”的目的。“组合调整”则是同时进行“倾斜”调整和“旋转”调整。 矫直机基本参数如下： 矫直板材尺寸：( 2 0 0 0 1 6 0 0 0 衄) ( 8 5 0 2 1 0 0i i u l l ) ( 5 0 2 5 4 i 砌) 屈服强度仃。：可达8 0 0 m p a 矫直辊数量：共1 1 个，上5 下6 排列 矫直辊辊径： 2 2 0 n l m 矫直辊辊距：2 3 0 m m 矫直辊辊身长度： 2 2 5 0 i n m 支承辊数量：上：5 6 ( 共5 根，每根由六个短支撑辊组成) 下：4 6 + 2 3 ( 共6 根，4 根由6 段组成，2 根由3 段组成) 支承辊辊径：2 2 0 m m 支承辊辊距：2 3 0 m m 伺服液压缸数目：4 个 液压缸最大工作压力：2 9 m p a 主电机：1 台1 6 0 k w 电动机、1 台7 5 k w 电动机 矫直速度： o 3 2 州s 年产量：5 0 万吨左右 该辊式矫直机的设备结构具有如下特点： ( 1 ) 该设备采用计算机模型控制，与轧机相连结，模型可根据矫直的板材宽度、厚度、 平直度状况和温度值来设定辊缝，用数字控制系统精确控制上排矫直辊位置，实现在线 生产过程的计算机全自动控制； ( 2 ) 具备高强度、高刚度的矫直机机座，可以在大矫直力条件下使用，即在矫直高强 度板材时机架的变形小，精度高，从而获得高质量的板材； ( 3 ) 结构上均采用快速松开装置和液压安全装置，保证打开、闭合及咬钢速度的稳 定，当设备所受载荷过大、卡钢或停电时可自动快速松开矫直辊，这样可以达到保护矫 直辊和传动轴的目的； ( 4 ) 在矫直机入口处装有压缩空气装置，可以清除残留在板材表面的氧化铁皮，避 免氧化铁皮进入设备中造成设备的磨损；同时装有快速换辊装置，上、下工作辊和支承 辊分别装在各自的框架上，可通过整体框架的侧向移动，实现快速换辊的目的，减少了 停产损失。 2 2 辊式矫直原理概述 辊式矫直机是连续性反复弯曲的矫直设备，其工作原理是利用若干个相互平行并交 错布置的矫直辊，按照一定的压下方式( 大变形或小变形方式) ，对板材进行连续的反复 压弯矫直，最终达到矫直的目的n 剐。其理论基础就是材料力学中的弹塑性理论，即板材 在发生弹塑性弯曲变形后，弹性变形可恢复，但塑性变形保留，弹复后所残留的弯曲程 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 度会逐渐减小，最终趋近于零值，即达到矫直的目的。所以辊式矫直机应该至少具备两 个基本特性：第一是具备相当数量的并交错布置的矫直辊以实现多次的反复弯曲；第二 是工作辊压下量可以调整，即可针对不同缺陷的板材设定合理的压下规程。 由于板材的矫直过程是一个十分复杂的反复弹塑性变形过程，目前又没有实用化的 测量残余应力和应变的仪器，人们对于揭示板材在矫直过程中的变形规律仍然很局限。 本课题以武钢热轧总厂二分厂精整横切线组的2 。辊式矫直机为研究对象，定性地从弯曲 曲率半径的角度阐述该辊式矫直机的整个矫直过程。 图2 5 表示了原始曲率半径为0 r o 的板材在辊式矫直机上的矫直过程【1 9 】： 擎：= 嚎近鼍一 h 。3f - l p s 图2 5 辊式矫直机的矫直过程 ( 1 ) 板材通过第一辊后无变形，因此板材在进入第二辊时原始曲率不变，仍为0 r 0o ( 2 ) 板材进入第二辊的原始曲率为o r 0 ，对于1 r 。( 上凸) 部分，第一次受到弯曲， 被反向弯曲到1 p 2 。反向曲率1 p 2 的数值，是依据使上凸的1 r 0 弯曲部分得到矫直的原 则选择的。因此经第二辊后，+ 1 r 。弯曲部分被矫直，即曲率由+ 1 r 。变为零。 对于1 r o ( 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 r 。 被同向弯曲到1 p 2 。卸载后又弹复到原始曲率1 r 。 板材原来的平直部分在进入第二辊后，也被弯曲到l p 2 。当离开第二辊，经过卸载 弹复后，产生残余曲率1 r 。，如上图所示。 ( 3 ) 板材进入第三辊的原始曲率为o 一r o ，对于1 r 。部分，被第三辊反弯到曲率1 p 3 。 第三辊的反弯曲率1 p 3 是依据使1 r 。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1 p 2 相等，方向相反。经第三辊后，1 r 。弯曲部分被矫直，曲率由1 r 。 变为零。 但板材通过第二辊已被部分矫直，进入第三辊时，也被弯曲到1 p 3 。离开第三辊且 卸载弹复后，产生残余曲率+ 1 r 。因此，经第三辊后的残余曲率，即为板材进入第四辊 的原始曲率。 ( 4 ) 板材进入第四辊的原始曲率为0 + 1 r 。，第四辊的反弯曲率1 p 4 是根据矫直+ 1 r 。 的原则选择。经过第四辊后，原始曲率+ 1 r 。弯曲部分被矫直，原始曲率为零的部分，又 被弯曲到l p 4 。经卸载弹复后，产生残余曲率1 r 。 ( 5 ) 板材进入第五辊的原始曲率为0 - 1 r 。，同上述分析可知，经第五辊后，原始曲率 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 r 。被矫直，而原始曲率为零的部分则产生残余曲率+ 1 r ；。 之后各辊采用同样的方法进行矫直，由上述分析的矫直过程可得出以下结论： ( 1 ) 由于板材的实际原始曲率并不为零，因此在矫直后得不到完全平直的板材，只是 尽量使板材的残余曲率变小。由于板材的残余曲率越来越小，经第( n 1 ) 个矫直辊弯曲后， 板材的残余曲率也最终趋近于零。因此矫直辊越多，板材的残余曲率越小，平直度越高。 但时矫直辊的数目是有限制的，所以在辊式矫直机不可能得到理想的矫直，只能使板材 曲率的不均匀性控制在很小的范围内。 ( 2 ) 各辊下的反弯曲率是依据进入矫直辊时板材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板材的最大残余曲率。由于板材的残余曲率也相应地减小。由 此可知，在入口处的几个矫直辊处，反弯曲率比较大，板材弯曲变形也很剧烈，可以认 为板材在这几个辊子处的弯曲是纯塑性弯曲。以后各辊子的反弯曲率逐渐减小，在出口 的几个矫直辊处，板材弯曲变形很小，可认为是纯弹性弯曲。 ( 3 ) 若在第二和第三矫直辊上采用远大于弹复曲率的反弯曲率，使板材各部分在经过 这两辊时都产生较大的弹塑性变形，这样就可以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。在第四辊之后，采用小变形方式进行矫直，即反弯曲率等 于弹复曲率。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。当矫直机辊数一定时，则可提高板材的矫直质量。 2 3 板材的矫直方案 矫直过程中，板材在矫直辊作用下由弯矩产生的正应力是引起板材发生弯曲变形的 主要原因，而由弯矩产生的剪应力对板材弯曲变形的影响较小，因此忽略剪应力对弯曲 变形的影响，认为板材仅受纯弯曲。简化之后，弹性弯曲理论中材料的平断面假设就可 用于材料的塑性弯曲之中。为便于分析，引用以下假设条件： ( 1 ) 忽略板材沿厚度方向上的变形对弯曲变形的影响； ( 2 ) 忽略板材在矫直过程中与矫直辊之间的摩擦对材料变形的影响； ( 3 ) 忽略板材的矫直速度对材料屈服强度的影响； ( 4 ) 材料符合v o nm i s e s 屈服条件。 2 3 1 弹塑性弯曲中的应力应变关系 根据平断面理论和前文的假设，对于理想弹塑性材料的板材在矫直过程中发生的弯 曲，通常可按变形状态将其分为两个区域【l j ，如图2 6 所示： ( 1 ) 弹性变形区冠：板材在该区域中的纤维部分受到外力矩的作用产生变形，由零 增长到弹性极限值，其应变与应力呈线性关系，材料的弹性极限应变值为q = q e ，式 中e 为弹性模量，正为材料的弹性极限应力；当去除外力矩后，该区域的纤维层将在弹 性内力矩的作用下全部弹性恢复。 ( 2 ) 塑性变形区( 日一皿) ：由于外力矩的继续加大，板材的部分纤维变形超过了材 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 料的弹性极限应变，该部分纤维开始发生塑性变形，应力值q 保持不变，应变值则继续 增大到龟；当去除外力矩后，板材的纵向纤维产生弹性恢复，板材也因此会产生残余应 力和残余应变，图中0 为残余变形量，q 为弹复变形量，龟为工件边层最大变形量。 7s r 毋 一 一i r n 1 n d 2 n p j 一、j i 冬6 、 6亨 0 1 。一 毡 。笊雹 。 、，。 p 口n 2n c z l 函 图2 6 弹塑性弯曲中应力与应变的分布模型 2 3 2 板材的弯曲变形和曲率 板材在平行辊矫直过程中发生弯曲，板材与矫直辊的接触点会产生弹性压扁，载荷 作用点将会形成一个小面积区域。为了便于实际分析，将它们在力学分析上简化为集中 载荷；在几何分析上，从微小的线段来分析弯曲的变形和曲率。如图2 7 所示，以下用 板材的曲率变化描述板材的矫直过程。 ( 1 ) 原始曲率l a ：即板材在初始状态下的曲率。 ( 2 ) 反弯曲率1 a ：是板材在矫直辊外力矩的作用下发生强制弯曲之后的曲率，如 图2 7 中，工件在矫直辊作用下由弧线o a 反弯到o a l 状态。 ( 3 ) 总变形曲率1 恼其值等于原始曲率与反弯曲率的代数和，即 ：+ ( 2 1 )一= 一+ 一 f ，ll p 乇pq p 。 ( 4 ) 弹复曲率1 岛：工件塑性变形后不能恢复原样，由弹性势能大小决定板材发生 的弹复曲率变化量。 ( 5 ) 残余曲率1 协：板材在经过卸载弹复之后产生了永久变形，永久变形对应的曲率 变化量就是残余曲率。 111 一：= ：一 p tp 。p 9 ( 2 2 ) ( 6 ) 弹性极限曲率1 锄：板材发生弯曲以至于表层纤维的应力达到屈服极限强度时的 总变形曲率，由材料力学可知 1m 万2 蚩 ( 2 3 ) 式中必为弹性极限弯矩，为板材的横截面惯性矩。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 7 板材弯曲时的曲率变化 为了分析和书写的方便，定义各种曲率与弹性极限曲率1 蚀的比值为各曲率的相 对曲率值，用c 表示，也采用各种脚标以区别各种曲率值。与上述曲率对应，各相对曲 率值分别为：相对原始曲率o 、相对总变形曲率际相对反弯曲率g 、相对弹复曲率 c v 和相对残余曲率c r 。相应地，各相对曲率的关系也可转换为： c = c o + q ( 2 4 ) c ，= 巳一c ， ( 2 5 ) 2 3 3 矫直机矫直工艺模型 图2 8 所示为传统的矫直机简支梁模型，该模型将板材与矫直辊的接触支点直接定 义在相邻的两矫直辊处，试验证明，利用传统的矫直机简支梁模型推导出的工艺参数计 算公式不是很合理，与实际生产相比较误差很大。而本课题考虑相邻两辊之间的限制， 以零弯矩点作为虚拟支点，将图2 9 所示的受力模型简化为图2 1 0 所示的更加合理的的 矫直工艺模型，其中图2 8 中的点a 、b 即为虚拟支点。 图2 8 传统的矫直机简支梁模型 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 e 2 图2 9 合理的受力模型 只 2 图2 1 0 简化的受力模型 简化之后的矫直模型也应遵守本文2 3 中板材矫直方案的基本假设，另外由于相邻 辊的矫直力f “、f i 、f i + l 在数值上相差不大，为计算方便，假定它们在数值上相等 f i 1 = f i = f i + l ，如图2 1 0 所示，简化之后的受力模型上虚拟支点处受力均为f i 2 。 2 3 4 压下量与反弯曲率的关系 板材在辊式矫直机中反复弯曲变形以达到矫直目的，各辊压下量的大小的安排则是 根据对矫直效果的有力条件来确定的。利用前文建立的基于虚拟支点的矫直力学模型， 依据材料的弹塑性弯曲变形理论，通过矫直机上、下排矫直辊的相对位置计算得到各辊 压下量，通过各辊压下量来确定各辊的相对反弯曲率。下文将推导出矫直机矫直辊压下 量和相对反弯曲率之间的关系。板材在矫直机过程中的部分弯曲状态示意图如图2 1 1 所 示：其中l 一第i 辊的理论压下量；一第i 辊的实际压下量； p 一反弯曲率半径；h 一板材厚度；t _ 矫直辊辊距。 厂 、 。，彳 i 1 一 、j f h - 7 ， 卜z 昼哆7翼愁 一闷函上 艺杰簧 、 、 c ， ? 巾 l i - l i + l ， 1 、 f 1 厂 、 j v i f譬 nj 吣 一 ， f z 一 一 图2 1 3 矫直辊压下量与压弯挠度间的关系示意图 武汉科技大学硕士学位论文 第1 9 页 由上图可以看出，矫直机第i 辊的压下量4 与板材在该辊下的压弯挠度既以及相邻 两矫直辊下板材的压弯挠度既一。和瓯州具有以下关系式： 4 ：既+ 垒妥血 ( 2 2 7 ) 当矫直机上排辊平行调整时，有“= 瓯h = 瓯州；当矫直机上排辊倾斜调整时，瓯h 增大，氏m 减小，但这两个值的变化量非常小，为了计算方便，令 瓯，= ( 瓯“+ 瓯f + 1 ) 2 ( 2 2 8 ) 因此，矫直机第i 辊的压下量4 与板材在该辊下的压弯挠度“的关系变为： 4 = 2 屯( 2 2 9 ) 2 4 2 矫直辊压下量的确定 在上述的矫直模型分析中，零弯矩点都是取相邻两矫直辊的中点，但是在入、出口 处，零弯矩点的位置与其它地方不同。板材在第一辊和第十一辊的外侧并不受载荷作用， 因此第一辊与第二辊、第十辊与第十一辊间的零弯矩点并不在两辊之间的中点，而是接 近于第一辊和第十一辊的位置，一般近似认为就在第一辊和第十一辊上。虽然板材在第 二辊处的压下量最大，但是板材最大的塑性变化率和相对总变形曲率发生在第三辊和第 四辊，并不是第二辊处皿4 1 。在出口端，由于矫直辊的压下量较小，板材仅发生弹性变形， 故支点的位置对矫直变形的影响可以忽略。 确定矫直辊压下量的一般步骤是，首先计算板材在第三辊处的相对反弯曲率，然后 根据矫直辊压弯挠度与相对曲率之间的关系得到板材在第三辊处的压弯挠度屯，再根 据矫直辊压下量与压弯挠度之间的关系得到第三辊的压下量正，最后根据辊式矫直机压 下量线性递减原则，确定暖、岛和磊。之间的关系，具体计算方法如下： 根据公式( 2 2 7 ) ，可得 岛= 半( 2 3 0 ) 而第二辊压下量4 与第四辊压下量瓯存在以下关系： 21 反2 i 嘎+ 专区。 ( 2 3 1 ) 联立上面两式，即可得： 盈：导岛一导4 。 ( 2 3 2 ) 一般认为，板材在出口处第十辊不产生变形或者为弹性变形，因此可以根据在弹性极 限挠度的范围内确定第十辊的压下量： 耻( 0 1 ) 篙 ( 2 3 3 ) 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 5 小结 本章对十一辊辊式矫直机的结构作了简要的介绍，阐述了该辊式矫直机的矫直原理。 在弹塑性弯曲理论的基础上，引用一些假设条件，采用虚拟支点理论建立了矫直模型， 推导了矫直机各辊压下量与反弯曲率的关系，再根据该辊式矫直机的调整特点，确定各 辊压下量以及各矫直辊处板材的各种相对曲率比。 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 第3 章辊式矫直过程的有限元仿真 由于板材在辊式矫直过程中发生