（材料加工工程专业论文）中厚板辊式矫直过程模型研究.pdf

二o 、oi i ! u - ，、u 一， | 一 at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g m o d e l s t u d y f o rp l a t el e v e l i n gp r o c e s s b yc u il i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u x i a n l e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n 2 0 0 9 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 此 思。 学位论文作者签名：侄硝 日 期：砌7 年1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：崔衲 导师签名： 签字日期： 枷1 年7 目 签字日期： j 东北大学硕士学位论文摘要 中厚板辊式矫直过程模型研究 摘要 中厚板矫直是一个加载卸载交变进行的弹塑性弯曲过程，由于钢板与矫直辊系的接 触呈几何非线性关系，因此精确分析矫直过程难度很大。传统矫直分析基于弯曲梁理论， 存在一定局限性，控制精度不高。因此，建立高精度矫直系统分析方法十分必要。本文 以某中厚板厂矫直机过程自动化模型设定系统开发为背景，主要研究内容概括如下： ( 1 ) 查阅大量国内外有关中厚板矫直过程控制文献资料，调研我国中厚板矫直机使 用现状，完成中厚板矫直机过程控制系统的需求分析； ( 2 ) 研究弹塑性变形基本理论，分析辊式矫直机的工作原理，对比分析不同矫直方 案适用的工作条件； ( 3 ) 建立中厚板矫直过程数学模型，主要包括弹塑性应力应变关系模型、温度与弹 性模量和屈服应力关系模型、弯矩模型、矫直力模型、应变增量模型、矫直轨迹模型、 压下量模型、残余曲率与残余应力模型以及矫直速度设定模型； ( 4 ) 设计和开发中厚板矫直仿真系统，根据钢板矫直前的实际数据计算合理的矫直 规程数据，同时操作员可从人机界面上查看矫直规程设定数据，触发保存永久记录命令， 将输出数据保存到数据库； ( 5 ) 基于矫直机仿真程序，分析并总结压下量、初始厚度、屈服强度、弹性模量、 初始曲率、弯辊、张力等矫直条件对塑性变形率、残余曲率、残余应力和矫直力的影响 规律： ( 6 ) 回归塑性变形率、相对残余曲率和残余应力模型； 通过上述研究工作，建立中厚板矫直数学模型，开发中厚板矫直机过程模型仿真系 统，仿真系统离线数据验证已经完成，但矫直机过程控制系统的在线应用还有待进一步 验证和完善。 关键词：中厚板，矫直机，数学模型，仿真程序，塑性变形，残余曲率，残余应力 i l j 匕 t h ep l a t el e v e l i n gp r o c e s si sa l le l a s t i c p l a s t i c b e n d i n gd e f o r m a t i o np r o c e s sd u r i n gw h i c h l o a d i n ga n du n l o a d i n gt a k ep l a c ea l t e r n a t i v e l y t h ec o n t a c tb e t w e e n t h ep l a t ea n dr o l ls e r i e si s n o n l i n e a r s ot h ep r e c i s ea n a l y s i so fl e v e l i n gp r o c e s si sv e r yd i f f i c u l t t h et r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s e do nt h eb e n d i n gb e a mt h e o r yh a sl o wp r e c i s i o na n dm u c hl i m i t a t i o n ， s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt ob u i l dt h en e wm e t h o do ft h es y s t e m a t i c t h i sp a p e ri se s t a b l i s h e di n t h ep r a c t i c a lp r o j e c to ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cm o d e ls e t t i n gs y s t e mf o rp l a t el e v e l i n g p r o c e s s ，a n dt h em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a do nc o n t r o l s y s t e mo fp l a t el e v e l i n g ，s u r v e y i n gt h em a n u f a c t u r e s t a t u so fh o m e m a d ep l a t el e v e l i n g ， c o m p l e t i n gd e m a n d sa n a l y s i so nc o n t r o ls y s t e mo fp l a t el e v e l i n g ； ( 2 ) r e s e a r c h i n gr a t i o n a l eo fe l a s t i c - p l a s t i cb e n d i n gd e f o r m a t i o n , a n a l y z i n go p e r a t i o n p r i n c i p l eo fr o l l e rl e v e l i n g ，c o m p a r i n gd i f f e r e n tl e v e l i n gs c h e m ew i t hc o n d i t i o no fw o r k ； ( 3 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rp l a t el e v e l i n gp r o c e s sw e r eb u i l ts u c ha s ，r e l a t i o n s h i p m o d e lo fs t r e s sa n d s t r a i n ，r e l a t i o n s h i pm o d e lo fy o u n g s m o d u l u sa n dt e m p e r a t u r e ， r e l a t i o n s h i pm o d e lo fy i e l d s t r e s sa n dt e m p e r a t u r e ，m o d e lo fb e n d i n gm o m e n t ，m o d e lo f l e v e l i n gf o r c e ，m o d e lo fs t r a i ni n c r e m e n t ，m o d e lo fl e v e l i n gl o c u s ，m o d e lo fi n t e r m e s h ， m o d e lo fr e s i d u a ls t r e s sa n dr e s i d u ac u r v a t u r e ，m o d e lo fl e v e l i n gs p e e d ； ( 4 ) s i m u l a t i o ns y s t e mf o rp l a t el e v e l e rw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，t h r o u g hw h i c h a c c o r d i n gt op r a c t i c a ld a t ab e f o r el e v e l i n gr e a s o n a b l el e v e l i n gr e g u l a t i o n sw e r e c a l c u l a t e da t t h es a m et i m eo p e r a t o rc o u l dl o o ko v e rt h es e t t i n gd a t e sf r o mh m i o n c er e c o r do r d e rw a s t o u c h e do f f ，d a t e sw e r ee x p o r t e dt od a t ab a s e ； ( 5 ) i nv i e wo fl e v e l i n gp r o g r a m ，i n f l u e n c er e g u l a t i o n so fp l a s t i c d e f o r m a t i o nr a t i o ， r e s i d u a lc u r v a t u r e ，r e s i d u a ls t r e s s ，a n dl e v e l i n gf o r c ef o rd i f f e r e n tl e v e l i n gc o n d i t i o n sw e r e a n g l i c i z e d t h el e v e l i n gc o n d i t i o n si n c l u d ei n t e r m e s h ，i n i t i a lt h i c k n e s s ，y i e l ds t r e s s ，y o u n g s m o d u l u s ，i n i t i a lc u r v a t u r e ，b e n d i n ga n dt e n s i o n ； i i i 东北大学硕士学位论文 h b s t r a c t ( 6 ) b a s e do nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h es i m p l i f i e df o r m u l a so fp l a s t i cd e f o r m a t i o nr a t i o ， r e s i d u a lc u r v a t u r e ，r e s i d u a ls t r e s sw e r ep u tf o r w a r d ； t h r o u g ha b o v e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rp l a t el e v e l i n gp r o c e s sw e r es e tu pa n dt h e l e v e l i n gp r o c e s sm o d e ls i m u l a t i o ns y s t e mo fp l a t ew a sd e v e l o p e d t h es i m u l m i o ns y s t e mh a s b e e nc h e c k e da n da c c e p t e d ，b u tt h eo n l i n ec o n t r o ls y s t e ms h o u l db ev e r i f i e da n dp e r f e c t e d f u r t h e r k e yw o r d s ：p l a t e ，l e v e l e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s i m u l a t i o np r o g r a m ，p l a s t i cd e f o r m a t i o nr a t i o ， r e s i d u a lc u r v a t u r e ，r e s i d u a ls t r e s s i v o 东北火学硕j ：学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 中厚板矫直机的发展概况_ 1 1 2 1 国外中厚板矫直机的发展1 1 2 2 国内中厚板矫直机的发展4 1 3 矫直机结构介绍6 1 4 中厚板辊式矫直理论的研9 1 5 本文研究的目的和内容12 1 5 1 本文研究的目的。1 2 1 5 2 本文研究的内容。1 2 第二章辊式矫直机板材矫直原理l3 2 1 板材的缺陷、成因及消除方法1 3 2 1 1 板材的缺陷一13 2 1 2 板材的缺陷产生原因1 4 2 1 3 中厚板矫直的目的1 5 2 2 弹塑性弯曲原理1 5 2 2 1 弹塑性弯曲的变形过程15 2 2 2 弹塑性弯曲的曲率17 2 2 3 弹塑性弯曲的变形能19 2 3 矫直方案2 1 2 4 本章小结2 4 第三章中厚板矫直过程数学模型2 5 3 1 材料性能模型：2 5 3 1 1 材料性能的基本假设2 5 3 1 2 应力与应变关系2 5 3 1 3 弹性模量2 6 3 1 4 屈服应力2 7 3 2 弯矩模型2 7 3 3 矫直力模型2 8 3 4 应变增量模型2 9 3 5 矫直轨迹模型2 9 东北大学硕士学位论文 目录 3 6 压下量模型。3 0 3 7 残余曲率与残余应力模型3 1 3 8 塑性变形率模型3 3 3 9 速度模型3 3 3 1 0 本章小结3 4 第四章中厚板矫直过程仿真分析3 5 4 1 仿真程序介绍3 5 4 1 1 仿真软件开发3 5 4 1 2 仿真软件模型计算流程图3 6 4 1 3 仿真软件模型计算界面。3 8 4 2 仿真结果分析3 9 4 2 1 矫直方式对矫直效果的影响3 9 4 2 2 强度对矫直效果的影响4 5 4 2 3 弹性模量对矫直的影响4 9 4 2 4 初始厚度对矫直效果的影响5 3 4 2 5 初始不平衡度对矫直过程的影响5 7 4 2 6 矫直机张力对矫直效果的影响6 1 4 2 7 弯辊对矫直效果的影响6 3 4 2 8 工作辊辊距对矫直的影响6 7 4 3 矫直模型回归7 0 4 3 1 塑性变形率模型7 0 4 3 2 相对残余曲率模型7 2 4 3 3 残余应力模型7 4 4 4 矫直模型应用7 5 4 5 本章小结7 5 第五章结论和展望7 7 5 1 结论7 7 5 2 展望：7 8 参考文献7 9 致谢8 3 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 中厚板是重要的冶金产品，其生产水平和产品质量代表一个国家钢铁工业的发展水 平【l 】。近年来，随着工件加工自动化程度的提高，钢铁市场需要具有良好平直度、极小 内应力的产 2 , 3 1 ，国际市场平直度要求已达到5 m m m ，甚至达到3 m m m 或2 m m m 。 特别是随着t m c p 技术( t h e r m om e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 的广泛应用，板材的矫直温 度降低、材料的屈服强度提高等多种因素，对矫直设备在强度、刚度、功能和自动化程 度方面提出了更高的要求。一方面需要保证矫直机有宽的矫直范围，另一方面，要求矫 后钢板的平直度良好且残余应力最d d 4 , 5 】。这种情况下，国外先进的制造厂家，如德国的 s m s 、日本三菱等率先推出新一代强力矫直机高刚度、全液压和全自动的第三代矫 直机。国内主要冶金设备供应商也纷纷推出自己的新一代强力矫直机，但在部分关键设 备、成套自动控制系统和关键工艺模型应用上仍与国际先进水平有一定的差距【6 j 。 目前我国中厚板生产线的热矫直机普遍采用9 辊或1 1 辊四重矫直机，但仍有少数 中板厂使用二重1 1 辊矫直机。强力冷矫直机配备很少，除首秦厚板、舞钢厚板、鞍钢 厚板和宝钢厚板等引进的矫直系统具有二级设定功能外，其它很少采用计算机设定矫直 规程。虽然我国中厚板发展较快，在国际钢铁界的地位和影响力显著提高，但由于原材 料价格上升、环境压力增大、成本提高、市场萎缩、产能过剩、品种钢比例不足和质量 压力等矛盾，企业要在激烈竞争中占领国内和国际市场，迫切需要制造出低成本、高质 量、高附加值的产品，因此必须发展先进的生产技术。 1 2 中厚板矫直机的发展概况 1 2 1 国外中厚板矫直机的发展 中厚板辊式矫直技术伴随着钢铁工业的发展而成熟。一般按性能、年代粗略地将其 分为三代【7 1 0 】，如表1 1 所示。早期第一代辊式矫直机为五辊式，有3 个上工作辊，2 个下工作辊，加上布置在上排中间工作辊之上( 作为驱动辊) 和2 个下工作辊之下的3 个 支撑辊，共计8 个辊。第二代矫直机增加矫直辊数量，工作辊从5 辊、7 辊增加到9 辊、 1 l 辊，支撑辊由整体式单支撑辊改为分段式多支撑辊。上排矫直辊可前后倾斜，部分矫 直机的矫直辊可进行预弯。压下机构为电动方式，但矫直能力、自动化水平仍然较低。 自t m c p 工艺在轧制线上广泛使用后，尤其在二十世纪后期，随着造船、桥梁、高压容 东北大学硕士学位论文第一章绪论 器等行业自动加工水平的不断提高，对中厚板不平度、残余应力的要求越来越严格，鉴 于这种情况，出现了高刚度、全液压且自动化程度很高的新一代强力矫直机，也称作第 三代矫直机1 1 1 1 。 表1 1 中厚板辊式热矫直机发展概况 t a b l e1 1t h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fh o tp l a t er o l l e rl e v e l e r 十九世纪末期，在钢材产量已达到3 0 0 多万吨的工业化程度较高的英国，锻造机械、 轧钢机械、矫直机械等大型装备得到广泛应用。早期辊式矫直机以英国布朗克斯 ( b r o n x ) 公司生产的5 辊厚板矫直机为典型代表，如图1 1 及图1 2 所示，可以热矫 2 5 0 0 m m x l o o m m ( 宽厚) 及冷矫2 5 0 0 m m x 7 5 m m ( 宽厚) 等规格的板材。该矫直机有3 个上工作辊、2 个下工作辊，加上3 个分别布置在上排中间工作辊( 作为驱动辊) 及下辊 上的支撑辊，共8 个辊，位于入出口侧的2 个上工作辊因受力较小而未加支撑辊；3 个上工作辊可同时升降并由圆形指示盘及指针显示其压弯量；入出口两侧的上辊还可单 独升降，另由扇形指示盘及指针显示其各自的压弯量；升降机构为电动机驱动，轴承为 滚动轴承，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。牌坊为整体焊接的闭式机构，两牌坊之间用横梁联结形成门式机架【1 2 , 1 3 】。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 早期的五辊矫直机图 f i g u r e1 15 - r o l l e rl e v e l e re a r l y 图1 2 生产中的早期的五辊矫直机 f i g u r e1 25 - r o l l e rl e v e l e re a r l yi np r o d u c t i o n n - 十世纪七、八十年代，国外的许多先进的冶金设备供应商( 德国的西马克和德 马克、英国的布朗克斯、日本的住友、法国的d m s 、美国的s u t t o n d 等) 都先后推出多 重装配水平很高的矫直机。 or 1o j f ( a ) ( c )( d ) 图1 3 矫直辊式布置图 f i g u r e1 3m o u n to f t y p i c a ll e v e l l e rr o l l e r s 二十世界八十年代到现在出现的第三代矫直，矫直辊布置形式也多样化了，如图1 3 所示【1 4 1 。 由三菱重工制造，并于1 9 8 8 年在水岛厂投产使用的1 5 辊热矫直机，入出口各4 个小直径矫直辊、中间主体部分为7 个大直径矫直辊，如图1 3 ( a ) 所示，矫直厚规格板 材时，入出v i 各有2 个上辊抬起；矫直薄规格板材时1 5 个矫直辊全部投入使用，此时 小直径与大直径矫直辊之间可形成最大达11 0 0 k n 的张力。由于该种设备结构复杂，给 东北大学硕士学位论文第一章绪论 自动控制带来了许多不便，故三菱重工后来为韩国浦项制造的辊式热矫直机在结构上作 了一些简化如图1 3 ( b ) 。 住友金属工业公司鹿岛制铁所厚板车间安装了世界第一套复合式矫直设备( 也称子 母式矫直机) 。该矫直机由大辊径厚板矫直机和小辊径薄板矫直机构成，矫直辊布置见 示意图1 3 ( c ) 。大辊径矫直机主要解决厚板板型缺陷，小辊径矫直机主要解决薄板的板 形不良缺陷。该矫直机配有弯辊机构，在小辊径与大辊径矫直机之间施加张力的同时， 矫直辊可沿板材宽度方向发生正、负弯曲，可有效消除板型缺附1 4 】。 图1 4s e m a g - d e m a g 的唧l 型热矫直机 f i g u r e1 4t h eh o to fs e m a g - d e m a g sh p lt y p e 德国s m s 公司生产的1 1 辊中厚板热矫直机，如图1 4 所示，矫直辊布置见图1 3 ( d ) 。 该矫直机具有以下功能：1 ) 采用四个液压预应力立柱，增加机架刚度；2 ) 采用液压平衡 系统，减小冲击，保证稳定性；3 ) 采用伺服一液压矫直辊辊缝调节系统，可前后倾动、 左右倾动。当过载、板材尺寸超出范围或未检测到时，矫直机辊缝将迅速打开避免矫直 辊受到撞击而受损；4 ) 保证辊缝平行及矫直辊的正、负预弯曲，有效消除板材的板型缺 陷；5 ) 入出1 2 1 辊可单独调节，以保证板材出来后的不平度精度；6 ) 采用辊系内部水冷系 统，减小矫直辊与支撑辊的磨损；7 ) 禾u j 用液压换辊装置，保证矫直辊的快速更换【1 0 , 1 5 】。 总之，中厚板辊式矫直装备及技术发展趋势是：结构上配备弯辊机构，辊距及辊径 可调；设备上具备高刚度、高强度；控制上具有较高的自动化程度及液压控制水平，可 兼顾冷热矫直，矫直范围大。不过从用户使用数量、设备成本核算、结构复杂程度、实 现控制难易程度以及设备维护等方面来看，1 1 辊、9 辊等径等距矫直机的竞争力更强。 1 2 2 国内中厚板矫直机的发展 我国的矫直技术研究起步较晚【1 2 , 1 6 1 ，我国最早使用的中厚板辊式矫直机是1 9 0 5 年 - 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 由英国制造的。新中国成立前，在太原、鞍山、大冶、天津和上海等地的钢厂主要应用 由德、意、日等国生产的矫直机。新中国成立后，随着前苏联制造的矫直机及矫直技术 的引进，国产中厚板矫直机经过消化吸收而得到逐步发展。值得自豪的是我国科技界一 直在努力提高自己的科研设计和创新能力。从2 0 世纪5 0 年代就有刘天明提出的双曲线 辊形设计的精确计算法及文献提出的矫直曲率方程式。6 0 8 0 年代在辊形理论方面有许 多学者进行了深入的研究并取得了十分可喜的成果，还召开了全国性的辊形理论讨论 会，产生了等曲率反弯辊形计算法，与此同时，以西安重型机械研究所为代表的科研单 位和以太原重型机器厂为代表的设计制造部门完成了大量的矫直机设计研制工作，不仅 为我国生产提供了设备保证，还培养了一大批设计研究人员。1 9 8 2 年，太原重型机器厂 成功研制出一台十七辊2 8 0 0 变断面矫直机【1 7 】，其中采用了计算机控制矫直辊开口度的变 化，矫直的全过程由d j s 1 3 0 计算机实现自动化控制。在压下量的控制中采用电液伺服 系统，可达到的控制精度为0 o 0 2 5 r a m 。 表1 2 国内中厚板矫直机典型形式 t a b l e1 2t y p i c a lf o r m so fp l a t el e v e l e r si nc h i n a 国内对矫直理论与参数计算作系统全面的研究始于八十年代中后期。其中，东北大 学的崔甫教授对有关矫直技术理论的研究作了大量的工作，著写了国内首本详细阐述有 关矫直理论的书籍，研制出了矫直f 2 0 0 复合转鼓式高精度棒材矫直机，并首先提出了 双交错辊系的新方法。矫直理论研究的发展，促进了矫直机制造水平的提高。所有这些 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表明，我国的矫直理论研究已有了很大的发展。但从矫直能力、自动化控制水平、弯辊 机构的配置以及压下机构与平衡机构的设计等方面来看，目前我国生产的中厚板热矫直 机仍属于第二代，我国中厚板装备比较先进的矫直机典型的形式如表1 2 所示【1 8 2 1 1 。近 年来，德国s m s d e m a g 公司已经委托我国制造厂家n i 强力热矫直机( 第三代辊式热 矫直机) 的本体部分，由此情况来看，国内机加工能力较强。 1 3 矫直机结构介绍 矫直机通常由矫直本体、换辊装置、传动装置三大部分组成。矫直机本体则由预应 力机架、全液压压下装置、液压弯辊装置、平衡装置、上下辊座装置、接轴托架装置、 导卫装置、液压卡紧装置、平台及梯子等部分组成，如图1 5 所示。 预弯系统 图1 5 矫直机结构图 f i g u r e1 5t h es t r u c t u r eo fs e m a g - d e m a g sm l ( 1 ) 预应力机架 新式矫直机普遍采用预应力框架结构的机架，主要由拉杆及螺母、上横梁、机架立 柱和下横梁组成【2 2 1 。正常矫直时，作用在机架立柱的矫直力与预紧力部分抵消，因此很 大程度地增加机架的刚度，刚度可以达到1 0 m n m m 左右。同时，其余各件均采用铸焊 结构，方便加工、运输和安装。 ( 2 ) 平衡系统 上框架平衡装置普遍采用四个液压平衡缸，其作用是平衡上辊座装置和弯辊装置， 使上辊座装置和上受力架跟随压下缸一同上下移动，消除压下缸与上受力架在矫直力方 向的间隙，以免钢板进入矫直机时发生冲击。通常取平衡力为被平衡重量的1 2 1 4 倍( 即 过平衡系数k = i 2 1 4 ) 1 2 3 】。 ( 3 ) 辊系配置 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 “第三代矫直机”既有等距矫直机，同时为了扩大矫直厚度范围，也开发有变辊数、 变辊距的矫直机( 薄板用小辊径、小辊距矫直机，厚板用大辊径、大辊距矫直机) ，另外 也开发有组合式和伸缩式矫直机，矫直厚度范围从以往的4 5 倍扩大到l o 倍左右【1 0 l ， 典型矫直机辊系配置如图1 3 所示。 s m s d e m a g 的h p l 型冷矫直机采用可逆9 5 辊变辊数矫直机，最大矫直力为3 5 m n 。 薄规格产品采用小辊距9 辊矫直，厚规格产品采用大辊距5 辊矫直，钢板有效矫直厚度 范围比常规矫直机扩大5 0 。从使用业绩来看，矫直一个道次后的钢板平直度达到 3 m m m 的钢板占整个月所矫直钢板总数的9 5 1 2 4 1 。 ( 4 ) 全液压压下系统 传统矫直机的电机调整系统在a p c 控制时表现出精度不高、再现性和动态响应差 等缺点，采用液压调整系统，各个方面的性能可以显著提高。全液压压下装置采用四个 带位移传感器的液压缸实现压下动作，每个压下缸附带增压缸，为压下缸提供工作压力。 图1 6 过载保护 f i g u r e1 6o v e r l o a dp r o t e c t i o n 压下机构的作用是通过调整上排矫直辊，达到辊缝调整的要求。通过入口侧和出口 侧两压下缸的单独调整或同步调整，实现上辊系沿矫直方向向前或者向后的倾动。倾动 可在过钢或非过钢下进行。 压下机构的另一个作用是实现快抬保护。正常工作时，压下缸充满压力，此时，单 向阀关闭，油路锁死，压下位置的微调是由增压缸的位移实现。出现故障时，打开单向 阀卸油，使压下缸快速抬升。在平衡装置的作用下，矫直辊上抬，这样可以迅速处理卡 住的钢板，处理完毕后迅速恢复工作状态，如图1 6 所示。 采用高响应伺服阀液压压下装置，辊系可实现整体前后倾动，左右倾动，预设定正、 负弯辊，以尽可能改善平直度。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 液压弯辊系统 矫直辊上框架分为两部分，中部有铰接点，弯辊液压缸通过偏心轴和铰接点对上辊 系弯辊控制。 图1 7 正弯辊 f i g u r e1 7c o n v e xr o l l e r 图1 8 负弯辊 f i g u r e1 8c o n c a v er o l l e r 弯辊液压缸通过弯辊机构推动左右两半活动上受力架绕中间轴转动，与上受力架相 连的左右两半上辊座同时转动，使左右两侧的支撑辊形成凸起或凹下的形状，实现上辊 系的预弯辊动作。 带载时在矫直力的作用下，矫直辊呈抛物线形状。采用压力控制方式通过弯辊系统 补偿这种附加变形，即通过弯辊液压缸使辊缝在钢板宽度方向达到希望的平行度。另外， 通过两种不同的弯辊方式可以矫直钢板的边浪和中心浪。 图1 7 和图1 8 为s m s 公司生产的中厚板辊式热矫直机的弯辊装置简图。图1 7 为 正弯辊，通过对板材中部施加较大的压弯量，使中部纵向纤维延长到与边部纵向纤维长 度一致而有效消除边浪这一类板型缺陷；图1 8 为负弯辊，通过对板材边部施加较大的 压弯量，使边部纵向纤维延长到与中部纵向纤维长度一致而有效消除中浪这一类板型缺 吲2 5 1 。 ( 6 ) 液压卡紧装置 液压卡紧装置是由液压缸和t 形拉杆等组成。在上受力架上装有八套液压卡紧装 置，液压卡紧活塞上装有t 形头拉杆和手柄。液压卡紧缸有杆腔通油时，通过t 形头拉 杆拉紧上受力架和上辊座装置，将其联为一体。 当需要上辊座装置与受力架脱开时，液压卡紧无杆腔通油，拉杆与上辊座架会脱开 一定的距离，然后搬动手柄，拉杆的t 形头转动9 0 。，再提升上受力架，即可完成上受 东北大学硕士学位论文第一章绪论 力架和上辊座装置的分离。 液压卡紧装置的特点是卡紧力大而且均匀，可快速卡紧和脱开，操作简单、方便， 为快速换辊节省了辅助时间。 ( 7 ) 传动系统 主传动系统普遍采用电机、减速齿轮分配箱、安全联轴器、万向接轴到工作辊的传 动方式。 矫直机矫直钢板时，由于钢板长度方向发生塑性变形，钢板与矫直辊速度差可达到 3 ，因而产生附加扭矩，以往的整体传动易导致接轴和齿轮损坏，同时当矫直辊与钢 板产生速差时，钢板打滑现象会损伤表面，为了避免这些现象的发生，矫直辊尽量采用 单独传动或分组传动，同时还可用于控制张力【2 6 1 。 ( 8 ) 换辊装置 换辊装置用于把需要更换的上、下辊系拖出矫直机，并把新的上、下辊系推进矫直 机内，换辊时，上、下辊座装置可以整体快速更换，也可以单独快速更换上、下辊座装 置。 换装装置是由换辊液压缸、换辊台架等组成。换辊缸布置在矫直机本体操作侧，可 以方便液压缸检修。 1 4 中厚板辊式矫直理论的研究 由于材料机械性能和矫直辊与钢板的接触存在非线性关系，精确分析矫直过程难度 很大。研究辊式矫直过程，主要是探讨弯曲过程中各接触点处曲率之间的关系、曲率与 接触点和接触倾角的关系以及曲率和压下量之间的关系等 2 7 3 0 】。在以往的研究中，依据 计算方法不同，把曲率解析发展分成四类：基于实验的计算公式、基于悬臂梁假设的理 论公式、有限元计算方法以及基于曲率积分的理论公式。 ( 1 ) 实验法 日比野文雄【3 1 1 在两台小型实验矫直机上分别实际测量矫直过程中应变，通过回归得 到矫直过程中钢板表面应变驯的经验公式，同时他认为根据相似性原则该公式可以推 广到大型矫直机上，公式形式如下： e s m - = 朋筹 ( 1 1 ) 2 朋i l l l j 式中，m 为实验回归系数，在5 7 之间，通常取6 。 柳修介3 2 1 等通过薄板拉伸矫直实验，在日比野实验公式的基础上给出张力条件下， 曲率的修正公式，如下： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 k = 聊云( 1 + 仅o t ) ( 1 2 ) f 式中，g t 为入口侧张应力，m p a ；0 【为张力补偿系数，取0 0 1 8 1 ；m 取4 2 8 。 的埸哲【3 3 】等在日比野实验的基础上，使用6 1 5 m m 厚的钢板，在大型矫直机上实际 测量矫直过程中钢板表面应变的变化，认为在实际矫直操作中，曲率在5 倍屈服曲率范 围内可采用下式近似计算： 七：篁 ( 1 3 ) 尼= 1 1 j ， 72l 阿高松男p q 通过大量实验，分析得出塑性变形率在7 0 以上时矫直效果大幅度提 高，同时认为钢板的形状不良最合适的矫直方法是：前两道次采用弯曲曲率较大的平行 压下矫直，使得曲率均匀化，第三道次采用倾斜矫直使得残余曲率收敛为零。 实验公式可以简单地描述曲率和压下量之间的关系，可以方便地计算力能，对设计 矫直机或者矫直生产中进行力能校核有重要意义，也可以粗略地计算曲率的分布，然而 由于实验公式受实验条件的限制总有一定的使用范围，而且公式系数的波动也不小，因 此很难满足系统分析矫直过程的要求。 ( 2 ) 基于梁弯曲的理论方法 日比野文雄【3 7 3 9 】以理想弹塑性材料为研究对象，采用纯弯曲理论推导出板材矫直过 程中曲率的递推公式。 付文祖【4 0 1 在梁纯弯曲理论基础上，基于梁的小挠度曲线微分方程，假定矫直过程的 弹塑性为线性纯弯曲，对微分方程进行积分得到压下量计算公式，如下： 6 ：咝 ( 1 4 ) 4 e h 刘怀正【4 1 1 对比分析简支梁假设、悬臂梁假设和纯弯曲假设的弯曲理论，根据大变形 矫直原理，按悬臂梁假设的压下量公式，同时推荐取上极限值，公式如下： 1 5 ：0 3 7 6 , l ( 1 5 ) 拗 崔甫认为简支梁的压弯挠度等于弹复挠度和残留挠度之和，用解析法求解弹复挠 度，以残余曲率为自变量的挠曲函数求解残留挠度。认为在辊式矫直机上两个简支点为 零弯矩点，因此各辊处的压下量可近似地按该辊处的压弯挠度与其前后相邻二辊压弯挠 度之半相加来计算。 俞慧【4 2 1 将板材在矫直过程中的弯曲曲线近似为圆弧，利用几何关系求出压下量。 孙士沂【4 3 1 分别对简支梁和嵌固梁静止状态和运动状态进行计算，在运动过程中考虑 弹性卸载，对比分析得出运动梁与静止梁相比挠度要大的多。 东北大学硕士学位论文 周存龙删基于孙士沂运动梁弯曲理论分析辊式矫直过程，忽略接触点 弯矩点位于相邻辊中间，加载过程分为弹性弯曲段、弹塑性弯曲段和塑性 过程为弹性变形，分别计算各个变形段的曲率与压下量之间的关系。 对于梁弯曲矫直理论，国内学者研究居多，可以简单方便地描述梁的 于接触点和接触倾角的影响，梁弯曲理论假设在需要系统分析矫直过程时精度不够。 ( 3 ) 有限元法 p a r k 4 5 j 等利用有限元法在1 5 辊矫直机上对原始曲率为零的薄带，设定入口压下量 为3 m m 或5 m m ，模拟分析矫直后残余曲率，计算结果表明入口压下量对残余曲率的影 响很大。 周存龙m 】等通过有限元软件a n s y s l s d y n a 对矫直过程进行模拟，利用模拟结 果中某时刻的垂直位移求解板材的弯曲轨迹，对各点垂直位移进行拟合，由拟合曲线计 算板材在矫直过程中的曲率变化。另外，通过设定不同的压下量和厚度分析中厚板热矫 直过程中压下量对塑性变形的影响规律【4 7 1 。 有限元法可以详尽地分析整个矫直过程应力和应变，但计算量过大，获得一些矫直 过程重要参数时又过于繁杂，虽被大量使用，但因计算时间太长以及后续对结果数据的 回归处理复杂等原因，不适合工程应用。 ( 4 ) 曲率积分法 荒木甚_ f l g e 4 8 】采用2 维矫直分析模型，分析不同初始曲率和不同矫直辊数下，压下 量与曲率的关系，以及压下量与残余应力分布的关系，通过该方法可以优化矫直工艺参 数。然后分析辊数对矫直过程的影响，在对3 辊、5 辊及7 辊的矫直过程分析中，得出 最大矫直曲率越大，初始曲率影响越小。辊数和辊距对残余曲率影响很大，应选择合适 的矫直机配置。 随着接触位置的变化曲率积分的计算值波动很大，接触角和接触点计算相关的求解 也可能不收敛。针对上述原因，朗田浩次 4 9 , 5 0 1 等提出种计算矫直过程曲率积分的新方 法，解析方法简单，收敛稳定性显著提高。 基于曲率积分理论，可以精确地分析矫直过程。由于曲率的变化对于曲率差值积分 值的影响很小，因此在迭代计算时采用对曲率差值进行积分代替直接对曲率积分，对两 种非线性问题进行分离，从而保证计算的稳定性和收敛性。尽管曲率积分理论得到不断 的修正和完善，然而仍然有一些问题困扰该方法，比如迭代初始点的选择、递推公式中 第一辊接触点处倾角的确定和材料模型的选择等，另外，矫直分析应该从只考虑长度方 向和厚度方向的两维扩展到包括宽度方向的3 维，这样才能确定宽度方向的压下量分布 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 对残余应力和平直度的影响关系。 1 5 本文研究的目的和内容 1 5 1 本文研究的目的 本文以弹塑性变形理论为基础，以东北大学轧制及连轧自动化国家重点实验室与某 中厚板材有限公司的合作项目“矫直机过程自动化模型设定系统为依托，研究中 厚板矫直原理，开发中厚板矫直模型，开发出具有自主知识产权的“中厚板矫直机二级 过程机设定模型系统软件。 1 5 2 本文研究的内容 本文以科研项目为背景，研究中厚板矫直