（机械电子工程专业论文）板带辊式矫正机力能参数计算模型研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 本文以某厂七辊矫正机为研究对象，采用理论分析与实验研究相结合的方式，在分析 几种力能参数计算方法的基础上，提出了新的计算模型。 ( 1 ) 从弹塑性变形基础理论入手，探讨了矫正机力能参数的研究现状。利用对比研 究的方法，讨论了各种模型的优缺点与适用情况。 ( 2 ) 利用现场测试得出的矫正辊压下及辊心位置数据，提出了基于矫正辊中心位置的 有限元力能参数计算方法。利用三维有限元方法将测得的板材数据进行建模、加载、计算 得出矫正力能参数数据，通过与实测值对比分析发现该模型的结果与实测值比较接近。 ( 3 ) 板材在矫正力作用下发生变形，每辊的压下量对应一条分段曲线。基于这一思 想，提出了以三次曲线来模拟板材变形曲线的力能参数计算方法。通过分析曲线曲率与弯 矩的关系，得到力能参数计算模型。并将实测的钢板矫正工艺参数带入该模型进行计算， 所得力能参数与实测值也比较接近。 本文的研究结果为板带辊式矫正机力能参数计算提供了两种新的计算模型和方法，这 两种方法比传统的计算模型更接近实际。这些新的计算模型和方法对矫正机的力能参数计 算、工艺参数设计以及设备的维护、改造具有一定的参考价值。 关键词：辊式矫正机、力能参数、压下量、曲线方程 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论 a b s t r c t 1 1 1 i sa r t i c l et a k et h es e v e n r o l l e rs t r a i g h t e n o ra st h es t u d yo b j e c t ，u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s a sw e l la se x p e r i m e n t a ls t u d yt op r o p o s es o m en e wc a l c u l a t i o n a lm o d e lb a s e do nt h ea n a l y s i so f s e v e r a le n e r g e t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n a lm o d e l ( 1 ) t h ea r t i c l es t a r tf r o mb a s i ct h e o r yo fe l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，d i s c u s st h en o w a d a y s r e s e a r c ho ft h ee n e r g e t i cp a r a m e t e r s i td i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c h m e t h o da sw e l l 嬲t h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o nb yc o m p a r i n gm e a s u r e dv a l u e sw i t ht h ec a l c u l a t e d o n e s ( 2 ) u s i n gt h et e s td a t ao fr o l l e r sc e n t r i cp o s i t i o n ，t h i sa r t i c l ea d v a n c e st h ef i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o n a lm e t h o d t a k i n gt h ep l a t em o d e ls p e c i f i c a t i o n st 0e s t a b l i s hm o d e l ，e x e r t i n gt h e l o a 士t 1 1 er o l l e r sc e n t r i cp o s i t i o no np l a t e u s i n gt h em e a s u r e dp l a t ed a t at oe s t a b l i s hm o d e l ， l o a da n dc a l c u l a t eb yt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e ni t g e t st h ee n e r g e t i c p a r a m e t e r sd a t a t h ec o m p a r e dr e s u l ts h o w s t h a tt h ec a c u l a t e dv a l u ea p p r o a c h e st ot h em e a s u r e d v a l u e ( 3 ) t h ew o r k p i e c ew i l ld e f o r mu n d e rt h es t r a i g h t e nf o r c e ，e a c hr e d u c t i o nc o r r e s p o n d sa d e f o r m a t i o nc u r v e b a s e do ni tt h ea r t i c l eb r i n gf o r w a r dt h ei d e ao fs i m u l a t i n gw o r k p i e c e s d e f o r m a t i o nc u b i cc u r v ee q u a t i o nt os t u d ye n e r g e t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nm e t h o d t h r o u g h a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r v a t u r ea n db e n d i n gm o m e n t ，w eg a i nt h en e we n e r g e t i c p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n a lm o d e l a n db yb i n g i n gt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e rt ot h en e w m e t h o dt o c a l c u l a t ea n da n a l y s e ，t h er e s u l ti sa l s oc l o s et ot h em e a s u r e dv a l u e 1 1 1 er e s u l t so ft h i sa r t i c l ep r o p o s et w oc a c u l a t i o nm o d e l so rm e t h o d sf o rt h es t r a i g h t e n o r s e n e r g e t i cp a r a m e t e rc a l c u l a t i o nr e s e a r c h t h e s et w om o d e l sa r ec l o s e rt ot h ep r a c t i c a lo n e t h e y h a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rs t r a i g h t e n o ro ft h es a m ef o r c et om a k ee n e r g e t i cp a r a m e t e r s c a l c u l a t i o n ，t h ed e s i g no fp r o c e s sp a r a m e t e r sa sw e l la se q u i p m e n tm a i n t e n a n c e ，t r a n s f o r m a t i o n k e yw o r d s ：r o l l - s t r a i g h t e n o r e n e r g e t i cp a r a m e t e r s r e d u c t i o nc u r v ee q u a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名一型鍪么一日期：丝乒：二互：? 吕 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名一i 鱼垄 指导教师签名：乏题盎 日期： 亟望：! ：! 里 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章概述 金属板材在轧制、锻造、挤压、拉拔、运输、冷却及各种加工过程中常因外力作用， 温度变化以及内力消长而发生弯曲或扭曲变形。为获得平直的成品板材必须使其纵向纤维 或纵向截面由曲变直，横向纤维或横向截面亦由曲变直。实现这一要求的工艺过程即为矫 正川。矫正与弯曲是两个相反的工艺过程，但其变形机理相同，即根据弹塑性理论，通过 弯曲、拉伸等方法改变板材的弯曲曲率，最终使其达到平直。详细理解和掌握弹塑性理论， 对于研究矫正原理及其相关技术具有指导性意义。在理论基础的指导下，对材料进行变形 过程的应变、应力等研究，从而可以得到针对各种材质和型号钢材的矫正工艺参数和矫正 力能参数。 1 1 弹塑性变形及其特点 大量实验研究证明，对于每一种具体的固体材料，在一定条件下，应力和应变之间有 着确定的关系，这种关系反应了材料的各种特性。图1 1 为典型的拉伸实验所得出的材料应 力应变曲线。 6 0 图1 1应力应变曲线 在图1 1 中，o a 为比例变形阶段。这个阶段中，应力与应变之间呈线性关系，可用胡 克定律来表示：仃= er r 。a 点对应的应力称为比例极限，记为盯。由a n b 点虽仍是弹性 变形但不能用线性关系表示，记为口，。许多材料的o r 。与盯。非常接近，故均以o r 。表示。b e 段为屈服阶段，c 点和d 点分别为材料的上屈服极限和下屈服极限。上屈服极限受截面形状、 大小、加载速率等影响较大，故一般采用下屈服极限作为屈服极限，记为盯。t 程中，一 般不把仃。、仃。与o r 。三者之间区分开来，统一以盯。表示屈服极限。从e 点开始，材料出现 了强化现象，即试件只有在应力增加时其应变才会增加。若在材料的屈服阶段或强化阶段 内卸去载荷，应力应变不会沿原路径返回，而是沿平行于o a 的m r ( k q 、l a p ) 返回。这说明 材料虽然产生了塑性变形但其弹性质并未消失。若在r ( 或p 、q ) 点重新加载，则应力应变 曲线仍将沿着r m e g ( 或p h e f g 、q k f g ) 变化，在m ( 或h 、k ) 点材料重新进入塑性变形 第2 页武汉科技大学硕士学位论 阶段。显然，这提高了材料的屈服极限。经过卸载又加载，材料的屈服极限升高，塑性降 低，增加了材料抵抗变形能力的现象，则为强化( 或硬化) 。f 点对应材料的强度极限， 用仃。表示。应力超过这个值，试件将很快被拉断。 由上述的变形曲线分析，我们可以得出弹、塑性变形的特点。 1 1 1 弹性变形的特点 ( 1 ) 弹性变形可逆。物体在变形过程中，外力所做的功以能量( 应变能) 的形式贮存在 物体内，卸载时弹性应变能全部释放，物体变形得以完全恢复。 ( 2 ) 无论材料处于单向应力状态还是复杂应力状态，在线弹性变形阶段，应力和应变成 线性比例关系。 ( 3 ) 对材料加载或卸载，其应力应变曲线路径相同，故应力应变是一一对应关系。 1 1 2 塑性变形的特点 ( 1 ) 塑性变形不可恢复，所以外力功不可逆，塑性变形的产生必定要耗散能量( 称为 耗散能或变形功) 。 ( 2 ) 在塑性变形阶段，应力应变关系为非线性。由于本构方程的非线性，所以不能使 用叠加原理。又因为加载与卸载的规律不同，应力与应变之间不存在一一对应关系，即应 力与相应的应变不能唯一地确定，而应当考虑到加载路径( 或加载历史) 。 ( 3 ) 在载荷作用下，变形体所有的部分仍处于弹性状态( 弹性区) ，有的部分已进入 了塑性状态( 塑性区) 。在弹性区，加载与卸载都服从广义胡克定律。但在塑性区，加载 过程服从塑性规律，卸载过程服从弹性的胡克定律。并且随着卸荷的变化，两区域的分界 面也会变化。 以上的弹塑性变形相关原理，是通过大量的实验总结出来的。然而，如何从理论上判 断物体是否由弹性状态进入塑性状态，就需要满足一定的条件屈服条件。常用的屈服 条件有t r e s c a 屈服条件( 最大剪应力条件) 、m i s e s 屈服条件( 畸变能条件) 、s a i n t - v e n a n t 条件( 最大弹性应变条件) 等吃 。以这些条件为基础，建立物体的力学方程、几何方程、 本构方程，即可从理论上解答出其位移、应力、应变等参量。在建立和解析这些方程方面， 各国学者做出了大量研究。a l c a u c h y , c l m h n a v i e r 和s d p o i s s o n 首先建立了弹性理论 基本方程；g g r e e n 从拉格朗日分析力学建立了虚位移原理，并首次定出最一般弹性关系的 2 1 个弹性系数；贝蒂定理和苏米格梁纳等式也在解决弹性理论一般解问题时具有很重要的 作用。在弹性理论的平面问题中，t i m o s h e n k o 和g o o d i e r 全面论述了其基本解法b 卜【5 j 。而 后，逐渐发展了弹性理论的变分法，提出了虚功原理、最小位能原理、最小余能原理、瑞 雷里兹法等重要方法。 1 2 梁的弹塑性弯曲 弹塑性理论应用于梁的弯曲，首先是著名学者g a l e i o 在其名著两种新的科学中， 用简单拉伸的方法来研究材料的强度，并把使杆件拉断的力称为“断裂时的绝对抗力”。弯 曲弹塑性理论的许多发展和结论是f l ：l s a i n t v e n a n t 做出的。他第一个验证了梁的弯曲理论是 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 建立在平截面假定和纵向纤维无挤压假定。除此之外，他还讨论了材料不服从h o o k e 定律 时梁的弯曲和材料拉压性质不同时梁的弯曲问题。1 9 3 0 年，法国的l u d w i k 参照梁的弹塑性 弯曲工程理论来研究梁的弹塑性弯曲。而后德国的许多学者在这方面的研究也做出了贡献 【4 】【5 】 o 这些研究，一般都采用以下几个基本假设哺1 ： ( 1 ) 在梁横截面上，只考虑正应力，忽略挤压应力；由于塑性区的剪应力分量为零， 在梁的屈服条件中仅包含正应力。 ( 2 ) 在弯曲变形时，梁的横截面始终保持为平面，且与变形后的梁轴线相垂直。 ( 3 ) 在梁达到塑性极限状态的瞬间之前，其挠度与横截面尺寸相比为一小量，即梁在 发生无约束塑性变形之前，关于小挠度的假设依然成立。 1 3 弹塑性理论在矫正中的应用 依据弹塑性理论，使金属条材的横向或纵向截面经过反复弯曲、拉压等方法产生弹塑 性变形而恢复平直的过程，即为矫正。我国古人已经从生产生活中总结出“矫枉必须过正” 的理性结论。现在，人们在掌握了大量弹塑性理论的基础上，不仅验证了这个规律，而且 找到了计算“过正量”的科学方法，指出在“过正量”与金属弹复量相等时可达到矫正目的。 随着技术的不断发展和金属材料在生产生活中的广泛应用，矫正这个工艺已经越趋成 熟，它在很大程度上决定着产品的质量水平。在2 0 世纪矫正技术取得了长足的发展，但理 论滞后于实践的现象比较明显。而且，总体来看，矫正理论仍然处于粗糙阶段。比如其基 本参数的确定还要依靠许多经验算法和经验数据；理论的概括性不够，一套公式不能包括 各种断面型材，甚至同种型材不同尺寸或材质不同都缺乏通用表达式。2 0 世纪7 0 年代以来， 矫正技术与矫正理论的发展明显加快。如拉弯矫正技术很快走向成熟，开发了许多新的矫 正技术如平动( 万能) 矫正技术、行星矫正技术、全长矫正技术等。这些理论、技术也在 实际生产中得到应用，取得了巨大的经济效益与良好的社会。 矫正技术的革新，表现在矫正机械设备的发展。目前板材的矫正主要是通过各种类型 的矫正机。经过多年的发展，矫正机已成为冶金工业生产中最常用的辅助设备之一，矫正 技术也成为冶金工业中重要的生产技术。 现代矫正机的品种和规格很多，也有很多分类方法。按照矫正机结构特点可分为：压 力矫正机、辊式矫正机、管材棒材矫正机、张力矫正机和拉伸弯曲矫正机等眩 。按照用途 分为：型材矫正机、板材矫正机、带材矫正机、管棒材矫正机、线材矫正机、薄壁异型管 平动式矫正机、连铸拉坯矫正机和特殊用途矫正机。按照原理不同分为：反复弯曲式矫正 机、旋转弯曲式矫正机、拉伸矫正机、拉弯矫正机和拉坯矫正机。按这些方法分类的矫正 机还可以进一步按具体用途、具体结构、传动方式及控制方式等的不同再做细化分类，每 个细化分类中又有不同规格形成产品系列。 1 4 辊式矫正机 第4 页武汉科技大学硕士学位论 冶金生产中，板带材是最为常见的产品。矫j 下这类金属型材最常用的设备是辊式矫正 机。国内的大中型钢厂中，辊式矫正机的配备也比较普遍。虽然相关理论技术和实践结论 已比较成熟，但现实中仍还有许多问题值得探讨。本课题的研究对象是辊式矫j 下机，故有 必要针对该类型的矫j 下机作重点介绍。 1 4 1 辊式矫正机的工作原理 辊式矫正机是在压力矫正机的基础上而发明的，这个发明创新的理论基础就是金属材 料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大差别，在弹复后所残留的弯曲程 度差别会显著减小，甚至会趋于一致。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲必然会一 致趋于零值而达到矫正目的。因此，辊式矫正机的矫正原理就是使板带材在矫正辊压力的 作用下，进行纯弯曲、发生弹塑性变形，当矫正力消除、板带材弹性回复后，消除了一部 分的原始曲率。剩余的曲率则作为下一个矫正辊的原始曲率，经过多个矫j 下辊的作用，剩 余曲率逐步减小、板带材最终趋于平直。 由此可见，辊式矫正机必须具有两个基本特征：第一是具有相当数量交错配置的工作辊 以实现对钢板的多次反复弯曲；第二是压弯量可以调整，能实现矫j 下所需要的压弯方案。 第一个条件是为了在将原始曲率的大小和方向均不同的轧件在消除原始曲率不均的同时 将轧件矫正平整。第二个条件采用适当的压下量则能使轧件不同的原始曲率迅速的变得均 匀而趋于平直，调节板在每根辊下的弯曲变形，获得合适的压弯曲率，以使得板最终能得 到矫正【7 】【9 】o 1 4 2 辊式矫正机的分类 辊式矫正机是目前应用最广泛、门类、品种和规格最多的矫j 下机，其基本分类方法按 用途可分为板材与型材两大类。细化则有多种方法，如板材矫正机有按厚、中、薄三类划 分；也有按板厚来标称板材矫正机；还有用重型和普通型来区分板材矫正机；以及用板宽 来编排矫正机系列等。 从趋势上看，以厚度来区分板材矫正机是最基本的方法u 叫。 ( 1 ) 中厚板矫正机，其矫正能力上限是厚板，下限是中板。中厚板矫正机属于重型设备， 矫正能力强，重量大，主要用于中板及厚板生产车间，在造船、锅炉和化工设备工业中都 用应用。如我国曾经引进过的英国的布朗克斯( b r o n x ) 矫正机就是中厚板矫正机。 ( 2 ) 中薄板矫正机，其矫正能力上限是中板，下限是薄板。这种矫正机用于厚度为2 5 1 6 m m 的板材，其工作范围以板厚比来表示，即所矫正板厚度变化的比值。值得注意的是， 中薄板矫正机的辊径较细，因其稳定性不好不能用一对一的支持法，而用交错支持法。 ( 3 ) 薄板矫j 下机，该类矫正机用于厚度为0 2 6 5 m m 的板材。这类矫j 下机通常是具有辊 径d , ( 1 7 辊) 、凸度调节必不可少等特点，且支承辊排数较多，上梁能纵 向倾斜，有时甚至要求能横向倾斜。 1 4 3 辊式矫正机的矫正方案 按照辊式矫正机每根辊子使轧件产生的变形程度，可分为多种矫正方案。目前研究和 应用最多的是两种方案：大变形方案和小变形方案川1 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 ) 大变形矫正方案 大变形矫正方案是在第二、第三辊上采用很大的反弯曲率，使轧件各部分的弯曲变形 总曲率均达到很大值，而让残余曲率不均匀性迅速减小。从第四辊之后轧件的反弯曲率可 逐渐减小，使轧件趋于平直。采用这种方案，可以用较少的辊子获得较好的矫正质量。但 是过分增加轧件的变形程度会使对加工硬化明显的材料及大断面系数的轧件增加其内部 的残余应力，影响产品质量，而且会加大矫正机的能量消耗。 2 ) 小变形矫正方案 小变形矫正方案是针对矫正机上排工作辊可以单独调整每个辊子压下量的方案。在这 个方案中，进入各个辊子下的轧件经反弯和弹复后，其最大原始曲率要完全消除。这样原 来平直部分产生新的弯曲，就作为下一辊的反弯原始曲率，经过反复弯曲后使得轧件矫正。 采用这个方案各辊的压下量相对较小，所以消耗的功率小，但是原始曲率消除缓慢，要达 到既定的矫正质量就必须增加矫j 下辊的数量，从而导致矫正机设备结构复杂。 从以上的两个矫正方案中可以看出，辊式矫正机的矫正过程具有以下特点： ( 1 ) 轧件的原始曲率通常是不均匀的。即大小或者方向不致。辊式矫正机的作用是通过 各辊的反复弯曲，逐步缩小轧件的残余曲率的变化范围。 ( 2 ) 矫正机的前几个辊子的主要作用是缩小残余曲率的差值，后面几个辊子的作用是减 小趋于均匀的残余曲率。矫正机各辊的压下量通常就是按这一原则进行选取的。 ( 3 ) 增大最初几个矫正辊的压下量，可以迅速地缩小原始曲率的不均匀性，提高矫正效 率。 1 4 4 辊式矫正机的结构特点及发展趋势 1 ) 辊式矫正机的结构特点 辊式矫正机一般由下列几部分组成：主传动系统、机架、压下系统、辊系、上辊平衡 系统、导辊升降装置、弯辊( 辊型调整) 装置及换辊装置等。各部分具有以下的结构特点2 卜 0 4 1 ： ( 1 ) 主传动系统采用电机、弹性联轴器、主传动齿轮分配箱、安全联轴器、万向联轴器 到工作辊的传动方式，其主传动齿轮分配箱将减速箱与齿轮分配箱设计为一体，使得传动 系统结构紧凑。 ( 2 ) 与轧机系统类似，辊式矫正机压下系统的常规结构为电机、齿轮减速机构。近年来 液压压下系统也越来越多地应用于辊式矫正机。 ( 3 ) 辊式矫正机的工作机座可分为台架式和牌坊式两大类。大都采用预应力式机座，其 主要由压下齿轮箱、中间连接梁、矫正机底座，通过贯穿螺栓联结。 ( 4 ) 辊式矫正机的辊径与辊身长度之比很小，为提高辊子的强度与刚度，大多设置支承 辊。 ( 5 ) 弯辊装置是该设备的重要功能之一，通过上辊的弯辊可以实现中浪缺陷的矫平。具 体为减速电机拖动蜗杆、蜗轮副拉动拉杆，拉杆拖动曲柄带动偏心轴转动，依靠偏心量实 现调整弯辊量。近年来采用液压缸拖动楔块来调整工作辊( 上辊或下辊) 弯曲程度的装置 第6 页武汉科技大学硕士学位论 也越来越多。 ( 6 ) 快速换辊装置是通过将上下辊架制作成为小车形式，支承辊和工作辊集成在辊架上， 在使用位置予以固定，当换辊时，松开固定联接，由快换电机拖动将辊架由机座侧面拖出， 实现整体快换。 2 ) 辊式矫正机的发展趋势 辊式矫正机是在实际生产中使用最广泛的一类矫正机，随着矫正技术的进步以及工业 生产中对钢板的质量要求越来越高，辊式矫正机的要求也越来越高。新一代的矫正机一般 要求高刚度、全液压调节及先进的自动化系统；由计算机控制的矫j 下辊缝调节系统可根据钢 板厚度设定调节上辊组的开口度，以及入e l 出口方向和左右方向的倾斜调节；上辊组可以 快速打开、关闭，上矫j 下辊的弯曲调节用以纠正钢板的中间浪和左右边浪，并且每个上辊 和下辊组的入口出口辊可以单独调节。矫正机的研究发展方向是开发研制高效节能、高精 度和高度自动化的环保型矫正机。既要求有高质量，又要有高矫j 下速度，在产品上能满足 大规模生产的需求，而且还必须降低工作噪声，操作上实现完全自动化【l 5 】 【 】。 1 5 辊式矫正机力能参数研究 辊式矫正机的力能参数是反应其工作性能的重要指标，它包括矫正力、工作转矩及驱 动功率。在矫正辊按某种压弯方案调定之后，各辊对工件的压弯程度，即压弯曲率( 比) 即可确定。在已知原始曲率( 比) 的条件下可以计算总曲率( 比) 变化并进一步计算出矫 正弯矩、矫正力、传动转矩及驱动功率。 力能参数的研究一般采用解析法和数值分析法两种方法进行【1 8 】。解析法以材料力学中 梁的弯曲理论为基础，根据一些假设条件，建立矫正过程中板材在发生弹塑性弯曲变形时 的力能参数与几何参数以及各几何参数之间的解析关系式，求解所需要的工艺参数。数值 分析法将板材分解成若干单元，根据边界条件及加载条件求解得到板材内部任意一点的应 力、应变及位移等参数，以此分析板材在矫正过程中的变形规律。有限元法是最具代表性 的数值分析法。解析法经过多年的发展，已形成一套成熟的理论，其中最为常用的是基于 纯弹、塑性弯曲变形的近似理论方法。但该方法因建立在许多假设条件之上，且忽略了许 多实际情况中的变形影响，故使得计算结果存在较大误差。后来，有学者和研究人员基于 板材上下弯曲时出现的零弯矩点，提出了“虚拟支点”的概念；将板材在矫j f 辊下的弯曲看 作一段段简支梁的变形，然后根据曲率变化推导力能参数的计算公式，这种思想较为可靠 和实用，而从计算结果和实测值的对比也得知此方法有一定的优点。随着有限元方法在冶 金生产领域的应用，通过建模模拟矫正过程，这种研究方法能比较直观地对弯曲、变形进 行仿真，而且计算数据也有一定的精确度，所以发展极其迅速和可靠。下面简单介绍下这 几种典型的力能参数研究方法。 1 5 1 传统的解析法模型 这种模型的基本思想是：将板带等效为受很多集中载荷的连续梁，认为梁在前几辊处 发生纯塑性变形，中间几个辊处发生弹塑性变形，后几辊处发生纯弹性变形。板带所受到 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 矫正辊的集中力即为矫正力17 】 1 9 1 ( 图1 2 ) 。 图1 2 作用在矫正辊上的压力( 矫正力) 通过轧件弯曲所需弯曲力矩来计算矫正力。而弯曲力矩按以下假设来确定：第2 、3 、 4 辊下轧件的弯矩假设为纯塑性力矩，出口端除最后一辊外的三个辊的弯矩假设为纯弹性 力矩，其余辊子( 除第一辊和最后一辊外) 下，轧件的弯曲力矩等于上述两种力矩的均值， 这样便可求出每根辊对应的弯矩。然后根据力矩平衡即可求出各辊下的矫正力。 作用在矫j 下辊上的矫j 下扭矩m 。根据功能相等的原则确定。矫正扭矩在辊子上产生的 矫正功a 。应该等于使轧件产生塑性变形的功ap ，即ap = a 。而塑性变形的功ap 是根据 板材在辊下的变形曲率求出。通过假设各辊下的残余曲率均为最大残余曲率，便可计算出 总矫正扭矩。 电机的驱动功率主要用于三个方面的做功：矫正扭矩做功、轧件与辊子间的滚动摩擦 力矩做功、辊子轴承中的摩擦力矩做功。对这三部分分别计算后求和即为驱动功率。 1 5 2 “虚拟支点 模型 由图1 2 可知，板材在各辊下发生弹塑性变形时，有的弯矩为正，有的弯矩为负，则 必然在板的某个位置存在一个零弯矩点，即“虚拟支点”啪3 。 在传统模型中，一般都是采用如图1 3 所示的反弯矫正的简支梁模型来进行矫正力的 计算。其力学模型见图1 4 图1 3 简化反弯矫正模型图 图1 4 传统的简支梁受力模型 第8 页武汉科技大学硕士学位论 图中，i 为第i 号辊，t 是辊距，p ，为第l 辊处矫正力。按该简支梁简化，两端的力学条件 与实际并不相符。由于钢板矫正时，受到相邻辊的限制，两端显然应该有弯矩存在，如图 1 5 所示。 图1 5“虚拟支点”的力学模型 所以在图1 3 这种简化模型基础上推导而得到的计算公式是不够严谨的，应用到实际中 误差也就较大。应该根据图1 5 的力学模型进行计算公式的推导。 对于平行辊矫正机而言，在距相邻上、下辊1 4 辊距处就是这个零弯矩点。 为了得到简单而合理的模型，可以充分利用这个零弯矩点来考虑建立模型。把这个零 弯矩点看作为一个假想的物理支点，引入虚拟支点的概念，取该支点所处断面上的剪力为 支点反力。采用虚拟支点以后，建模时就对简支梁两端的弯矩进行了考虑，实现了真正意 义上的力学平衡。 根据新的力学模型，建立梁的三弯矩方程，即可得出第i 辊矫正力的计算公式，它与相 邻三辊的弯曲力矩密切相关。弯曲力矩可以通过各辊的总相对变形曲率计算得出。这样便 得到了每根辊下的矫正力计算方法。 矫正扭矩的计算，主要包括三方面的内容：轧件弯曲变形所需力矩、克服轧件与辊子 间滚动摩擦所需的力矩、克服辊子轴承的摩擦及支承辊与工作辊间的滚动摩擦所需力矩。 传动功率与矫正扭矩成正比关系，此外还与矫j 下速度、矫正辊直径、传动效率等因素 有关。 1 5 3 有限元模型 有限元方法作为一种精确有效的数值计算方法，广泛应用于各种模型系统的求解计 算。它是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值方法，其核心思想就是：分析对象的离 散化。即将分析对象的结构或实体划分为有限个微小的单元体，两相邻单元间只通过节点 相连接。作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量，以这些单元 体的集合替代原来的连续结构实体。离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计 算模型的过程，因此也称为模型化过程。此思想的实质把具有无限个自由度的连续系统理 想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。随 着计算机技术的飞速发展，将有限元方法应用到计算机程序，从而使计算过程简化，节约 了大量时间。而且可配有丰富的动态图形显示功能，能够比较直观的反映出计算过程和结 果，为研究人员提供方便。 有限元法在冶金设备中也有非常广泛的应用。除了冶金设备的初始设计方面，可以迅 速而准确地分析结构强度和刚度等问题；也应用于现役的冶金设备的零件断裂事故分析、 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 改造设计、强度分析及零件表面使用特性的研究等等。在矫正领域，燕山大学的李学通采 用弹塑性有限元法建立中厚板矫正过程的二维动态有限元分析模型，并针对1l 辊矫正机不 同厚度板材、不同矫正方案的矫正过程进行了模拟计算。给出了矫正过程板材应力场、应 变场和各矫正辊矫正力的分布图。此外，许多学者用有限元进行了板材轧制后的残余应力 分析、板材头部翘曲分析等。一重的部国光高工利用a n s y s 5 5 软件，对七辊矫正机的矫 正过程进行了二维有限元模拟，计算了一定压弯量下的矫正力、矫正力矩，并对矫正过程 中的应力分布进行了介纠2 1 】 【2 4 1 。 1 6 本课题的研究来源、内容、意义 1 6 1 本课题的研究来源 武钢二热轧厂是武钢“十五”规划期间上马的重大工程项目，其精整横切机组全套机械 设备由德国s m s 设计、部分设备由国内配套。两台辊式矫正机( 一台7 辊，一台1 1 $ g ) 自 投产以来，生产中出现减速机齿轮折断、万向接轴断裂、减速箱轴承座箱盖联结螺栓拉断 及工作辊辊面粘着氧化铁皮以致影响钢板表面质量等故障，严重影响了产品质量和生产效 率。这些故障的出现与矫正机的力能参数有很大关系，为了降低设备事故率，提高产品质 量和产量，优化工艺操作流程，武汉钢铁股份公司委托武汉科技大学原冶金设备研究所对 7 * g 矫正机的力能参数进行深入研究，提出合理性建议和意见。 1 6 2 本课题的研究内容 虽然国内外的众多学者对矫正机的矫正理论及其力能参数模型进行了比较深入的研 究，但由于理论和模型本身的复杂，加上矫正机种类繁多，而且针对具体工程实践，仍有 许多问题亟待解决。基于武钢二热轧矫正辊发生断裂的实例，在对测试数据详细研究的基 础上，本课题制定了以下的研究内容： ( 1 ) 武钢二热轧7 辊矫正机力能参数测试分析 利用应变测量的方法，通过对二热轧两台矫正机的传动系统进行现场测试，结合 m a t l a b 数据分析，获得了系统的固有频率、工作扭矩、冲击扭矩以及扭矩放大系数 ( t a f ) ，分析了产生冲击的原因，并且提出减小冲击的措施。通过压下缸油压测试，得 到矫正各种规格钢板时的矫正力。所测力能参数对工厂的现场生产及设计部门的设计具有 重要的现实意义。 ( 2 ) 分析力能参数计算模型的弹塑性理论基础，系统研究国内外的辊式矫正机矫正理论 以及各种力能参数计算模型； ( 3 ) 运用现有力能参数计算模型对武钢二热轧的矫正机进行计算，并与现场的测试数据 进行对比分析； ( 4 ) 提出比较合理适用的新模型或计算方法，以对二热轧矫正机的扭矩、压力等设定值 提出改进意见。 1 6 3 本课题的研究目的和意义 武钢二热轧矫正机经常出现的减速机齿轮折断、万向接轴断裂、矫正辊断裂等故障， 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论 也是很多国内乃至国外的矫j 下机的共同问题。本文所做的工作，主要是对力能参数进行研 究，结合实际测试结果，考虑矫正机的理论承载能力，提出适用的新计算方法和合理化建 议。本文的工作为矫正机的矫正力能参数设计提供了理论依据，也为矫正生产的自动化提 供了条件，达到降低设备事故，提高产品质量与产量的目的。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章板带辊式矫正机力能参数实验研究 力能参数决定着矫正机的承载能力，是合理设计和使用矫正机的依据。它主要包括矫 正力、矫正力矩、矫正功率。目前已经有很多针对矫正机力能参数的计算方法和模型，但 最终都必须由实际数据进行校核和对比，故需要对现场实际工况下的力能参数进行测试。 本文以某厂正在使用的7 辊矫正机为研究对象，在实际生产现场采集了所选测点的力能参 数数据，作为建立力能参数计算模型的试验基础【2 i 】f 2 2 】f 矧。 该矫正机由d e m a g 设计，国内配套制造。由工作辊系统、支撑辊系统、主传动系统、 辊缝调整系统以及凸度调整系统等组成。为达到测试目的并保证测试结果准确、可靠，有 必要简单了解各个系统的组成及工作原理。 矫正辊为上三下四布置，图2 1 是矫正辊的横向切面图。每根矫正辊有1 2 个支撑辊( 滚 珠轴承) 交叉排列，用来承受矫正力，提高工作辊的刚度，如图2 2 所示。 图2 1矫正辊截面图 图2 2七辊矫正机辊系 该矫正机由两台电机传动，一台功率为1 6 0 k w 驱动1 、2 、3 号工作辊，另一台功率为 7 5 k w 驱动4 、5 、6 、7 号工作辊。这两台电机联接减速分配器，再通过万向接轴把扭矩传 递给矫j 下辊，如图2 3 所示。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论 x 11 电机 传 动 齿 轮 箱 万向接轴 矫直辊 _ l l 一9 叫h 、广一今二二 图2 3矫正机传动系统( 展开) 示意图 为了适应工作辊的挠曲变形，工作辊一端采用调心辊子轴承，一端采用滚针轴承，在 采用滚针轴承一端，轴承座支座采用弧形支座，达到工作辊系的自调整。下工作辊( 1 、3 、 5 、7 号) 可以单独调整辊缝，分别通过液压缸和一对斜楔调整每个工作辊的压上量，如图 2 4 所示。 图2 4 下辊辊缝调整装置 为了补偿矫正过程中工作辊受矫正力而产生的弯曲变形，在上横梁与上辊座之间设有 辊身凸度调整装置，便于在矫正过程中调整工作辊的凸度，以达到理想的矫正效果。凸度 调整装置由3 套液压缸和斜楔机构组成，沿辊身方向分布，其基本原理与下辊调整机构相 同，方向相差9 0 度，如图2 5 所示。 工作辊 图2 5 上辊凸度调整装置 为了达到理想的矫正效果，该矫正机采用了液压压下控制技术，对矫j 下过程中的辊系 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 压下量进行自动控制。该技术采用4 个液压缸布置在机架与上横梁之间，控制上辊的压下 量，同时作为本机的过载保护系统，如图2 6 所示。 鲞壁查旦 o o o o 图2 6 矫正机液压压下系统 该液压压下系统可以实现“倾斜”、“旋转”和“组合调整”三种调整功能。“倾斜”调整实 现入口端压下量大于出口端压下量，在钢板进入矫正机初期发生大的弹塑性变形，迅速使 钢板内的各种变形曲率趋于一致，然后利用小变形达到矫正的目的。“旋转”调整针对钢板 某一侧“边浪”缺陷，使矫正机工作侧和传动侧的压下量不同，达到矫正“边浪”的目的。“组 合调整”则是同时进行“倾斜”和“旋转”调整。 2 1 测试内容 1 ) 第2 、3 、4 、5 、6 五根万向接轴传动扭矩m e 、m 3 、m 4 、m 5 、m 6 ； 2 ) 主电机功率n l 、n 2 ； 3 ) 主电机转速n l 、n 2 。 4 ) 压下缸油压( 有杆腔及无杆腔) 2 2 测试方案 2 2 1 扭矩测试方案 采用电阻应变的方式测试扭矩。受现场条件的限制，又根据矫正理论分析知道，首尾 两辊的受载较小，中间几辊的受载较大，所以只对第2 、3 、4 、5 、6 五根万向接轴传动扭 矩m 2 、m 3 、m 4 、m 5 、m 6 进行测试就可以基本掌握整个的扭矩传动情况。各根万向接轴 传动扭矩测点位置布在靠近分配箱的轴段上。由于万向接轴受扭时的主应力方向与轴线成 4 5 0 ，所以在轴上沿与轴线成4 5 0 方向粘贴4 片电阻应变片，并按图2 7 所示组成全桥测试 电路，电桥信号经b e n t l y 应变模块调理放大后，再经b e n t l y 数据采集系统采集由 c 6 4 0 d e l l 手提计算机连续记录。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论 图2 7扭矩贴片与组桥方式 2 2 2 主电机功率测试方法 主电机功率的测试是直接在l 撑、2 撑电动机整流前的三相交流电源其中一相上挂一个 6 0 0 a 5 a 的交流互感器，将电压和交流互感器的电流输入w b p 4 1 0 单向功率变送器，其 输出的信号经b e n t l y 数据采集系统由笔记本电脑记录储存。 2 2 3 主电机转速测试方法 将控制室的电机转速信号隔离后引出接入计算机记录。采用便携式测速仪进行转速标 定。 2 2 4 矫正力测试方法 矫正机的矫正力由四个压下油缸提供，而在现场难以直接测试得到，故可以在各压下 缸有杆腔及无杆腔的油路上分别安装油压传感器，将信号通过数据采集设备连接输入计算 机记录，然后由数据间接得出矫正力。 2 3 测试系统框图 所有测试信号均由现场传感器获取，通过前面所述的测试方法最终进入便携式数据采 集系统进行连续采集与存盘，采样频率为每通道5 0 h z 。整个测试系统框图见图2 8 。 2 4 测试力能参数的计算 现场实际测试是将所得信号最终转变为电压信号存储在计算机中，并不是直接存储扭 矩、电机功率及电机转速值，所以要通过计算公式得到。 2 4 1 扭矩标定 用2 5 m m 实心小轴对扭矩进行标定。在小轴上沿与轴线成4 5 0 方向粘贴4 片电阻应 变片，并按图2 组成全桥测试电路，并依次接入各辊万向接轴的扭矩遥测系统中。小轴端 部装有0 3 m 长的臂，在臂端悬挂标准砝码。小轴的抗扭截面模量 w 。：z r d 3 ：3 0 6 8m m 3 ( 式2 - 1 ) ” 1 6 每千克标准砝码对标定小轴产生的扭矩为t = 0 3 x 9 8 = 2 9 4 ( n m ) ，此时小轴表面的剪应 力为 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 弘导：丝业-o958(mpa)in3068 ，一一- - 矿 ( 式2 2 ) 图2 8测试系统框图 小轴臂端砝码从零开始，每次增加l k g ，一直加到5k g 。记录不同重量砝码时各扭矩 遥测通道的输出电压值，计算出平均每蚝砝码对应的各扭矩遥测通道的输出电压值，推 算出小轴上的剪应力标定值，列于表2 1 。 表2 - 1 各扭矩遥测通道标定值 矫正机各测点的扭矩标定值只与遥测通道有关。扭矩测点布置在万向接轴的实心轴段 上，直径q 9 5 。测点处轴横截面的抗扭模量为： w - 蒯1 6 7 3 = 9 5 3 7 【1 6 = 1 6 8 3 5 x 1 0 5 ( m m ) 3 ( 式2 3 ) 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论 则各遥测通道的扭矩标定值为： k i = k i w 其值列于表2 2 。 表2 - 2 各遥测通道扭矩标定值 ( 式2 4 ) 各辊万向接轴的实测扭矩为： 巧= k ( k n m ) ( i = l 、2 、3 、4 、5 、6 ) ( 式2 5 ) 式中 k ，一各辊扭矩遥测通道标定值，k n m v l u ；一扭矩测试的电平值，v ； 2 4 2 电机功率计算 w b p 4 1 0 单向功率变送器的标定值为k = 5 0 0 w n ( 由仪器设备的说明书直接知道) 。由 于采用6 0 0 a 5 a 的交流互感器从单相接出，因此电机功率计算公式如下： n i = 辈3 5 0 0 u , ：1 8 0 0 0 0 u _ f ( w ) ：1 8 0 u i ( k w ) ( i 取1 、2 ) ) 2 4 3 电机转速计算 矫j 下机在空运转时速度比较平稳，因此，在电机出轴上粘贴反射片，利用手持式光电 转速测量仪测取此时的速度( 3 1 9 r p m ) ，此时转速信号的电平为2 v ，可得到电机转速的标 定值为1 5 9 5 r p m v 。 2 4 4 上排矫正辊矫正力计算 上排辊子的总矫正力等于四个压下油缸活塞杆推力之和