厚板矫直机矫直力与辊系接触应力分布关系的研究

厚板矫直机矫直力与辊系接触应力分布关系的研究

1矫直设备能力方面的缺陷近年来，超过400mpa的高强度弯曲钢规格和明代的产量显著增加。实现高强度钢的低温矫直,并满足用户对热轧板产品质量的要求,对矫直设备能力提出了更大的挑战。体现在厚板矫直,既存在对不同钢种工艺方案的生产瓶颈,也存在设备结构和设备能力的限制,目前出现批量生产高强度钢后的辊面拉毛和辊面压痕,也存在生产高强度厚板时支撑辊的损坏等问题。本文主要通过工程测试、结合常规的力学计算分析,对某钢厂热轧厚板两台矫直机矫直力相关参数进行研究分析,为厚板线矫直机的合理使用和改造提供依据。2矫直机机组成热轧厂厚板矫直机基本参数见表1。热轧厂厚板两台矫直机机架为全封闭结构。如图1所示,该矫直机主要由机架、上下矫直机工作辊、上下楔铁调节辊缝装置、换辊装置、传动装置等构成。各矫直辊的辊缝的单独或联合调整由液压油缸及斜楔配合完成。上下辊座及调整机构组成了矫直机的辊系部分。其中粗矫和精矫上辊系的支撑辊具备弯辊调整功能。厚板线粗、精矫下辊座及楔铁调整机构如图2所示。3试验测试矫直力参数测试主要包括:各传动轴的扭矩测试、粗矫和精矫牌坊矫直力测试、矫直机支撑辊矫直力测试。测试方法采用电阻应变法。系统布置图如图3所示。测试传动轴的扭矩应变信号时通过滑环引入到动态应变仪。测试粗矫机和精矫机支撑辊矫直力及各传动轴扭矩时采用全桥应变方式,四片之间相互进行温度补偿,测量矫直机牌坊的应变采用半桥方式。为进一步提高精度,扭矩和支撑辊矫直力测试,采用了离线实物标定。标定结果如表2,选择的传感器线形度良好。测试过程采用了开卷区域和精矫区域分段独立测试,每次测试在记录各种工况变化的同时还记录工艺参数设置情况。测试共覆盖了各规格不同工况的69个钢卷。矫直机牌坊的测点分布情况如图4所示。4测试和计算分析的讨论4.1直隶省的直隶省4.1.1矫直机单辊矫直力计算方法常规矫直力的计算是对最大承载的矫直辊单辊进行受力分析,来推算每个支撑辊的载荷情况。为了承担矫直力和防止工作辊在运行过程中发生扭曲,矫直机的支撑辊两两交错布置,分段对每根工作辊支撑,以粗矫直机为例,每根工作辊分5段支承,有10个支撑辊。其受力如图5所示。单辊矫直力按下式计算:Fi=2p(mi-1+2mi+mi+1)ΜtFi=2p(mi−1+2mi+mi+1)Mt式中,p为矫直机的辊距;mi-1、mi、mi+1为第i-1辊、i辊和i+1辊处的弯矩比;Mt为弹性极限弯矩;考虑材料的强化特性,材料的弯矩比可表示为mλ=ΜλΜt=λC∑+(1+λ)m=λC∑+(1-λ)(1.5-0.5C∑2)mλ=MλMt=λC∑+(1+λ)m=λC∑+(1−λ)(1.5−0.5C∑2)式中,λ为强化系数,λ=E强化E=σb-σsδsE-σsλ=E强化E=σb−σsδsE−σs;C∑为弯曲率比;m为近似弹复曲率比。经简化处理后,矫直机单辊矫直力的计算可按以下公式计算。F1=2·Ms/pF2,F4,……,Fn-1=3F1F3=4F1Fn=F1按第3辊最大受力计算Ms=S·σsS=0.25·b·h2式中,F1,……,Fn为单辊矫直力;Fmax为单根矫直机工作辊最大矫直力;Ms为作用在钢板上的塑性弯距;S为钢板的塑性断面系数。Μt=bh26σs式中,σs为钢板的屈服极限,N/mm2;b为钢板宽度,mm;h为钢板厚度,mm。由以上简化计算公式,取目前能生产的三种极限规格的高强度钢材料,最大矫直力计算结果如表4所示。针对高强度结构钢St52-3等,最大单辊(工作辊)受力为3.675MN,折算到1对支撑辊为0.735MN,折算到1个支撑辊为0.368MN。此类钢种要求较高的内应力分布均匀性。对承载力提出了更高的要求。4.1.2安装精度引起的远线矫直力应变一般来说,将工作载荷作为轴承的实际当量动载荷评定,基本可以满足设计要求。为了提高轴承的承载能力和寿命,则需要更精确的评定。以下因素是在实际的矫直过程中是必须考虑的:(1)钢卷头尾强度和厚度差异引起的矫直力变化;(2)矫直机在咬入状态下的冲击载荷;(3)安装精度引起的矫直力分布不均匀状态。按照单辊矫直力的总和等于总牌坊矫直力的原理,可通过牌坊垂直应变实测值计算粗矫机总矫直力∑F=2E×S×∑ε垂其中,E为弹性模量;S为牌坊立柱横截面积;Σε垂为立柱垂直应变之和。以粗矫直机为例子,测试的结果如图6、图7所示。从测试的结果看,粗矫机明显存在垂直的主应力大于水平应力的情况,而两侧牌坊的应变量基本对称一致。咬钢和抛钢时,支撑辊和牌坊应变产生突变;换垛时,支撑辊和牌坊应变不完全释放,保持一定水平。正常矫直工作过程中时精矫机牌坊应变比较稳定,水平方向的应变量最大,停轧阶段机架牌坊应变完全释放,这与粗矫机牌坊有所不同。测试后总矫直力理论计算与测试结果如表4。分析以上结果,总牌坊矫直力测试与理论计算相差不大(3%-5%),在单独评价单一的总矫直力参数上,通过理论计算的数据是可信的。4.1.3工作辊应变信号图中的矫直力分析由各测试图可知,各支撑辊应变信号极值一般会出现在咬钢和甩钢阶段;在换垛时,各支撑辊应变不会完全释放,而是保持在一定的水平,个别应变值甚至比正常矫直时还要大。从应变信号图中分析矫直力大小,可以看出,3#工作辊承受最大的矫直力,这一点符合矫直理论,但其承受的总力是5#工作辊的4～7倍,大大超过理论矫直力的分配比例,而且在同一轴上的各支撑辊力的分配很不均匀,且矫直力越大分配的不均匀性越大。特别是3#工作辊中间支撑辊承受的矫直力是两边矫直力的2～3倍(中间支撑辊压力P=390ε,两边支撑辊压力P=287.5ε,其中ε为微应变单位,每单位折算矫直力1785.7N)。图8、图9是实际的一个测量结果。4.2条件加载测试用SAP软件建立矫直机辊系有限元模型,边界条件的加载利用了一部分测试的方法给出。为此,我们通过测试标定及有限元模拟的方式,提出载荷不均匀系数,作为轴承的实际当量载荷评定依据。4.2.1工作辊与支撑辊接触线上的应力分布支撑辊单元有限元约束模型及约束如图10所示。模型的边界条件按测试后分别取最小矫直力Pmin=319200N,最大矫直力Pmax=4086000N。则每个支撑辊受力分别为Fmin=Pmin/5=63840N,Fmax=Pmax/5=817200N。分解到工作辊与支撑辊接触线上的力分别为:Nmin=62279N,Nmax=797219N。应力分布情况如图11所示。总变形如图12所示。垂直方向变形如图13所示。由应力和应变云图可知,在高载荷下支撑辊轴承的刚度不存在问题,辊座的刚度在大矫直力下可能出现扭曲变形,说明支撑辊轴承座的刚度和布排方式有待改进。4.2.2接触强度系数不足在实际使用过程中,由于经常发生工作辊和支撑辊辊面拉毛、压痕等异常工况,所以需要校核两者接触应力。接触状态的许用应力与接触体形状、材质、受载状态以及判断准则等因素有关。接触强度条件由于接触面附近材料处于三向应力状态,而且三个主应力都是压应力,在接触面中心三个主应力大小是相等的,所以,该处的材料能够承受很大的压力而不发生屈服,因此,接触面上的许用压应力很高。接触问题的强度条件,通常写成下式σmax≤[σH]其中,σmax为接触面上最大压应力;[σH]为接触许用应力。对于滚柱轴承或滚珠轴承[σH]=3500～5000MPa,一般取下限3500MPa。常规的按均布负载如图14所示。σmax=0.4183√ΡEl⋅R1+R2R1R2式中,R1为圆柱1半径,R1=0.1125m;R2为圆柱2半径,R2=0.115m;l为圆柱接触长度,l=0.113m;E为弹性模量,E=210GPa;P为轴承负载,P=(30～75)×104N。具体计算结果参见表5。显然,在不考虑偏载系数的情况下,在0.75MN的外载荷下,最大接触应力为2069MPa,接触强度是安全的。但实际上会发生接触面压痕、拉毛等问题,说明其接触强度系数不足。如按照偏载系数为2.5考虑的话,在0.638MN的载荷条件下,接触强度安全系数不足。4.3矫直力非均布时支撑辊接触应力分布可以同时参考有限元的模型进行检验。按极限规格钢卷及承受最大矫直力的第3辊分析最恶劣工况。以钢种SS490,规格为21.6×1500×8000为例,对第3辊及其支撑辊进行有限元计算和强度校核。辊系接触有限元模型与网格划分如图15所示。共划分166539个单元、200647个节点,矫直力非均布时支撑辊接触应力如图16所示。矫直力非均布时接触应力分布(最大主应力)如图17所示。从辊系应力场的计算结果来看,在矫直辊与支撑辊接触区出现较大应力,且矫直辊与中间支撑辊接触区的应力高于矫直辊与其它支撑辊接触区的应力,最大应力都位于支撑辊倒角位置附近。当矫直力均布时,矫直辊接触区的最大接触应力为719MPa,支撑辊接触区的最大接触应力为1180MPa;而当矫直力非均布时,矫直辊接触区的最大接触应力为847MPa,支撑辊接触区的最大接触应力为1320MPa。可见,即使总矫直力的大小不变,当矫直力的分布状态改变后,应力场的分布也随之改变,当矫直力的分布呈中间大、两边小的状态时,辊系的最大应力将进一步加大。因此必须优化其接触应力分布,以改善支撑辊与工作辊的表面接触状态。特别是矫直辊的抗冲击、抗疲劳、耐磨损能力不足,必须改进矫直辊的材质,以提高矫直辊的强度和硬度。5矫直机矫直力分布问题的解决措施(1)通过测试了解了各工况下牌坊总矫直力。利用常规理论计算的总矫直力与实际测试的结果验证误差在3%-5%范围内,此结果可用于工程实践上的总矫直力预测。(2)通过实践测定了矫直机矫直力的分布情况。矫直力的差值在2.5