供稿|代晶波,馬運剛 / DAI Jing-bo, MA Yun-gang

內(nèi)容導(dǎo)讀

對大張力四棱錐卷筒在縮徑工作狀態(tài)下所受徑向力進行分析,通過在卷筒上增設(shè)一個套筒并進行優(yōu)化設(shè)計,從而實現(xiàn)了集實心卷筒與縮徑四棱錐卷筒的優(yōu)點于一身的目的.有效提高了四棱錐卷筒的承載能力,拓寬了該類型卷筒的應(yīng)用范圍,如在較薄較寬帶材、合金鋼、不銹鋼等軋制領(lǐng)域的應(yīng)用.

卷取機是軋鋼車間的主要輔助設(shè)備之一.冷軋帶鋼卷取機是在常溫下將很長的帶鋼卷成鋼卷的機械設(shè)備,同時實現(xiàn)帶張力軋制,以達到降低軋制負荷,減少帶鋼翹曲現(xiàn)象,提高帶鋼表面質(zhì)量的目的[1].近代冷軋生產(chǎn)向高速度、大張力、大卷重方向發(fā)展,這就對卷取機的強度和剛度提出了更高的要求.

在可逆式軋機上軋制時,帶鋼的張力由卷取機產(chǎn)生.因而這種卷取機要承受很大的張力,在寬帶或多輥軋機軋制合金鋼薄帶材時帶鋼的張力有時可達400~500 kN,甚至更高.帶鋼對卷筒產(chǎn)生的徑向壓力極大.很長一段時間里都是應(yīng)用帶鉗口的實心卷筒來滿足生產(chǎn)需求.這是因為初期的四棱錐卷筒錐面傾斜角α=6°小于摩擦角,在工作過程中卷筒棱錐面處于自鎖狀態(tài),徑向壓力有時達到350~700 MPa.在這種壓力下卷筒會產(chǎn)生塑性變形,錐面壓力過高,難于卸卷,磨損也較快[2-4].

設(shè)備現(xiàn)狀

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,四棱錐卷筒的結(jié)構(gòu)逐漸改進,棱錐斜角加大到7°以上,一般采用7°30′、7°45′、8°.其目的在于創(chuàng)造卷筒在卷取過程中產(chǎn)生自動縮徑的條件.并在脹縮缸回路加裝常開式溢流閥,調(diào)整溢流閥的壓力就可控制卷筒的自動縮徑量,從而使卷筒達到可控剛度的目的[1].

實驗表明,當(dāng)卷筒自鎖時,隨著帶材層數(shù)的增加,徑向壓力不斷增大.但若棱錐角不自鎖,則隨著徑向壓力的增加,卷筒直徑會產(chǎn)生微量的收縮,據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù),這一縮徑量可達0.18~3 mm,對降低卷筒徑向壓力就起到了很大的作用.圖1以對比形式表示出自動縮徑(α=7°45′)與自鎖卷筒(α=6°)實測徑向壓力變化曲線[1-2].這是由于卷筒在縮徑的同時,帶材各層間產(chǎn)生相對滑動的趨勢,帶材各層間的摩擦阻力起著內(nèi)層支撐外層的作用,從而使卷筒的徑向壓力降低.但應(yīng)指出,帶材間產(chǎn)生不適量的相對滑動是不允許的,因為這會損傷帶材表面.縮徑卷筒的理想工作狀態(tài)是,控制脹縮液壓缸的壓力大小,使帶材表面在無劃傷的條件下,縮徑量盡量大些.

圖1 不同棱錐角的壓力試驗曲線

在實際生產(chǎn)過程中,每卷帶材要經(jīng)過數(shù)個道次才能軋制成成品,也就意味著每道次卷筒承受的徑向力也不盡相同,縮徑量也會發(fā)生變化.

現(xiàn)通過不銹鋼軋制實例來說明該問題.卷筒徑向壓力的計算方法目前較多,這些公式在推導(dǎo)時一般都把卷筒簡化為一個厚壁圓筒,考慮了圓筒受力后的彈性變形與應(yīng)力的關(guān)系,但沒有考慮卷筒的自動縮徑和帶層之間的摩擦.每道次卷筒所受徑向壓力如表1.

表1 每道次卷筒所受徑向壓力

改進分析

生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明,卷筒縮徑量控制在1 mm以內(nèi)比較合理.實際上在大張力卷取機上卷筒脹縮缸能力和所采用的液壓回路保持這一數(shù)值是比較困難的.在不降低最后幾道次軋制張力,努力提高脹縮缸能力及改進鉗口設(shè)計的前提下,可以考慮在卷筒外加上一個套筒來改善四棱錐縮徑卷筒的服役環(huán)境,如圖2所示.

圖2 加套筒后卷筒受力簡圖

由受力圖可知,套筒主要受帶卷施加的徑向壓力P,4塊扇形板對套筒的支反力N,軋制張力T和內(nèi)徑摩擦力F.

假設(shè)工作狀態(tài):不考慮扇形板的支撐作用,卷筒只為套筒的相對靜態(tài)平衡提供摩擦力F,使力F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小等于軋制張力T產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩.套筒不看作剛性體,在P的作用下,套筒會發(fā)生彈性變形,即

分析表1數(shù)據(jù)可知,卷筒所受的徑向壓力在不同道次中變化很大,在脹縮缸結(jié)構(gòu)尺寸不可能做的太大,脹縮缸液壓壓力又是控制不變的情況下,在后面幾道次時可能會出現(xiàn)很大的縮徑量.這不僅可能導(dǎo)致層間帶面劃傷,還會有卸卷后塌卷的可能.引起塌卷現(xiàn)象的因素很多[3],但主要原因還是卷筒縮徑量過大引起的.縮徑量過大則引起鋼卷內(nèi)層切向力過高,再加上鉗口凹陷處卷筒無徑向力支撐,造成鋼卷內(nèi)層在此處的力系失去平衡,產(chǎn)生塌陷.例如武鋼20輥軋機卷筒縮徑量已超過2.5 mm,產(chǎn)生過多次塌卷,造成生產(chǎn)事故.套筒發(fā)生縮徑.

有了套筒剛度的支撐,卷筒所受徑向壓力會很小.為安全起見,設(shè)計時可以將產(chǎn)生摩擦力的正壓力加大,由四棱錐卷筒的縮徑功能來實現(xiàn),使達到轉(zhuǎn)矩平衡條件下的套筒剛度足夠大[5].即使這樣,卷筒所受的徑向壓力也會遠小于不加套筒時的徑向壓力.有了套筒剛度的支撐,對于帶鋼卷取過程來說,基本等效于卷在實心卷筒上.這樣既保證了在卷取機處的帶鋼板形,又不會產(chǎn)生塌卷現(xiàn)象.因此,對套筒剛度的合理設(shè)計--不使套筒在發(fā)生彈性縮徑時出現(xiàn)帶材表面劃傷的現(xiàn)象便成了解決問題的關(guān)鍵.

套筒優(yōu)化

鑒于服役條件的不同,套筒的主要參數(shù)壁厚和長度有必要進行優(yōu)化設(shè)計.圖3展示了套筒、卷筒所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)模型.為保證設(shè)計的套筒有足夠的剛度與強度,進行優(yōu)化分析時不考慮扇形塊的支撐作用,使套筒內(nèi)徑自然收縮,分析模型如圖4所示,運用Simulation軟件進行有限元優(yōu)化分析.

圖3 結(jié)構(gòu)模型爆炸圖

圖4 分析模型

以表1中的第7道次為設(shè)計條件,計算中R應(yīng)取套筒外半徑,考慮到套筒應(yīng)有足夠的安全系數(shù),故仍采用原計算數(shù)據(jù).套筒在1300 mm寬度范圍受141 MPa的徑向壓力,設(shè)定套筒長度優(yōu)化范圍1400~1800 mm,套筒壁厚100~300 mm,依據(jù)已知參數(shù)對模型進行迭代優(yōu)化[6],優(yōu)化目標(biāo)為應(yīng)力最小化、變形最小化.軟件自動優(yōu)化出:套筒長度1633.5 mm,壁厚205.3 mm.優(yōu)化后的套筒有限元分析結(jié)果云圖見圖5,最大變形量在內(nèi)壁中部大小為0.576 mm,最大von Mises等效應(yīng)力亦在內(nèi)壁中部大小為385.1 MPa.

圖5 有限元分析結(jié)果

將優(yōu)化后的套筒應(yīng)用于生產(chǎn),即使沒有卷筒的支撐,套筒外徑的縮小量僅有1.064 mm,不會導(dǎo)致縮徑時帶面的劃傷.卷筒縮徑1.153 mm(套筒內(nèi)徑縮小量)即可達到上述的假定工作狀態(tài),此時卷筒受到較小的徑向壓力.由于在優(yōu)化計算施加載荷時取了較大值,因此可將圓整后的寬度1630 mm,壁厚205 mm作為套筒的最終設(shè)計參數(shù),此時仍有足夠的安全系數(shù).如表1所示軋制工藝,可以在第5道次開始使用套筒,這樣便有效保護了卷筒,達到滿足軋制工藝需求的目的.

不同的軋制生產(chǎn)線上應(yīng)用的套筒也應(yīng)是不同的,即使在同一條生產(chǎn)線上軋制不同規(guī)格的產(chǎn)品時也應(yīng)使用與其相適應(yīng)的套筒規(guī)格,以便更有效地保護卷筒,減少生產(chǎn)事故.

結(jié)束語

通過對卷筒在服役時的受力情況進行分析,結(jié)合實際生產(chǎn)中的使用情況,對在卷筒上加裝套筒的使用工況進行了理論分析,并對套筒進行了優(yōu)化設(shè)計.使四棱錐卷筒在生產(chǎn)中實現(xiàn)了集實心卷筒與縮徑卷筒的優(yōu)點于一身,有效提高了四棱錐卷筒的承載能力,拓寬了該類型卷筒的應(yīng)用范圍,使其能應(yīng)用于大張力軋制的生產(chǎn)線上.

加裝套筒法已經(jīng)在很多生產(chǎn)線上得到推廣應(yīng)用.例如:軋制普碳鋼時,在最后道次加裝,不僅保護了卷筒,而且還保證了成品的質(zhì)量.在酒鋼20輥軋機上軋制不銹鋼帶時,當(dāng)產(chǎn)品厚度小于1 mm時開始使用套筒,從根本上解決了塌卷問題,同時也保證了產(chǎn)品質(zhì)量.

卸卷時套筒隨帶卷一起卸下,后道工序如復(fù)卷時套筒便可分離出來,循環(huán)使用.既解決了大張力卷取問題又不增加輔助時間.但套筒在多次重復(fù)使用可能會產(chǎn)生塑性變形,因此要經(jīng)常檢查、修復(fù),以保證其充分發(fā)揮作用.

致謝:本課題在進行過程中,得到了公司博士后流動站和王銘宗教授的大力支持,在此一并表示最真摯的感謝.

[1] 邊金生. 軋鋼機械設(shè)備. 北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[2] 黃華清. 軋鋼機械. 北京:冶金工業(yè)出版社,1979.

[3] 鄒家祥,施東成. 軋鋼機械理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計. 北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[4] 劉瑞堂. 機械零件失效分析. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[5] 王文斌. 機械設(shè)計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[6] 張洪信,趙青海. ANSYS有限元分析自學(xué)手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,2007.