黃正鳳

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司核電石化事業(yè)部，遼寧 116113)

工 藝

三輥卷板機(jī)曲形能力的研究

黃正鳳

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司核電石化事業(yè)部，遼寧 116113)

影響鋼板變形的因素有材料本身的力學(xué)性能、鋼板截面系數(shù)(板寬、板厚)、鋼板彎曲半徑。為確定三輥的曲形能力，本文根據(jù)材料力學(xué)知識提出了兩種理論計(jì)算法，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了不同材質(zhì)的三輥曲形能力的圖表。結(jié)果表明，圖表法可以更方便、準(zhǔn)確的判定鋼板的曲形能力。

三輥卷板機(jī);彎曲力矩;自由彎曲力

對稱上調(diào)式三輥卷板機(jī)是壓力容器制造企業(yè)的主要卷板設(shè)備。本文所指的卷板機(jī)工作能力，是指針對一定的材質(zhì)所能卷曲的最大板寬和最小板厚卷筒的能力。一般三輥卷板機(jī)，在設(shè)計(jì)說明書中會給出三輥的曲形能力，包括板材的屈服強(qiáng)度、板寬、板厚、所能卷板的最小曲率半徑。但在實(shí)際工程中，需要卷板的板材規(guī)格各不相同，材質(zhì)也不同，以上參數(shù)參考意義不大。若超過三輥的卷板能力，會造成設(shè)備損壞。隨著設(shè)備在使用過程中的磨損等因素，其卷板能力會有所改變。因此采取有效的方法確定三輥的卷板能力具有重要意義。而且如果確定鋼板在常溫狀態(tài)下超過三輥的曲形能力，則可以采用溫曲或熱曲的方法進(jìn)行卷板，所以確定三輥的曲形能力也可以作為判定曲形方法的依據(jù)。

1 三輥曲形能力的影響因素

三輥曲形時(shí)，在上輥下壓力的作用下，鋼板受到彎曲力矩的作用產(chǎn)生彎曲變形。鋼板內(nèi)層金屬在切向擠壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓縮塑性變形，外層

金屬在切向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形，如圖1所示。三輥逐漸下壓，鋼板曲率半徑逐漸減小，直至滿足尺寸要求，從而完成曲形工作。

鋼板發(fā)生彎曲的曲率半徑R與鋼板的抗彎剛度的關(guān)系見式(1)。

圖1 三輥曲形示意圖Figure 1 Illustration of bending formed by three rollers

式中 M——鋼板彎曲時(shí)橫截面上受到的彎曲力矩;

Iz——鋼板橫截面對中性軸的慣性矩;

E——材料的彈性模量，與材料本身性能有關(guān)。

由公式(1)可知，卷板時(shí)能否達(dá)到需要的曲率半徑，受鋼板的抗彎變形能力的影響，即材料本身的性能、鋼板截面系數(shù)(板寬、板厚)。同時(shí)要求的曲率半徑越小，鋼板所受的彎矩越大，對卷板機(jī)的能力要求越高［1］。

2 “極限彎曲力矩”理論

材料力學(xué)認(rèn)為，鋼板發(fā)生彎曲需要一定的彎曲力矩。認(rèn)為三輥曲形時(shí)，上輥下壓引起鋼板的最大彎曲力矩是一定的，稱為“極限彎曲力矩”:ML。當(dāng)鋼板的抗彎能力超過這一極限彎曲力矩時(shí)，將超過三輥的曲形能力，即不能采用冷曲。

鋼板從平板彎曲到要求的彎曲半徑R需要的彎曲力矩［1］見式(2)。

式中 B——鋼板寬度(mm);

T——鋼板厚度(mm)。

曲形時(shí)電動機(jī)需要提供的動力包括:鋼板彎曲變形力矩、鋼板送料摩擦阻力、壓力缸升降摩擦損失、軸承等原件的摩擦損失等。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以曲形鋼板為主體進(jìn)行考慮，只考慮材料彎曲變形力矩。以三輥冷曲的最大能力為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算曲形時(shí)需要的彎曲力矩ML，ML為三輥卷板時(shí)所能提供給鋼板彎曲變形需要的最大彎曲力矩。所以可以得到溫曲、冷曲的判定標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)M≤ML時(shí)，冷曲;當(dāng)M＞ML時(shí)，溫曲。

根據(jù)鋼板截面系數(shù)及物理性能，計(jì)算其完成彎曲時(shí)需要的彎曲力矩M。超過極限彎曲力矩時(shí)，使用曲形能力更大的設(shè)備或采用溫曲完成曲形。

3 “極限自由彎曲力”理論

對于鋼板能否采用冷曲，本質(zhì)上取決于上輥下壓力能否使鋼板發(fā)生塑性變形，所以可以認(rèn)為上輥的下壓力是引起鋼板發(fā)生彎曲變形的外力。鋼板的彎曲力受材料性能、鋼板形狀、彎曲半徑等因素的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，彎曲力可按式(4)進(jìn)行計(jì)算:

式中 R——曲率半徑(mm);

K——板材形狀截面系數(shù);

K0——板材相對強(qiáng)化系數(shù);

W——板材抗彎截面模量;

Re——材料屈服強(qiáng)度(MPa)。

板材抗彎截面模量計(jì)算公式見式(3)。

式中 F——自由彎曲力(N);

C——材料強(qiáng)化系數(shù)，取1 ～1.3［2］。

以三輥冷曲的最大能力為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算曲形時(shí)需要的自由彎曲力FL，此時(shí)FL為三輥卷板時(shí)所能提供的最大自由彎曲力?？梢缘玫戒摪鍦厍⒗淝呐卸?biāo)準(zhǔn):當(dāng) F≤FL時(shí)，冷曲;當(dāng) F＞FL，溫曲。

根據(jù)鋼板截面系數(shù)及物理性能，計(jì)算其完成彎曲時(shí)需要的自由彎曲力F。超過極限自由彎曲力時(shí)，使用曲形能力更大的設(shè)備或采用溫曲完成曲形。

圖2 Cr-Mo鋼板三輥卷板曲形工作能力曲線圖Figure 2 Curve of three-roll bending working ability of Cr-Mo steel plate

圖3 低合金鋼板三輥卷板曲形工作能力曲線圖Figure 3 Curve of three-roll bending working ability of low alloy

4 圖表判定法

三輥卷板的能力由鋼板的材質(zhì)、板寬、板厚、曲率共同決定。以上兩種判定方法，判定的標(biāo)準(zhǔn)都是三輥設(shè)計(jì)的最大工作能力，但實(shí)際工作能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力，因此在使用時(shí)具有一定的局限性。為了確定實(shí)際工作中遇到的各種規(guī)格的鋼板冷曲、熱曲分界線，對以往三輥的曲形能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)不同材質(zhì)，編制三輥卷板機(jī)工作能力圖表來判定鋼板是采用冷曲還是熱曲。選取兩種常用材質(zhì)制作三輥工作能力曲線圖，供下料和曲形時(shí)選用，見圖2、圖3。圖2、圖3只限于本廠三輥卷板機(jī)在現(xiàn)階段使用，其他設(shè)備或本設(shè)備發(fā)生其他狀況使工作能力發(fā)生變化時(shí)均不適用。

5 小結(jié)

三輥的曲形能力受鋼板材質(zhì)、鋼板寬度、厚度、筒節(jié)直徑4個(gè)因素影響。為判定鋼板能否采取冷曲，提出了“極限彎曲力矩”理論及“極限自由彎曲力”理論，并制定鋼板冷曲、溫曲的判定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)三輥以往曲形情況，對常用材料及Cr-Mo鋼板、低合金鋼板制作三輥卷板機(jī)冷曲生產(chǎn)能力曲線圖表，以便確定鋼板的曲形方法，選用合適的曲形設(shè)備，為生產(chǎn)提供方便。

編輯 杜 敏

［1］單輝祖.材料力學(xué).北京:高等教育出版社，2005:121－125.

［2］夏巨諶，張啟勛.材料成型工藝.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:189－196.

編輯 傅冬梅

Research on Bending Ability of Three-roller Bending Rolls

Huang Zhengfeng

Steel plate deformation is influenced by factors ofmaterial native mechanical property，section coefficient(platewidth＆ thickness)and bending radius of steel plate.To confirm bending ability of three rollers，the paper has brought up two kinds of theoretical arithmetic based on mechanics ofmaterials and three-roll bending ability diagrams of variousmaterials have been worked outby previous experiential data，the result showed that the diagram could estimate bending ability of steel plate conveniently and correctly.

three-roller bending rolls;bending torque;free bending force

O341

A

2013—07—22