賈海亮，景群平，唐 越，俞洪杰，李 偉

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710032;2.寶山鋼鐵股份公司熱軋廠,上海 寶山 201900;3.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司設(shè)備部,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

0 前言

熱軋帶鋼在生產(chǎn)過(guò)程中，為了防止廢邊亂竄，在圓盤剪剪刃下方設(shè)置一個(gè)溜槽，將廢邊[1-4]引導(dǎo)進(jìn)入碎邊剪或者廢料倉(cāng)。與此同時(shí)，廢邊在溜槽內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)不斷的與溜槽內(nèi)壁相互摩擦，從而使得溜槽內(nèi)部表面材料出現(xiàn)流失，造成溜槽內(nèi)壁表面磨痕、磨屑的形貌特征[5-6]。溜槽出現(xiàn)大范圍的磨損后輕則導(dǎo)致廢邊無(wú)法在溜槽內(nèi)順利通過(guò)出現(xiàn)逃絲、堵倉(cāng)等問(wèn)題[7-9]，重則溜槽報(bào)廢。溜槽內(nèi)壁磨損與廢邊的變形密切相關(guān)，而廢邊的變形則又取決于溜槽本身的形狀。溜槽的形狀不但影響廢邊變形而且影響溜槽本身的壽命，因此對(duì)圓盤剪的正常運(yùn)行作用重大。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于溜槽的研究主要集中于廢邊逃絲、堵倉(cāng)等方面，而對(duì)溜槽形狀對(duì)廢邊變形以及對(duì)其壽命影響的研究很少。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼圓盤剪剪切過(guò)程中廢邊在不同溜槽形狀內(nèi)的受力變形進(jìn)行定量計(jì)算以及溜槽形狀對(duì)其壽命的影響依然是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)攻關(guān)的焦點(diǎn)。本文采用有限元仿真模擬的方法，模擬出不同典型溜槽形狀對(duì)廢邊受力變形以及對(duì)其壽命的影響展開研究。

1 典型溜槽形狀

在帶鋼圓盤剪切邊設(shè)備中，溜槽通常放置在圓盤剪剪刃口的位置，為防止廢邊從剪刃與溜槽銜接處逃出，因此與剪刃配合的間隙很小。圓盤剪與溜槽的位置關(guān)系如圖1所示。廢邊進(jìn)入溜槽后，主要受到拉應(yīng)力的作用和溜槽上導(dǎo)板的反作用力的影響[10]，在溜槽上導(dǎo)板的作用下，改變廢邊進(jìn)入溜槽內(nèi)部的變形及運(yùn)行規(guī)律。廢邊對(duì)溜槽內(nèi)壁的作用力以及在溜槽內(nèi)部的接觸摩擦?xí)苯佑绊懙搅锊鄣氖褂脡勖?。溜槽的組成如圖2所示，溜槽由圓盤剪導(dǎo)槽和碎邊剪導(dǎo)槽組成，靠近圓盤剪的為圓盤導(dǎo)槽，由上導(dǎo)板1、下導(dǎo)板2、導(dǎo)槽體3組成?？拷檫吋舻臑樗檫吋魧?dǎo)槽，由側(cè)板4和導(dǎo)槽體5組成。為研究不同的溜槽形狀對(duì)廢邊進(jìn)入溜槽內(nèi)受力及變形的影響，特選三種典型的溜槽形狀作為研究對(duì)象，如圖3所示。1#典型溜槽是溜槽上導(dǎo)板為直線形，并與圓盤剪導(dǎo)槽體上板在同一平面上；2#典型溜槽是溜槽上導(dǎo)板為直線形，但與第一段溜槽上板有一定的傾斜角度，傾斜角度偏向下導(dǎo)板，減小了上下兩導(dǎo)板間的距離；3#典型溜槽是溜槽上導(dǎo)板為圓弧形，相對(duì)于第一段溜槽上板的位置偏下。

圖1 圓盤剪與溜槽的位置關(guān)系

圖2 溜槽結(jié)構(gòu)圖

圖3 典型的溜槽形狀

2 溜槽形狀對(duì)廢邊變形影響分析

為了定量分析溜槽形狀對(duì)圓盤剪剪切過(guò)程中廢邊變形的影響，本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)帶鋼圓盤剪剪切過(guò)程中廢邊在三種典型溜槽內(nèi)的受力和變形進(jìn)行模擬，得出在剪切過(guò)程中廢邊的等效應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 不同形狀溜槽內(nèi)廢邊受力與變形模擬

為了模擬出不同形狀的典型溜槽對(duì)帶鋼在剪切過(guò)程中廢邊進(jìn)入溜槽后的狀態(tài)，分別給出典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊進(jìn)入1#、2#及3#典型溜槽內(nèi)的五個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律及接觸狀態(tài)。在模擬過(guò)程中，為了減少計(jì)算容量對(duì)溜槽進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只建立接觸部分[11-13]，設(shè)定溜槽參數(shù)為上下兩板間的距離為80 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，與水平面的角度為30°；設(shè)定廢邊參數(shù)為長(zhǎng)1 500 mm，寬10 mm，材料為45#鋼只建立初始進(jìn)入溜槽的部分；設(shè)定圓盤剪參數(shù)為間隙量為0.6 mm，重疊量為0.4 mm，剪切速度為1 m/s[14-16],剪口距離溜槽30 mm。

1#典型溜槽內(nèi)廢邊的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖變化情況如圖4～圖8所示。從圖4可以看出，廢邊剛撞擊到溜槽上導(dǎo)板，產(chǎn)生了較大的碰撞力為43 MPa；從圖5可以看出，廢邊運(yùn)行到0.35 s時(shí)，發(fā)生彈性變形，前端向下移動(dòng)了77 mm，廢邊頂端在上導(dǎo)板摩擦滑行，對(duì)上導(dǎo)板的作用力為32 MPa；從圖6可以看出，廢邊運(yùn)行了0.5 s時(shí)，廢邊前端向下移動(dòng)了163 mm，頂端在圓盤剪導(dǎo)槽上板上摩擦滑行，對(duì)上板的作用力為37 MPa；從圖7可以看出，廢邊運(yùn)行了0.6 s時(shí)，廢邊與圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)壁有少量貼合，此時(shí)，廢邊發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，對(duì)圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)壁的作用力為20 MPa；從圖8可以看出，廢邊運(yùn)行了0.7 s之后，廢邊貼合圓盤剪導(dǎo)槽上板摩擦滑行，作用力為35 MPa，并且隨著過(guò)程進(jìn)行，貼合長(zhǎng)度增加。

圖4 廢邊剛接觸到1#典型溜槽時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖5 1#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.35 s時(shí)應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖6 1#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.5 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖7 1#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.6 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖8 1#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.7 s后的應(yīng)力及應(yīng)變圖

2#典型形狀溜槽內(nèi)廢邊受力變形情況如圖9～圖13所示。從圖9可以看出，廢邊剛撞擊到溜槽上導(dǎo)板，產(chǎn)生了較大的碰撞力為26 MPa；從圖10可以看出，廢邊運(yùn)行到0.35 s時(shí)，發(fā)生彈性變形，前端向下移動(dòng)了80 mm，廢邊在上導(dǎo)板上摩擦滑行，對(duì)上導(dǎo)板的作用力為18 MPa左右；從圖11可以看出，廢邊運(yùn)行了0.5 s時(shí)，廢邊在上導(dǎo)板上有較大貼合并摩擦滑行，對(duì)上導(dǎo)板的作用力為32 MPa左右；從圖12可以看出，廢邊運(yùn)行了0.6 s時(shí)，廢邊前端向下移動(dòng)了280 mm，發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，廢邊沿內(nèi)壁方向摩擦滑行，未與圓盤剪導(dǎo)槽體上板接觸，此時(shí)對(duì)溜槽上導(dǎo)板的作用力為25 MPa左右；從圖13可以看出，廢邊運(yùn)行了0.7 s之后，廢邊不接觸圓盤剪導(dǎo)槽體，對(duì)上導(dǎo)板的作用力穩(wěn)定在20 MPa左右。

圖9 廢邊剛接觸到2#典型溜槽時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖10 2#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.35 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖11 2#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.5 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖12 2#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.6 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖13 2#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.7 s后的應(yīng)力及應(yīng)變圖

3#典型形狀溜槽內(nèi)廢邊的應(yīng)力應(yīng)變分布情況如圖14～圖18所示。由圖14可以看出，廢邊剛剛撞擊到溜槽上導(dǎo)板，產(chǎn)生的碰撞力為15 MPa；由圖15可以看出，廢邊運(yùn)行到0.35 s時(shí)，發(fā)生彈性變形，前端向下移動(dòng)了60 mm，廢邊沿溜槽上導(dǎo)板上摩擦滑行，對(duì)上導(dǎo)板的作用力為8 MPa左右；由圖16可以看出，廢邊運(yùn)行了0.5 s時(shí)，前端向下移動(dòng)了260 mm，此時(shí)，廢邊在溜槽上導(dǎo)板尾部摩擦滑行，作用力為9 MPa；由圖17可以看出，廢邊運(yùn)行了0.6 s時(shí)，廢邊發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，廢邊沿溜槽上導(dǎo)板摩擦滑行，未與圓盤剪導(dǎo)槽體上板接觸，此時(shí)對(duì)上導(dǎo)板的作用力為10 MPa；由圖18可以看出，廢邊運(yùn)行了0.7 s之后，廢邊與溜槽上導(dǎo)板的貼合增大，未出現(xiàn)與圓盤剪導(dǎo)槽體內(nèi)壁接觸的狀況，此時(shí)對(duì)上導(dǎo)板的作用力為7 MPa左右。

圖14 廢邊剛接觸到3#典型溜槽時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖15 3#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.35 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖16 3#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.5 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖17 3#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.6 s時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變圖

圖18 3#典型溜槽內(nèi)廢邊運(yùn)行0.7 s后的應(yīng)力及應(yīng)變圖

2.2 溜槽形狀對(duì)廢邊變形影響分析

針對(duì)三種不同形狀的典型溜槽，根據(jù)所模擬出的廢邊剪切過(guò)程中進(jìn)入溜槽內(nèi)幾個(gè)典型位置的變形、應(yīng)力狀態(tài)、接觸狀態(tài)，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)總結(jié)出溜槽形狀對(duì)廢邊受力變形的影響，如表1所示。

表1 4 mm廢邊在三種典型溜槽內(nèi)不同時(shí)刻的受力

由表1可以看出，4 mm典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊進(jìn)入3種不同形狀的典型溜槽內(nèi)的初始撞擊力的大小依次是3#弧形溜槽<2#傾斜直線形溜槽<1#直線形溜槽；廢邊在溜槽內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，在不同溜槽形狀上板作用力的最大的是直線形溜槽，最小的是弧形溜槽；廢邊在溜槽內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)溜槽內(nèi)壁的接觸應(yīng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)，接觸應(yīng)力最大的是直線形溜槽，接觸應(yīng)力最小的是弧形溜槽；

4 mm典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊在1#典型溜槽內(nèi)，廢邊通過(guò)直線形上導(dǎo)板進(jìn)入溜槽內(nèi)部，首先在溜槽上導(dǎo)板處發(fā)生彈性變形，然后廢邊頭部沿內(nèi)壁摩擦滑行，之后在圓盤剪導(dǎo)槽體內(nèi)發(fā)生貼合，產(chǎn)生塑性變形，隨圓盤剪的連續(xù)剪切，貼合長(zhǎng)度加大；在2#典型溜槽內(nèi)，廢邊通過(guò)傾斜的直線形上導(dǎo)板進(jìn)入溜槽內(nèi)部，首先在溜槽上導(dǎo)板處發(fā)生彈性變形，然后與上導(dǎo)板發(fā)生貼合，貼邊長(zhǎng)度是60 mm，隨圓盤剪的連續(xù)剪切，廢邊繼續(xù)在上導(dǎo)板上發(fā)生塑性變形，但不與導(dǎo)槽體內(nèi)壁接觸，且廢邊頭部在第一段溜槽內(nèi)有下彎現(xiàn)象；在3#典型溜槽內(nèi)，廢邊通過(guò)弧形上導(dǎo)板進(jìn)入溜槽內(nèi)部，首先發(fā)生彈性變形并沿內(nèi)壁不斷摩擦滑行，當(dāng)廢邊頭部進(jìn)入圓盤剪導(dǎo)槽體之前，不與上導(dǎo)板發(fā)生貼合現(xiàn)象，進(jìn)入圓盤剪導(dǎo)槽體內(nèi)，逐漸與上導(dǎo)板發(fā)生貼合，最后貼邊長(zhǎng)度為80 mm，但不與導(dǎo)槽內(nèi)壁接觸，隨圓盤剪的連續(xù)剪切，廢邊幾乎平行于第一段溜槽的上板。

3#典型溜槽形狀對(duì)廢邊的受力變形最好，不易造成逃絲，堵倉(cāng)現(xiàn)象，為本文研究溜槽形狀對(duì)其壽命影響的分析提供了理論支持。

3 溜槽形狀對(duì)其壽命影響的分析

在帶鋼邊部的剪切過(guò)程中，由于圓盤剪是持續(xù)不斷工作的，所以溜槽要不斷的受到廢邊對(duì)其的沖擊載荷磨損與滑動(dòng)接觸磨損，磨損最嚴(yán)重的地方往往是受到作用力最大的地方。溜槽的磨損不僅與剪切帶鋼的剪切速度，帶鋼的厚度、強(qiáng)度，溜槽的材質(zhì)、鍛造方式、表面硬化處理等因素有關(guān)，還與溜槽的形狀有很大關(guān)系[17-19]。本節(jié)將對(duì)不同典型溜槽形狀對(duì)其壽命的影響做詳細(xì)研究。

由圖4、圖9、圖14可知，廢邊勻速撞擊到三種典型溜槽的上導(dǎo)板，對(duì)上導(dǎo)板有一定的沖擊載荷，而每剪一卷帶鋼，就會(huì)對(duì)上導(dǎo)板沖擊一次，沖擊載荷相對(duì)接觸載荷更容易使溜槽發(fā)生磨損。隨著剪切帶鋼厚度的增加，剛度也越高，對(duì)上導(dǎo)板作用力也隨之增加并且廢邊變形不規(guī)律，很有可能廢邊頭部的一角先接觸溜槽，單位沖擊載荷劇增，對(duì)溜槽的磨損越嚴(yán)重。因此，廢邊對(duì)溜槽產(chǎn)生沖擊載荷而造成的磨損較輕的是3#典型溜槽，最嚴(yán)重的是1#典型溜槽。

廢邊在溜槽內(nèi)剛開始的運(yùn)行過(guò)程中，頭部沿溜槽上導(dǎo)板做滑行運(yùn)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)槽內(nèi)，由于帶鋼具有一定厚度，因此是剪切橫截面的棱在延溜槽內(nèi)壁摩擦滑行，單位面積上的載荷大，產(chǎn)生的磨損較大；在廢邊與溜槽發(fā)生貼合以后，是廢邊表面與溜槽內(nèi)壁接觸發(fā)生接觸滑行，單位面積上的載荷小，產(chǎn)生的磨損小?；瑒?dòng)摩擦?xí)r，接觸壓力對(duì)溜槽表面磨損有很大影響，因?yàn)閹т撆c溜槽的摩擦系數(shù)一樣，廢邊對(duì)溜槽內(nèi)壁的作用力越大，產(chǎn)生的摩擦力越大，直接影響溜槽的摩擦和磨損。由圖5～圖7可知，在1#典型溜槽內(nèi)，廢邊頭部沿溜槽上導(dǎo)板摩擦滑行至圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)，在0.6 s的時(shí)候與圓盤剪導(dǎo)槽上板發(fā)生貼合現(xiàn)象，而且產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較大，磨損最嚴(yán)重；由圖10～圖12可知，在2#典型溜槽內(nèi)，廢邊頭部沿溜槽上導(dǎo)板摩擦滑行，在0.35 s時(shí)，與溜槽上導(dǎo)板發(fā)生貼合，產(chǎn)生的接觸力較1#典型溜槽小，然后進(jìn)入圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)，沒(méi)有接觸到溜槽上板；由圖15至～18可知，在3#典型溜槽內(nèi)，廢邊頭部延溜槽上導(dǎo)板摩擦滑行，在0.5 s時(shí)，與溜槽上導(dǎo)板發(fā)生貼合，產(chǎn)生的接觸力較1#和2#典型溜槽都小，然后進(jìn)入圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)，沒(méi)有接觸到溜槽上板。

廢邊與溜槽接觸時(shí)間最長(zhǎng)的是貼合之后的接觸滑行，雖然接觸力不大，但是磨損時(shí)間最長(zhǎng)，也是對(duì)溜槽磨損最嚴(yán)重的。溜槽受到廢邊表面的循環(huán)接觸應(yīng)力，在循環(huán)接觸應(yīng)力的作用下產(chǎn)生持續(xù)磨損，造成溜槽表面疲勞磨損形成凹坑，凹坑的產(chǎn)生加大的摩擦系數(shù)，進(jìn)一步加劇磨損[20-22]。 由圖8、圖13、圖18可知，廢邊在之后的接觸滑行中，3#典型溜槽上導(dǎo)板受到的接觸應(yīng)力最小，1#典型溜槽圓盤剪導(dǎo)槽內(nèi)壁受到的接觸應(yīng)力最大，因此3#典型溜槽在此階段的磨損最小。

廢邊對(duì)溜槽產(chǎn)生沖擊載荷而造成的磨損較輕的是3#典型溜槽，最嚴(yán)重的是1#典型溜槽。廢邊在撞擊到溜槽之后到與溜槽內(nèi)部發(fā)生貼合這一段的摩擦磨損中，3#典型溜槽受力最小，接觸時(shí)間也較短，因此磨損最?。?#典型溜槽受力最大，接觸時(shí)間最長(zhǎng)，并且與第一段溜槽也發(fā)生摩擦磨損，因此磨損最大。廢邊在與溜槽內(nèi)壁貼合運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)3#典型溜槽的磨損最小，對(duì)1#典型溜槽的磨損最重。因此3#弧形溜槽上導(dǎo)板的典型溜槽的壽命相對(duì)其他兩種形狀的典型溜槽壽命較長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)闡述了三中形狀不同的典型溜槽，并通過(guò)有限元法對(duì)典型規(guī)格產(chǎn)品的廢邊在溜槽內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變及接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，得出溜槽形狀對(duì)帶鋼剪切過(guò)程中受力變形，接觸狀態(tài)以及對(duì)其壽命的影響；

(2)分析了帶鋼剪切過(guò)程中廢邊在三種典型溜槽形狀內(nèi)的受力變形，得出廢邊在3#弧形溜槽上導(dǎo)板的典型溜槽內(nèi)的受力變形最好，不易造成逃絲，堵倉(cāng)現(xiàn)象；

(3)分析了帶鋼剪切過(guò)程中廢邊在三種典型溜槽內(nèi)不同時(shí)段對(duì)溜槽內(nèi)壁產(chǎn)生的沖擊磨損和循環(huán)接觸摩擦磨損，得出廢邊對(duì)1#直線形溜槽上導(dǎo)板的典型溜槽的磨損最嚴(yán)重，對(duì)3#弧形溜槽上導(dǎo)板的典型溜槽的磨損最小。因此3#典型溜槽的壽命最長(zhǎng)。