基于幾何偏差的夾送輥跑偏機理及數值模擬研究

王高平，李玉貴，包 野

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

夾送輥是鋼板剪切機生產線的重要組成部分，主要用于實現鋼板的循環進給和精確導向。目前國內鋼廠使用的夾送輥裝置常出現跑偏和精度不高現象，嚴重困擾正常生產。本課題組前期對夾送輥剛度等因素進行了研究，取得了良好的效果。本文將從夾送輥幾何偏差角度對夾送輥的跑偏機理進行分析，并通過現代數值方法進行分析和仿真，找出造成跑偏的原因，并提出改進的方法。本文的研究對夾送輥正常運行具有理論指導意義。

1 夾送輥裝置的組成和工作原理

夾送輥裝置種類繁多，用途廣泛，本文主要介紹雙邊剪夾送輥裝置，該類型的夾送輥裝置一般安裝在剪切機的入口和出口處，共由兩套四對八個輥子組成，固定側、移動側下輥間配置同步軸用于保證機械同步，具體布置簡圖如圖1所示。

圖1 雙邊剪夾送輥布置簡圖Fig.1 The layout schematic diagram of pinch roll in the DSS line

在夾送過程中，當入口夾送輥前的檢測裝置檢測到鋼板信號，該信號立即啟動入口夾送輥液壓缸壓下上輥至設定位置，同步也驅動夾送輥電機;之后鋼板被咬入并依靠輥套和板材間摩擦力來實現穩定夾送;然后，當PLC控制器采集到1/2送板步長信號后，其立即向主逆變器發出零速度信號，夾送輥電機輸出反向力矩，夾送輥反轉，使鋼板逐漸減速至零，完成一次送板。鋼板在夾送過程中總是處于加速起動、減速制動和停止的步進循環工作狀態。

2 夾送輥送板時輥徑差與跑偏分析研究

夾送輥送板過程如圖2所示，夾送輥的整個送板過程可分為入口夾送輥單獨送板、入出口夾送輥共同送板及出口夾送輥單獨送板的三過程，這三個過程的跑偏量是遞進疊加的關系。為此，研究輥徑差與跑偏的關系，必須把這三個過程綜合起來一并考慮。

因夾送輥的上下、左右、前后均相互對稱，各個輥不同的輥徑差導致鋼板的跑偏的情況也千差萬別，為了最有效的分析出在何種情況下的輥徑差導致的跑偏量最可能導致后續剪切出現次品，本文將分析輥徑差導致跑偏的極端情況。

(1)前夾送輥單獨送板(時間段0～t1=l1/v0)，因R1≥R2，鋼板將繞輥2作圓周運動，圓周運動半徑為兩輥間距l2，ΔR前=ΔR1－ΔR2，ve=2πnΔR前，則

(2)前后夾送輥共同送板(時間段t1=l1/v0～t2=l0/v0)。因 R3≥R1≥R4≥R2，則鋼板將繞輥4作圓周運動，圓周運動半徑為兩輥2、3間距 l，ΔR前－ΔR后，ve=2πnΔR，則

圖2 夾送輥的送板過程圖Fig.2 The plate-sending process of pinch roll

(3)后夾送輥單獨送板(時間段t2=l0/v0～t3=(l1+l0)/v0)。因R3≥R4，鋼板將繞輥4作圓周運動，圓周運動半徑為兩輥間距l2，ΔR后=ΔR3－ΔR4，ve=2πnΔR后，則

綜上可知，總共的跑偏量ε應為

式中，ti為每個階段的時間點(i取1，2，3);v0為鋼板的運行速度;l1為前、后夾送輥距;l2為固定、移側夾送輥距;Ri為夾送輥i的輥徑(i取1，2，3，4);ΔRi為輥i相對于標準輥徑Ri的輥徑差(i取1，2，3);ve為因輥徑差而導致的輥間速度差;εi表示不同極端情況下的跑偏量(i取1，2，3)。

若取長l0=10 m的Q235鋼板以2 m/s的初速度經夾送輥送入雙邊剪切邊15 mm，要保證整個過程中鋼板的跑偏均在所允許范圍之內，即要求鋼板頭部任一節點的橫向跑偏量ε≤15 mm。按此具體數據，即前夾送輥單獨送板時間段0～2.4 s，前后夾送輥共同送板時間段2.4～5 s，后夾送輥單獨送板時間段5～7.4 s，且剪切過程的時間段為1.2～6.2 s，則總共跑偏量為ε=ε1+ε2+ε3=6.833 mm。

3 夾送輥輥徑差與跑偏關系的數值模擬

為驗證本文分析的輥徑差與跑偏關系計算思路及模型的可靠情況，利用有限元分析軟件ANSYS的LS-DYNA模塊對夾送過程進行模擬，從模擬結果中提取數據，然后輸入到MATLAB軟件中進行圖形可視化，得出夾送輥輥徑差與跑偏情況的相關結果如圖3、4所示。從圖3可知，前后輥共同送板時的跑偏量大于它們分別單獨送板時的跑偏量，且單獨送板時的跑偏量易受外界干擾而波動，而共同送板時的情況則趨于穩定。從圖4可得，在剪切機完成剪切時，鋼板總的跑偏量約為7.373 mm，該值與理論計算值6.833 mm相近，且兩者均小于15 mm的切邊量，因而可知，按本文要求剪切的鋼板不會出現剪切出次品的情況。當然，若在實際生產中，初始夾送鋼板的板長增大，當隨著夾送時間的延長，若在沒有糾偏措施的情況下，則跑偏量一定會在某一時刻超出跑偏允許的范圍。

圖3 送板不同過程中輥徑差與跑偏模擬結果Fig.1 The simulation results of roll diameter deviation and the deviation during different sending processes

4 結論

圖4 鋼板頭部一節點隨時間的跑偏量Fig.4 The amount of deviation over time of a node on the plate head

夾送輥因素是鋼板跑偏的主要因素之一，消除鋼板夾送過程中的跑偏是鋼鐵行業共同的心愿，本文從夾送輥幾何偏差中的輥徑差角度對夾送輥的跑偏機理進行分析研究，用現代數值理論方法推導入/出口夾送輥單獨送板及入、出口夾送輥共同送板時輥徑差對跑偏的影響，并用有限元軟件ANSYS的LS-DYNA模塊對夾送過程進行數值模擬、用MATLAB軟件進行圖形可視化分析。最終得出的理論和模擬結果近似相符。本文的分析方法可為生產實踐提供一定的技術支持。同時，運用本文的思路和方法還可間接地用來找出最易造成跑偏的特定輥，進而對其進行有針對性地磨削和堆焊，使其更高效的為整個生產線工作。本文的研究不僅對夾送輥的正常運行有理論指導意義而且對提高夾送輥的使用率也有一定效果。

［1］劉少朋.夾送輥夾送工藝理論與研究［D］.太原:太原科技大學碩士論文，2011.

［2］Li Yugui，Wang Jianmei，Liu Shaopeng.Analysis on micro-scale behaviors of pinch rolls on cut-to-length shear［J］.Advanced Materials Research，2001(145)，386－389.

［3］張建軍，黃新，王磊，等.雙邊剪-剖分剪夾送輥運送鋼板狀態分析［J］.寬厚板，2007(8).

［4］劉飛，肖衡元，黃志剛，等.寬厚板雙邊剪夾送輥同步控制研究及優化［J］.軋鋼，2012(4).

［5］彭文明.中厚鋼板生產線剪切設備程序改進［J］.設備管理與維修，2008(7).

［6］成利華.滾切式雙邊剪跑偏與夾送輥之間的關系研究［J］.冶金設備，2012(2).

［7］胡偉，彭燕.對滾切式雙邊剪夾送輥裝置的分析及調整方法的改進［J］.機械研究與應用，2006(6).

［8］鐘曉兵.三軸傳動滾切式雙邊剪夾送輥的整改［J］.重型機械科技，2002(3).

［9］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程［M］.北京:機械工業出版社，2004.