板寬對軋機剛度影響的實驗研究

康 兵，張小平，王云杰，劉杰鋒，陳 曦

(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

軋機的橫向剛度和縱向剛度對于板帶軋制而言非常重要，橫向剛度直接決定著軋出的板形是否良好，縱向剛度對于板帶縱向厚度控制具有重要意義。然而以往學者對于軋機剛度的研究大多停留在理論計算和數值模擬上［1］，缺乏實驗的支撐，因此本文主要通過實驗的方法，在350 mm 四輥可逆冷軋機上軋制不同寬度的工業純鋁板，研究了軋件寬度對軋機縱向剛度及軋機橫向剛度的影響規律。并且在研究寬度的影響因素之前，首先研究了軋制速度對剛度的影響，并取得最優軋制速度，在最佳軋制速度下進行實驗研究，實驗結果顯示板帶軋制在速度較低并軋制和輥身相近寬度規格的板材時，所獲得的厚度精度最高，板形最為良好。所得結論為得到良好的板形及厚度的精確控制具有基礎性指導意義。

隨著冷軋板帶的使用日益廣泛，用戶對冷軋板帶的幾何形狀、物理性能、尺寸精度的要求也越來越高［2］，因此，板形控制成為板帶軋制中的核心技術，是實現高速穩定軋制的基本條件。軋機的橫向剛度反映了軋機承載輥縫凸度抵抗軋制力波動而保持不變的能力［3］，目前軋機橫向剛度的研究方法主要有影響函數法和有限元法。其中田勇［4］運用影響函數法分析了軋件寬度、支撐輥半徑、工作輥半徑、支撐輥凸度和工作輥凸度對軋機橫向剛度的影響規律;杜鳳山［3］、魏娟［5］運用有限元法研究了板寬、竄輥、工作輥輥徑、支撐輥輥徑和彎輥力對軋機橫向剛度的影響，但是他們的研究都是側重于設備參數方面，而對工藝參數方面研究的較少。

板形和板厚是板帶材產品的兩個重要質量指標，而軋機的橫向剛度又是影響軋件不同位置厚度的關鍵因素。目前對鋼板縱向厚度的精度控制已經比較成熟［6］，而對軋機橫向剛度的研究相對較少，并且對軋機剛度的研究又以影響函數法和有限元模擬仿真的方法居多［3］，其中陳敏俠運用影響函數的方法研究了寬厚板軋機的橫向剛度，李立新等對亦對軋機的剛度進行了理論計算，田勇等在理論計算的基礎上還進行了有限元仿真，杜鳳山等人也對六輥軋機的剛度進行了有限元研究，但他們共同的特點是均缺乏實驗的研究和驗證［7－9］。

大部分學者對于縱向剛度的測試通常是在全輥面接觸條件下進行的，這樣做的后果是導致板寬對于軋機剛度的影響被忽略，而理論分析表明，軋件的寬度對于軋機的剛度是有影響的，并且軋件寬度和軋輥寬度相差越大時，軋機剛度越和理論值不一致。王學志等人雖然研究過軋件寬度對軋機剛度的影響，但是其計算和運用不夠直觀，并且模擬的是中厚板，缺乏較窄板軋制的變化規律［10－12］。針對此現狀，本文使用實驗的方法來研究軋機剛度隨著軋件寬度的變化規律。

1 實驗研究

1.1 實驗設備與材料

軋輥輥系/mm Φ100/Φ220 ×350

主電機 90 kW，1500～2800 r/min

壓下速度/mm·s－1V=0.05

卷取張力/kN 0.5～20

最大軋制力/kN 1200(即120 t)

軋制速度/m·min－1v=0～60

原料厚度/mm ≤6

成品厚度/mm ≥0.2

實驗軋機如圖1 所示。

圖1 實驗用四輥軋機Fig.1 Experiment with four high rolling mill

實際中常使用的縱向剛度測定方法有固定輥縫的軋制法、改變輥縫的軋制法和軋輥壓靠的方法。考慮到市場上能夠采購到的工業純鋁板實際測量實際厚度為1.685 mm、2.730 mm、3.705 mm，所以采用固定輥縫變厚度測量軋機剛度的實驗方法不易實現，本實驗采用固定厚度變輥縫的實驗方法。

試驗采用未退火工業純鋁板，市場上采購的到的鋁板為2 m 長，1 m 寬，需經滾切剪切成寬度為60 mm、100 mm、140 mm、180 mm、220 mm、260 mm 的軋件若干塊備用，準備好后的軋件編號并整理后如圖2 所示。

圖2 剪切好的軋件Fig.2 Sheared rolled pieces

1.2 實驗過程

本文測定縱向剛度的方法為:在同一固定輥縫條件下軋制同一寬度不同厚度的鋁板從而測出這一寬度下的剛度，再重復以上步驟即繼續軋制另一寬度不同厚度的鋁板測出又一寬度下的剛度，從而得出不同寬度條件下的縱向剛度。

建筑工程的造價管理就是對該建筑項目所需要的總體金額進行一個管理，使成本的變動在一個可控的范圍內。在建筑工程的造價管理中，包含了擬定的流程內的消費，這部分關系著整體的承包者、分包者以及業主。所以在建造的過程當中，造價是很容易變化的，因此為了避免造價大范圍的變動，減少造價變動產生的影響，就應該通過動態管理的途徑來管理。工程造價的調控在建造的每一個階段內都存在，所以在建造的每一個階段都應該用動態管理的方式來調節，這樣也方便了建筑工程進一步的進行實施。

具體實驗方法:(1)首先斷開四輥軋機的AGC 功能以保持輥縫設定好后不變;(2)當保持輥縫一定時，用某一厚度相同寬度的軋件送入軋機，讀出軋制力，并測定軋制后軋件厚度;(3)軋出鋁板的厚度減去預設定輥縫的值即為此次軋制的彈跳值;(4)改變軋機的輥縫并固定不變，僅改變軋制速度，并重復以上(2)、(3)步驟，從而得到軋機在某一寬度的縱向剛度隨軋制速度的變化規律;(5)改變軋件的寬度，并保持固定的軋制速度，再按以上步驟確定在其他寬度下的縱向剛度值;(6)測量軋后鋁板沿寬度方向中部的平均厚度和沿寬度方向兩邊的平均厚度，并在測量兩邊厚度時去掉邊部減薄的區域，即為軋后鋁板的板凸度;(7)根據所測得的軋后板凸度及其所對應的軋制力，即可計算出某寬度下的橫向剛度。

實驗部分數據如表1、表2 所示。

表1 寬度140 mm 的鋁板壓下10%Tab.1 Width of 140 mm aluminum plate down 10 %

表2 速度0.2 m/s 壓下10%的鋁板Tab.2 Speed of 0.2 m/s press down 10% of the aluminum plate

根據數據表1，做出軋機的橫向剛度和縱向剛度，隨軋制速度的變化規律，如圖3、圖4 所示。可見，軋機縱向剛度隨軋制速度的增大是減小的，而軋機縱向剛度隨軋制速度的變化不是單調的，而是波動的。

其原因是軋制速度對軋機剛度的影響是通過軋制速度的變化影響軸承油膜厚度的變化，導致輥縫大小變化而影響軋機剛度的。因為低速時支承輥的動壓軸承油膜厚度減小，支承輥的可活動范圍減小，即軋制時彈跳值減小，所以剛度變大;隨著軋制速度的增加，軸承油膜厚度增大，從而支承輥的可活動范圍增大，即軋制時彈跳值增大，所以剛度減小。而軋制速度的變化，并不改變工作輥與支承輥間的有害接觸區，從而支承輥給工作輥的有害彎矩也不變化，工作輥的彎曲也不受影響，所以軋件的板凸度受軋制速度的影響比較微小，軋制速度對橫向剛度的影響也很微小。

圖3 縱向剛度隨軋制速度的變化Fig.3 Longitudinal stiffness V.S.rolling speed

圖4 橫向剛度隨軋制速度的變化規律Fig.4 Lateral stiffness V.S.speed

由圖3、圖4 可知，軋機的縱向剛度和橫向剛度在軋制速度為0.2 m/s 時最好，所以后續針對板寬對剛度影響的研究均在軋制速度為0.2 m/s的條件下進行。

2 軋機的縱向剛度

2.1 理論依據

在板帶軋制過程中，由于存在軋制力，而工作輥又是彈塑性體，所以在軋制力的作用下工作輥要被壓扁和變形，從而導致輥縫比預設定值要大，即產生了彈跳。縱向剛度反應了軋機所能軋制的厚度精度，是厚度自動控制系統中不可或缺的影響因素。

根據軋制力和輥縫值可得到軋機變形的彈性曲線，該曲線并不完全是一條直線，在彈性曲線的起始階段是一小段曲線，這是由于軋機各部件之間存在一定的間隙和接觸不均勻之故。軋機的縱向剛度即通常所說的剛度系數K，也就是當軋機的輥縫值產生單位距離的變化時所需的軋制力的增量值，即Δf為彈跳值的增量，ΔP為軋制力的變化量。當軋機彈性曲線為一直線時此時剛度系數可表示為，因為軋機一般工作在線性區域，所以本文用此公式即軋制力與彈跳值之比計算出軋機的縱向剛度。

2.2 軋件寬度對軋機縱向剛度的影響

因為該四輥軋機經過多次拆裝、改進和改造，如將機械壓下改為液壓壓下等。各零件間間隙都會有所變化，從而影響軋機的剛度。所以縱向剛度的測定，旨在得到改造后軋機的實際剛度值，并研究縱向剛度隨軋件寬度的變化規律，從而準確計算彈跳，提高輥縫設定精度。

根據表2 中的實驗數據得到軋機的縱向剛度隨板寬的變化規律如圖5 所示，可見軋機的縱向剛度隨板寬的變大是呈增加的趨勢，并且在寬度較窄時，縱向剛度隨板寬的增加而增加且增加速度較快;而在寬度增大到100 mm 后繼續增加寬度縱向剛度也總體增加，但有較小波動，并趨于定值，基本保持在1 MN/mm 左右。

圖5 縱向剛度隨板寬的變化規律Fig.5 Longitudinal stiffness V.S.plate width

3 軋機的橫向剛度

3.1 理論依據

在軋制力作用下，軋輥產生彎曲變形，從而導致帶鋼沿寬度方向厚度不均，即出現橫向厚差(板凸度)。軋機的橫向剛度是指其他條件一定時，產生單位板凸度變化量所需要的軋制力變化量，即(Cp為軋機橫向剛性系數(kN/mm);P為軋制力(kN);δhb為板帶材中部與邊部的厚度差(mm)。而板凸度是研究板形是否良好的重要指標，所以軋機的橫向剛度直接影響到軋制產品的板凸度精度，橫向剛度越大對軋制過程的板形控制越有利，從而得到良好的板形。

影響橫向剛度的因素有:軋制速度、支撐輥半徑、工作輥半徑、軋件寬度、工作輥凸度、支撐輥凸度以及軋機其他零件的變形。［4］因為在軋機確定的條件下，工作輥半徑、工作輥凸度、支承輥半徑、支承輥凸度都是確定的，所以本文主要探討軋件寬度和軋制速度對軋機橫向剛度的影響。

3.2 軋件寬度對橫向剛度的影響

圖6 橫向剛度隨板寬的變化規律Fig.6 Lateral stiffness V.S.plate width

4 結論

(1)在實驗所取的速度范圍內，軋機縱向剛度隨軋制速度的增大是減小的，而軋機縱向剛度隨軋制速度的變化不是單調的，而是波動的，在軋制速度為0.2 m/s 時橫向剛度和縱向剛度的組合最優。

(2)在實驗所研究的板寬范圍內，軋機的縱向剛度隨板寬的變大是呈增加的趨勢，并且在寬度較窄時，縱向剛度隨板寬的增加而增加且增加速度較快;而在寬度增大到100 mm 后繼續增加寬度縱向剛度也總體增加，但有較小波動，并趨于定值，基本保持在1 MN/mm 左右。

(3)在實驗所研究的板寬范圍內，軋機的橫向剛度隨著軋件的寬度增加而增加，并且在板寬較小時隨著板寬的增加，軋機的橫向剛度增加速度較快，在板寬達到140 mm 時，繼續增加板寬，軋機的橫向剛度也是增加，但是增速明顯變緩。

(4)由于板寬較大時，軋機的橫向剛度和縱向剛度均較大，所以軋機在軋件和輥身長度相接近的軋件時軋制的板形最良好，厚度的控制也最準確。

綜合上所述條結論，板帶軋制在速度較低并軋件和輥身相近寬度規格的板材時，所獲得的厚度精度最高，板形最為良好。

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