輥式板材矯直機(jī)支承輥受力測試與分析

李艷威，王效崗，劉建龍，袁國鋒，岳照涵

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

中厚板是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要鋼材品種，用途廣泛，而矯直作為控制板形的重要工藝手段，目的是確保其矯后的板材獲得良好的板形和低的殘余應(yīng)力，其工藝水平直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。

在矯直輥系中，支承輥可以提高工作輥的強(qiáng)度和剛度［2］。在實(shí)際的生產(chǎn)中，矯直力通過工作輥直接傳遞給支承輥［3］。由于沖擊載荷和過載等原因，常常造成支承輥軸承的損壞［4］［5］。在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)檩S承選型不當(dāng)造成損失的事例很多［10］，由于特殊的使用環(huán)境，矯直機(jī)支承輥軸承需要滿足能承受徑向載荷大、能承受軸向載荷、具有調(diào)心性能、拆裝維護(hù)方便和能夠適用于較惡劣的工作環(huán)境的使用要求［6］［7］［9］。所以，有必要對矯直過程中支承輥的實(shí)際受載和矯直力理論計(jì)算進(jìn)行深入的研究，并實(shí)現(xiàn)對支承輥受力情況的在線監(jiān)測。

本文主要通過工程測試、常規(guī)理論計(jì)算分析，對支承輥矯直力受載情況作出分析，為中厚板矯直機(jī)的合理使用和挖潛、改造提供依據(jù)。

1 矯直力理論解析

在矯直過程中，假定材料原始曲率為C0，經(jīng)過一個矯直單元，在矯直輥的壓彎作用下產(chǎn)生彎曲的曲率Cw，此時的材料彎曲總變形為總變形曲率CΣ=Cw－C0;材料通過矯直單元以后開始卸載，在卸載的過程中，已經(jīng)發(fā)生的塑性變形將不能恢復(fù)，只有彈性變形部分發(fā)生彈復(fù)，其余的部分即為殘留變形，也即永久變形，卸載后的殘余曲率為Cc，從反彎曲率Cw到殘余曲率Cc的變化量稱為彈復(fù)曲率其中MΣ為本矯直單元產(chǎn)生的彎矩)，即在這兩個加載卸載的過程中，通過相同的Cw、Cf與CΣ的關(guān)系建立聯(lián)系，即已知原始曲率C0和壓彎曲率Cw，就可以得到殘余曲率Cc的值［8］。

矯直力的計(jì)算時根據(jù)板材矯直過程中的彎曲力矩而定［3］。

算出各輥處彎矩M 值后，可以按連續(xù)梁的三彎矩方程式寫出矯直力表達(dá)式，任意第i 輥的矯直力Pi為

作用在各個輥上的壓力可以依據(jù)每個彎曲單元力矩平衡條件得出

作用在上下輥的總的壓力為

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備為多功能液壓輥式矯直試驗(yàn)平臺(圖1)，平臺包括矯直本體、傳動裝置、電氣控制、液壓伺服系統(tǒng)。

圖1 矯直試驗(yàn)平臺Fig.1 Leveling test platform

矯直機(jī)工作時，由主電機(jī)通過減速機(jī)、齒輪箱、萬向接軸帶動輥系轉(zhuǎn)動，板材通過輥系完成矯直。矯直機(jī)壓下動作由液壓伺服缸帶動完成，由四個液壓壓下裝置帶動上輥系移動來調(diào)整入、出口輥縫;由一個液壓伺服缸帶動對開梁的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)上輥系的彎輥動作。試驗(yàn)臺具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

試驗(yàn)矯直速度為0.15 m/min，矯直輥運(yùn)行速度30 min，板材入口輥縫3.0 mm、出口輥縫3.0 m，由于矯直力過大，矯直時讓邊輥處于低位，試驗(yàn)采用板材為Q-235，主要規(guī)格參數(shù)及力學(xué)性能如表2 所示。

表1 試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical data sheet of leveling test platform

表2 試驗(yàn)材料主要參數(shù)Tab.2 The main parameters of the test material

2.2 試驗(yàn)方案

通過ABAQUS 軟件進(jìn)行支承輥受力的模擬仿真，如圖2 所示，由應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，支承輥軸承座的底部區(qū)域?yàn)橹饕氖芰^(qū)域，如圖3 所示;因此對該區(qū)域的載荷水平進(jìn)行測試，如圖4所示。矯直力支撐輥矯直力測試，測試方法采用電阻應(yīng)變法，通過粘貼應(yīng)變片，使支承輥?zhàn)冃翁幍膽?yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集儀和信號記錄分析儀來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集分析。矯直機(jī)的支承輥兩兩交錯布置，分段對每根工作輥支撐，每根工作輥分6 段支撐，如圖5 所示。

圖2 ABAQUS 模擬仿真Fig.2 ABAQUS simulation

圖3 仿真應(yīng)力云圖Fig.3 Simulation stress cloud

圖4 粘貼應(yīng)變片F(xiàn)ig.4 Past strain gauges

圖5 支承輥支撐方式Fig.5 Back-up rollers

共有24 個支承輥，共設(shè)48 個測點(diǎn)，如圖6所示。支承輥矯直力測試時采用半橋貼法，兩片之間相互進(jìn)行溫度補(bǔ)償。測試前采用離線實(shí)物標(biāo)定，為了提高實(shí)驗(yàn)測試的準(zhǔn)確度，對每個支承輥分別采用液壓千斤頂加載進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程和結(jié)果如圖7 所示，標(biāo)定結(jié)果表明制作的傳感器線性度良好。

2.3 實(shí)際測試數(shù)據(jù)分析

由各測試圖可以看出，各支承輥的承受載荷極值一般會出現(xiàn)在咬入和甩尾的階段;在穩(wěn)定矯直階段，載荷情況一般會穩(wěn)定在一定的水平。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，矯直輥支承輥的內(nèi)部容易進(jìn)水，而且矯直過程中會產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，會夾在兩輥之間造成支承輥的損壞，所以當(dāng)支承輥和軸承損壞時，也會造成載荷信號的不規(guī)律和不平穩(wěn)，具體分析過程結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)來分析。

圖6 傳感器布置示意圖Fig.6 Sensor arrangement

圖7 系統(tǒng)標(biāo)定現(xiàn)場Fig.7 System calibration site

由圖8 支承輥測試信號可以看出，隨著矯直的進(jìn)行，支撐輥的載荷信號有明顯的變化。該工作輥的對應(yīng)A－F 六組支承輥的載荷信號反應(yīng)了一定的問題，具體來說C、D 兩組的載荷水平比較高，A、E組載荷水平其次，B、F組的載荷水平相對較低，具體到每一組支承輥的載荷信號，趨勢分布也有所不同，反映了各自的一些特征。比較圖9a～d，在穩(wěn)定矯直階段的1～4組支承輥平均載荷分布，可以看出，1組、2組和3組載荷信號都反應(yīng)了中部的載荷大于邊部的載荷，基本呈現(xiàn)中間高，兩邊低的趨勢，其中2組反應(yīng)了邊部靠里一排的載荷低于邊部的載荷;4組的平均載荷信號中，由于B4#支承輥的應(yīng)變片損壞，導(dǎo)致沒有信號數(shù)據(jù)，但是綜合其他數(shù)據(jù)可以看出，呈現(xiàn)中間低，兩邊高的趨勢，分析認(rèn)為可能是由于來料浪形使上輥系發(fā)生了彎曲撓度，導(dǎo)致支承輥載荷分布反常。

圖8 橫向支承輥載荷測試信號Fig.8 Lateral load backup-roll test signal

圖9 穩(wěn)定矯直階段的沿橫向分布的平均載荷Fig.9 The average load stable phase

如圖10a，A組支承輥，在板材到達(dá)工作輥以后，支承輥的載荷明顯升高，此時處于板材的咬入階段，載荷逐漸上升到最大值后保持平穩(wěn)，直到板材逐漸離開3#輥后，支承輥載荷逐漸降低，恢復(fù)到原始值，總體來說，A組的支承輥沒有明顯的沖擊載荷出現(xiàn)，穩(wěn)定矯直階段的載荷分布在20～24 kN 之間;如圖10b，B組支承輥，載荷分布趨勢與A組類似，但是總體載荷水平要比A組低，靠近中部的矯直力會逐漸增大，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為可能是由于在兩處的板材浪形不同，板材的邊浪缺陷導(dǎo)致了A組支承輥承受了比較大的矯直力;B組支承輥在咬入階段也沒有出現(xiàn)載荷沖擊，載荷基本分布在14～16 kN 之間，但是，在甩尾階段出現(xiàn)一個小的沖擊，最大載荷19 kN，矯直結(jié)束后載荷迅速恢復(fù)零值。

圖10 各組支承輥的載荷情況Fig.10 Load backup-roll in each group

D組矯直輥載荷信號如圖10c 所示，矯直過程中處于板材的中心位置，載荷分布趨勢和分布范圍大體相同，在鋼板進(jìn)入工作輥以后，此時的載荷很快升高，并帶有明顯的載荷沖擊，咬入階段C組支承輥?zhàn)畲筝d荷45 kN，D組支承輥?zhàn)畲筝d荷50 kN，之后進(jìn)入穩(wěn)定矯直階段，載荷略微下降，并保持穩(wěn)定，C組基本穩(wěn)定在40 kN 附近，D組穩(wěn)定在38 kN 附近，進(jìn)入甩尾階段以后，C組和D組支承輥的載荷又出現(xiàn)增大，甩尾階段的載荷沖擊，C組最大載荷50 kN，D組最大載荷50 kN，甩尾完成后兩組支承輥載荷迅速下降，C組支承輥在下降的過程中在140～160 s之間還有一個小的沖擊，可能是由于安裝精度的不準(zhǔn)確造成的波動，之后載荷信號恢復(fù)零值。

E組支承輥載荷信號如圖10d 所示，在鋼板到達(dá)工作輥開始矯直以后，咬入階段，其載荷信號迅速升高，出現(xiàn)明顯的載荷沖擊，載荷最大值17 kN，之后載荷信號急劇降低，進(jìn)入穩(wěn)定矯直階段，此時的載荷基本分布于0～4 kN 之間，一直保持到穩(wěn)定矯直階段結(jié)束，之后開始進(jìn)入甩尾階段，載荷又出現(xiàn)沖擊，載荷幅值迅速升高，而且比咬入階段的載荷值要大，最大值達(dá)到22 kN，矯直結(jié)束后載荷恢復(fù)零值。總體來看，E組支承輥的載荷信號只有在咬入和甩尾階段會出現(xiàn)比較大的沖擊，載荷值在短時間內(nèi)升高比較大，而在穩(wěn)定矯直階段載荷水平比較低，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由來料板材具有浪形，在矯直的過程中導(dǎo)致矯直輥出現(xiàn)撓度，在穩(wěn)定矯直期間內(nèi)支承輥承受的載荷下降

從縱向的矯直方向來分析支承輥的受載情況，如圖11 所示，D4、D3、D2、D1 支承輥分別支撐3#、5#、7#、9#工作輥，板材首先來到3#工作輥，與之對應(yīng)D4 支承輥的載荷信號開始升高，經(jīng)過咬入階段的載荷沖擊以后進(jìn)入穩(wěn)定矯直，最大值25KN，之后逐漸減小，沒有甩尾沖擊，甩尾前載荷為17 kN，最后恢復(fù)到零值;D3支承輥對應(yīng)的載荷信號在D4 之后產(chǎn)生變化，也是經(jīng)過沖擊之后進(jìn)入穩(wěn)定矯直，隨后歸零，但是D3 的咬入沖擊載荷較大，最大值達(dá)到42.5 kN，而且D3 的載荷水平要整體高于D4，說明5#工作輥的矯直力要高于3#;D2 在D3 之后進(jìn)入受載狀態(tài)，D2 載荷信號顯示出咬入沖擊和甩尾沖擊，并且整體載荷水平最高，說明在本次矯直過程中，7#工作輥承受的矯直力是最大的，最大值達(dá)到50 kN;D1組支承輥?zhàn)詈箝_始受載，載荷分布情況與D4 類似，整體載荷水平略高于D3，最大值達(dá)到32 kN。

圖11 縱向支承輥載荷測試信號Fig.11 Vertical load backup-roll test signal

3 結(jié)論

(1)本次測試的實(shí)驗(yàn)方案比較完善，測試效果比較理想，實(shí)現(xiàn)了矯直過程中支承輥矯受力的在線監(jiān)測。

(2)矯直時工作輥的咬入沖擊和甩尾沖擊，會使載荷信號出現(xiàn)尖峰載荷現(xiàn)象，是造成矯直機(jī)支承輥軸承損壞的主要原因。板材的來料浪形和不平直也會影響支承輥的載荷分布。中部的載荷水平要整體高于兩側(cè)。

(3)個別支承輥的載荷信號在穩(wěn)定矯直階段出現(xiàn)了周期性的波動，可能是支承輥軸承的故障導(dǎo)致。本次測試方案可以實(shí)現(xiàn)對支承輥的軸承故障檢測，有利于提前發(fā)現(xiàn)故障，減小生產(chǎn)損失。

(4)通過模擬仿真發(fā)現(xiàn)，在增大矯直力的情況下，目前支承輥的軸承座有發(fā)生扭曲和損壞的潛在危險，軸承座的材料選擇和布局有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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