對稱三輥卷板機上輥撓度補償計算與受力分析*

甄 誠，郭瑞峰，郭永平

(1．西安建筑科技大學機電工程學院，陜西西安 710055;2．首鋼長鋼(集團)鍛壓公司設計院設計科，山西長治 046011)

0 引言

卷板機按輥數可分為兩輥、三輥、四輥及多輥;按輥子布置方式可分為對稱式和非對稱式;按輥子軸線位置可分為臥式和立式;按輥子調整方式可分為上調式和下調式;按主驅動方式分為機械和液壓;按輥子的傳動方式分為上傳動(上輥主動、其余輥從動)下傳動(下輥主動、其余輥從動)、全傳動(工作輥全為主驅動);按上輥有無傾倒軸承體可分為開式和閉式(船用型);按功能可分為普通型和多用型;按卷制方法可分為冷卷、熱卷、溫卷;按控制方式可分為強電控制、NC 控制、CNC 控制［1］。

卷板機的上輥是整個卷板機的核心構件，上輥的受力變形會導致卷板壓力分布，影響成型筒型的圓度和母線的直線度。筆者以首鋼長治鋼鐵(集團)鍛壓機械制造有限公司的W11NC-6x1600對稱三輥卷板機為研究對象，通過建立數學模型，以及用Auto-CAD Mechanical分析仿真軟件構建模型，來計算補償上輥的撓曲變形，保證板材的直線性。

圖1 為對稱三輥卷板機簡圖

1 建立上輥數學模型

在現有的設備中，卷制板材時，上輥受力變形導致不能保證板材的直線性。在一臺卷板機卷制不同厚度板材時，為了改變板材出現“鼓肚”和“束腰”的現象，通過研究上輥的撓度，來達到生產要求，這正是筆者所要研究的［2］。通過AutoCAD Mechanical軟件受力分析，研究上輥的撓度補償，在不更換上輥的前提下，對上輥形狀做優化設計［3］。卷板機上輥的受力形式類似于簡支梁，一般通過簡支梁的近似計算，來計算卷板機上輥的撓度。上輥適用理論公式如表1所示，受力簡圖如圖2所示［4］。

表1 簡支梁受力試用公式表

圖2 上輥受力簡圖及適用理論公式

2 上輥力學模型的建立

上工作輥受力簡化模型，總跨度為1 913．5 mm，其中輥身長度為1 650 mm，上輥支撐輥的位置分布如圖3所示。W11NC-6x1600對稱三輥卷板機基本參數如表2所列。

圖3 上工作輥受力簡化模型

表2 W 11NC-6x1600對稱三輥卷板機基本參數

現需要計算在保證最大的撓度條件下，計算上輥支反力。通過卷制鋼板的板寬，板厚，最小彎曲直徑及鋼板的屈服極限這四個條件，可計算上輥受力為100 kN［5］，分布到1．65 m 輥身上，上輥受到的均布載荷為60．6 kN/m。

3 上輥受力分析與計算

3．1 均布載荷

對上輥(上輥直徑Φ150 mm)在1 650 mm范圍內施加均布載荷60．6 N/m，用CAD Mechanical軟件分析在此載荷作用下，上輥的撓度分布［6］，如圖4。

圖4 上輥受均布載荷60．6 kN/m，撓度為1．64 mm

為了突出撓度變形量，圖4為放大100倍比例的應力和應變，最大變形量S2為1．64 mm。這是卷制最大卷板厚度6 mm，最大卷板寬度1 600 mm時的撓度變形量。如果按此生產，卷制板材時，板材成型后會出現“束腰”的現象，也就是中間閉合，兩端開口，這是不允許的，不符合生產要求。因此需改進產品，優化設計。但又需節約成本，不更換已有零件。通過對上輥的受力分析研究得出，只需對上輥進行再加工，補償撓度，改變“束腰”現象，使產品達到生產要求。

4 上輥設計的分析與討論

三輥卷板機雖然有具體規格，設定了最大卷板厚度和寬度，但是廠家經常需要卷制不同規格的板材，卷制不同規格板材時，由于上輥受力變形而發生“鼓肚”和“束腰”的現象。通過研究上輥的撓度變形，來改變這一現象，達到生產要求，通過 AutoCAD Mechanical軟件進行分析，研究上輥的撓度變形，在不更換上輥的前提下，對上輥形狀做優化設計。W11NC-6x1600對稱三輥卷板機的上輥輥徑為Φ150 mm，根據AutoCADMechanical軟件的受力分析得出，上輥撓度為1．64 mm。通過測量比對變形量，得出如下的撓度補償措施:通過減小上輥兩端直徑，上輥兩端實際受力處0～300 m縮小直徑為Φ146．5 mm，300～600 mm年縮小直徑為Φ148．5mm(見圖5)來達到補償的目的，從而使成上輥受力變形時，加大了輥身兩端的撓度，保證了受力面的直線度，使卷制最大規格，以及其他規格板材時，成型板材筒徑的圓度、直線度符合生產要求。

圖5 改進上輥簡圖上

改進后，板材成形，筒形圓度符合廠家要求。

5 結論

為了達到生產要求，改進板材卷筒成品質量，對上輥撓度采用逆推法分析。假設在受到卷制鋼板均布載荷受力情況下，用AutoCAD Mechanical軟件模擬，來指導設計，補償撓度。可得如下結論。

(1)在卷板機卷制鋼板時，雖然有最大規格卷板要求，但產品往往需要生產不同規格的產品，這就需要設計人員全面考慮問題，提出合理設計方案。

(2)采用逆推法，得到上輥的支反力大小，通過數學計算得到理論撓度，然后通過AutoCAD Mechanical模擬，分析上輥撓度值，進行對比，驗證理論公式。

(3)通過AutoCAD Mechanical變形圖，可以直觀的看到上輥受到載荷之后的變形情況，對變形過大的地方，在不改變上輥基本情況的前提下，通過微調上輥形狀補償撓度，達到合格板材，節約生產成本，優化結構設計，達到生產要求。

［1］ 邢偉榮．卷板機的現狀與發展［J］．鍛壓裝備與制造技術，2010(2):10-16．

［2］ Ming yang．Model-based Control for Three-roll Bending Processof Channel bar［J］．Transactionsof the ASME，1990(112):346-351．

［3］ Hanssen A G ，Hopperstad O S，Langset h M ．Bending of Square Aluminium Extrusion with Aluminium Foam Filler［J］．ACT A Mechanica，2000(112):13-31．

［4］ 機械設計手冊第四版第1卷，ISBN 7-5025-3519-5/TH．95:1-141．

［5］ 李 強，高耀東，尚 珂．對稱式三輥卷板機的受力及驅動功率計算分析［J］．鍛壓技術，2007，32(4)67-60．

［6］ 王建洲．基于AutoCAD Mechanical的軸類零件設計［J］．新技術新工藝，2011．18/TH122:2-3．