基于Solidworks鋼帶快速修復形變的研究

周新院　鄭義

【摘 要】本文通過對卷板機的研究，采用逆向思維方式設計，對其進行改造。對鋼帶快速修復方案進行了分析，總結了快速修復對修復設備的要求，從而設計出鋼帶調直機，把變形的鋼帶進行調直，并對該調直機用三維建模軟件solidworks進行了三維建模，同時用solidworks中的插件cosmosworks對核心構件進行了有限元分析，得到了該構件的應力、位移和應變曲線，并對曲線上的結果進行了分析，為以后調直機的改進提供了參考。

【關鍵詞】鋼帶調直機；形變修復；有限元分析

支護方式設計是巷道支護設計實現定量決策的關鍵所在。當支護型式確定以后，支護成本、巷道返修等直接影響到支護效果和經濟效益。影響正常生產和經濟效益；由于很多煤礦礦井深度大，系屬于松軟巖層，所以這就造成巷道壓力大，支護鋼帶密度增加且返修率高，造成鋼帶的使用數量大，并且由于巷道的擠壓、拉伸等造成回收鋼帶變形嚴重，不經過處理無法二次利用，針對這種情況，同時也為了響應節能降耗的生產方針，決定對井下變形嚴重的鋼帶進行回收利用。以下是針對礦用支護平鋼帶的調直修復的研究。

1 鋼帶快速修復方案的分析

1.1 錘擊修復

大多數煤礦一開始所回收的鋼帶為人工用大錘調直，工人的勞動強度大，并且存在極大的安全隱患，由于回收鋼帶多，多數變形嚴重，人工調直困難，經統計發現多數鋼帶均以廢鐵處理，浪費嚴重。并且調直的鋼帶時由于錘擊的沖擊力過大，容易使鋼帶內部產生較強的殘余應力或者是產生局部加工硬化，從而降低了鋼帶的韌性，使廢舊鋼帶二次使用率低。

1.2 壓力機壓制

市場上現有鋼帶調直機構多數是采用壓力機壓制，由油壓機帶動油缸利用油缸壓力對鋼帶進行調直，調直過程中需要一人操作油壓機，一人送鋼帶。并且根據模具的不同，鋼帶需要成段調直，就以1.2M鋼帶為例，調直過程中至少要升降油缸6次，由于油壓機速度慢，這就致使調制一條1.2米鋼帶至少需要3-4分鐘。對于有些變形角度超過150度的或發生旋轉變形的鋼帶便無法進行調直，極大地降低了回收率。調直過程中工人的勞動強度大，調直的效果也不明顯，重復利用率不高。

1.3 滾壓修復

根據卷板機的工作原理，采用逆向思維方式設計，充分考慮到卷板機存在的缺點和不足，對其進行改造，使變形的鋼帶陸續通過平行的壓輥之后，能產生永久的塑性變形，從而使鋼帶快速修復。調直過程中只需要一人操作，節省勞動力。同時可以設計壓輥上的壓槽，使一臺設備能同時修復兩種不同規格的鋼帶。通過調整壓輥的轉動方向，使一次修復不合格的鋼帶，再次調直修復。修復速度快，調直效果明顯，再利用率高。

1.4 鋼帶快速修復設備的設計要求

（1）能修復不同變形的鋼帶，由于井下支護壓力大，鋼帶變形多種多樣，此鋼帶調直機必須能適用于各種不同變形的鋼帶，并且能快速完成調直；

（2）能適應不同長度的鋼帶，由于井下使用鋼帶長度不同，有的鋼帶發生斷裂，但是經過修復還可以應用于其他對承載力要求不是很高的支護面上；

（3）能修復不同型號的鋼帶，礦用平鋼帶有80#和60#兩種型號，設計的鋼帶調直機能盡量實現同一臺設備在不更換零部件的前提下實現對不同型號鋼帶的修復調直；

（4）修復后的鋼帶盡量保證修復前的力學性能，修復過程中不能使鋼帶達到或者超過材料的屈服極限，盡力使鋼帶發生塑性變形后保持平直狀態，并且具有接近新鋼帶的力學性能，否則此鋼帶調直機的設計意義就不存在了。

2 三維結構設計

通過以上三種調直方法對比，我們采用液壓修復對變形的鋼帶進行調直，根據卷板機的工作原理，采用逆向思維方式設計出了鋼帶調直機。本調直機構采用兩組壓輪（一組4個），分上下兩層水平排列，其中有一組是主動輪，一組為從動輪。主動輪的作用是帶動鋼帶運動，主動輪齒輪與變速箱輸出軸成V字型嚙合，當輸出軸齒輪在變速箱所調整的轉速轉動時，帶動與其連接的兩個小齒輪，小齒輪帶動與其嚙合的齒輪最后使四個下側主動輪按同一方向轉動，在滾輪摩擦力的作用下帶動鋼帶運動。從動輪在主動輪上部，其作用是對鋼帶進行調直，通過調整從動輪兩端軸承上的調整螺桿可以上下調整從動輪，依據鋼帶的厚度和鋼帶的變形情況調節調整螺桿達到對鋼帶調直效果的控制。

3 上下壓輥有限元分析

上下壓輥作為鋼帶調直機的主要調直工件，我們對他進行了有限元受力分析，由于上下壓輥材料和受壓力情況相同，上壓輥有凹槽，存在應力集中，而下壓輥整個為一圓柱面，受力情況好于上壓輥，因此只分析上壓輥即可。

建立算例，并選擇實體網絡的網格模型，選擇Static類型。在SolidWorks材料庫中選定材料為合金鋼，然后在上壓輥的軸心處添加固定約束，在上壓輥受力部位添加軸承力載荷，大小為16KN。然后對整體添加網格，網格整體大小為13.68mm，公差為0.68mm，添加網格情況如圖。

最后運行算例，進行有限元計算，輸出結果如下圖。

通過以上的分析結果可以得出，上壓輥所受局部最大應力為3.8MPa，材料屈服極限為620MPa，由鋼帶調直機上壓輥滾子的要求可知，上壓輥的結構是合理的。

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[責任編輯：朱麗娜]