硅酸鈣板輥壓的力學特性研究

李健 李昱宏 李新

摘? 要：針對硅酸鈣板輥壓的理論和方法前人研究較少，文章對硅酸鈣板輥壓的力學特性進行分析與計算.通過對硅酸鈣板坯料的反彈特性及硅酸鈣板輥壓的力學特性分析，得出擠壓區輥筒表面壓力分布和反彈區輥筒表面壓力分布，根據前人的實驗材料壓縮實驗數據和推導方法，得出其壓縮特性的計算公式和輥壓力的計算公式后，計算出硅酸鈣板的輥壓力.可為硅酸鈣板輥壓機的設計如電機選擇、軸承選用、輥筒設計、機架設計提供理論基礎.

關鍵詞：硅酸鈣板;輥壓;特性;研究

中圖分類號：TH113? ? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45‐1395/t.2019.01.010

0? ? 引言

上世紀30年代，已有學者提出了輥壓機的設想，但直到1977年，才由德國科勞斯特爾大學的K.Schonert教授[1]提出了輥壓機技術理論，并獲得了專利，1984年，德國研究生產了地球上第一臺輥壓機.隨著世界各國經濟的快速發展，日本和法國也先后制造了自己的輥壓機.目前國外一些發達國家的輥壓機設計制造水平已經非常成熟.輥壓機技術不僅在國外發展很快，在國內也得到了快速發展.1987年，國內幾個大型機械廠和水泥工業設計院合作，從德國洪堡公司引進了輥壓機設計制造技術，經過多年的學習研究，于1992年研究生產出國內第一臺輥壓機[2]，并廣泛應用于水泥、礦山、冶金等行業.硅酸鈣板是美國OCDG公司發明的一種性能穩定的新型建筑材料.20世紀70年代在發達國家推廣使用并發展起來.經過30多年的應用，已經證明是一種耐久可靠的建筑材料.我國一些科研單位和大專院校在20世紀80年代初開始對硅酸鈣板的機理和生產工藝進行了研究，直到1990年才由武漢建材工業設計院和三明新型建材總廠合作，建成國內第一條完整的設計能力為年產150萬平方生產線.本文擬研究輥壓機技術輥壓綠色環保建材——硅酸鈣板[3-4]，經查閱有關文獻，幾乎查不到有關硅酸鈣板輥壓的反彈特性和力學特性的研究，大部分廠家根據經驗來生產.為此本文借鑒前人對一般物料的反彈特性和力學特性對硅酸鈣板輥壓的力學特性進行研究與計算，為硅酸鈣板輥壓機的設計提供理論基礎.

1? ? 硅酸鈣板輥壓機簡介

硅酸鈣板專用輥壓機是借鑒一般的輥壓機和傳統軋鋼機的工作原理而設計出的一種基于以上兩種機械器械的用于硅酸鈣板生產的專用機械[5-6].整臺設備由傳動裝置、軸輥系、鋼帶，關節臂螺紋調節裝置，防跑偏裝置，機架等主要部件構成，其中軸輥系、關節臂螺紋調節裝置，防跑偏裝置是輥壓機的關鍵技術.輥壓機的大致結構如圖1所示.其工作原理為硅酸鈣板從兩輥輪之間送入，下面的四輥由電機-鏈條帶動轉動，上面的四輥通過關節臂螺紋調節裝置可以調節與下面四輥的相對距離，每對滾筒可根據實際需求單獨調節其間距，硅酸鈣板半成品在下面的轉動輥的帶動中緩慢進入輥與輥中，在壓力與摩擦力的作用下被軋制，從而能夠制造出具有一定厚度的硅酸鈣板.

2? ?硅酸鈣板坯料的反彈特性

硅酸鈣板是指由一定配比的硅質材料、鈣質材料、增強纖維等主要材料加水混合成一定濃度的料漿，經生產工藝加工而成的新型綠色環保建材[7].目前，輥壓工藝的設計理論還不成熟，重要的技術參數大部分采用經驗類比的方法進行設定，故這些參數具有一定的局限性.本文所研究的專用輥壓機，其輥壓的硅酸鈣板坯料中含有大量的纖維、鈣質等增強材料，坯料在輥壓過程中具有很強的延展性，故在研究輥壓機相關技術參數時，需對坯料的反彈特性進行必要的分析計算.一般研究物料的反彈特性可根據實驗材料（物料）的相對密度δ和作用其上的壓力Pp的關系曲線來描述.因此，根據前人的實驗材料壓縮實驗數據，可得出體現其壓縮特性的計算公式如下[8]：

物料經過輥筒的擠壓壓縮后，作用于坯料之上的壓力隨之消失，根據物料反彈特性可知，被壓縮的坯料將會有反彈的現象.由實驗所記錄下來的數據表格，物料的反彈特性表達式可表示如下[9]：

3? ? 硅酸鈣板輥壓的力學分析

3.1? ?理論分析

根據輥壓機的輥壓工藝，將輥壓過程分為3個階段進行動力學分析.如圖2所示，輸送帶輸送坯料進入兩輥之間的間隙，于[A1A2]平面開始接觸輥面準備輥壓，此時物料的初始密度為[δ0]，兩輥之間的間隙為d.在C1C2截面處時物料逐漸被擠壓，此時物料的速度將與輥筒旋轉的線速度相同，兩輥間隙為h.在[B1B2]平面，此時物料的相對密度將為最大值[δm]，兩輥之間的距離為最小值m.隨著輸送帶的繼續傳送，坯料被運送離開B1B2平面，此時兩輥之間的間隙增大，施加于坯料上的壓力消失了，坯料將在重力方向上反彈.直到坯料達到[D1D2]平面，此時坯料的反彈結束，坯料的相對密度為[δγ]，然后完成坯料的某道擠壓工步.可以將擠壓工步分為待壓區[（A1A2]之前[）]、擠壓區[（A1A2]—C1C2—[B1B2][）]和反彈區（[B1B2]—[D1D2）][10].

為便于對輥壓機進行力學分析，需作以下4個假設：

1）坯料在待壓區的相對密度不變，恒為[δ0];

2）坯料在擠壓區時，其變形只產生于重力方向，且坯料的速度與輥筒表面速度一致;

3）在[B1B2]平面時，兩輥間距達到最小，且壓縮結束;

4）在擠壓輥中部的間距，坯料的壓縮-反彈特性曲線圖（p-δ）與單軸擠壓的情況相同，其方向為重力方向.

借鑒鋼坯等一般物料的擠壓計算公式，擠壓輥表面的壓力可由方程表示：

3.1.1? 待壓區輥筒表面壓力分布

根據上述假設可知，待壓區相對密度恒定為[δ0]，即在此區域內任一截面中的質量流速是恒定的，此時坯料內的速度會有一個加速過程，坯料只有微小的變形，擠壓輥表面所受的壓力與其他區域相比，受到的壓力非常小，沒有分析的意義，因此忽略不計.

3.1.2? ?擠壓區輥筒表面壓力分布

在擠壓區，假設坯料各斷面水平速度與輥筒表面速度相同，并且任一垂直面的質量相等，可知：

3.2? ?輥壓力的計算

根據上面理論分析，輥壓力的具體計算如下：輥筒所施加的擠壓壓力與坯料反作用于輥筒表面的壓力相平衡，由此可得輥筒壓力的方程等式，由輥筒自重、擠壓區和反彈區輥筒表面各微元壓力的積分求得[11]：

在物料反彈特性中可知，物料的類別、含水量以及粒度大小均會影響其特性，為了方便研究硅酸鈣板坯料的壓縮特性，本節將采用類比的方法，采用上述方法對其初步計算.硅酸鈣板配方中主要成分為硅砂、石灰石、水泥，本文將以硅砂為主研究計算彈簧預緊力，如表1所示.

為了滿足工況要求，需要計算坯料受力最大位置的受力情況，此處輥筒壓力最大值在[α=0]處，此時輥面所受的力只有法向壓力即輥壓力.由表1和式（1）—式（15），碾壓力為：

4? ? 結束語

通過硅酸鈣板坯料的反彈特性和硅酸鈣板輥壓的力學特性分析，計算出其輥壓力為660 892 N，得出如下結論：1）硅酸鈣板坯料是一種反彈性和延展性較強的材料，其壓縮特性可用一般物料的計算公式計算;2）計算得出的輥壓力較大，可為后續整個輥壓機的設計如電機選擇、軸承選用、輥筒設計、機架設計提供了計算依據.由于相關實驗驗證工作量巨大尚難完成，所以所提理論及公式得在實驗驗證或實踐中得到驗證后方可，但可以作為硅酸鈣板輥壓機設計的理論基礎.

參考文獻

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[11] 楊廣雪，謝基龍，周素霞，等.車軸設計參數對軸轂配合接觸壓力影響的研究[J]鐵道學報，2009，31（3）：31-35.