熱軋帶鋼卷取機(jī)夾送輥偏轉(zhuǎn)角分析

王青峽 李建輝 胡建平 黃煥江

(1.重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331;2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

隨著航空、汽車(chē)等工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)熱連軋帶鋼的質(zhì)量要求越來(lái)越高。地下卷取機(jī)是帶鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。然而，生產(chǎn)實(shí)踐表明，由于卷取機(jī)前夾送輥結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定不合理，導(dǎo)致帶鋼頭部撞擊夾送輥與卷筒之間的上下導(dǎo)板，造成卷形不良，甚至卷廢的現(xiàn)象層出不窮，同時(shí)也加劇了上下導(dǎo)板的磨損［1-9］。本文通過(guò)研究帶鋼頭部進(jìn)入夾送輥后的運(yùn)行軌跡，分析夾送輥的位置參數(shù)對(duì)帶鋼運(yùn)行軌跡的影響，從而提高卷取質(zhì)量，降低導(dǎo)板的磨損。

1 卷取過(guò)程

帶鋼頭部離開(kāi)末架精軋機(jī)后，帶鋼處于無(wú)張力狀態(tài)，此時(shí)，輥道上的帶鋼依靠末架精軋機(jī)的推力作用和輸送輥道的摩擦牽引力作用而前進(jìn)［10］。當(dāng)帶鋼頭部到達(dá)夾送輥時(shí)，通過(guò)上夾送輥伺服控制液壓缸驅(qū)動(dòng)下壓沿下夾送輥面彎曲并通過(guò)夾送輥輥縫后，進(jìn)入夾送輥和卷取機(jī)卷筒之間的上、下導(dǎo)板形成的通道。夾送輥的偏轉(zhuǎn)角及偏移量決定著帶鋼通過(guò)夾送輥進(jìn)入到導(dǎo)板通道里的彎曲曲線(xiàn)，偏移量過(guò)小帶鋼頭部彎曲不足，偏移量過(guò)大又會(huì)使帶鋼的咬入出現(xiàn)困難。通過(guò)設(shè)定合理的夾送輥偏轉(zhuǎn)角和偏移量，使得帶鋼頭部經(jīng)夾送輥彎曲后既不會(huì)撞擊上導(dǎo)板，也不會(huì)撞擊下導(dǎo)板，而是恰好到達(dá)卷筒與助卷輥之間的輥縫處，保證帶鋼板形。

2 理論解析

2.1 分析思路

帶鋼彎曲弧線(xiàn)的最大值所對(duì)應(yīng)的最大曲率半徑不能超過(guò)上導(dǎo)板的邊界，最大程度與上導(dǎo)板相切;彎曲弧線(xiàn)的最小值所對(duì)應(yīng)的最小曲率半徑不能使帶鋼頭部觸碰到下導(dǎo)板，即帶鋼頭部剛好到達(dá)下導(dǎo)板的末端。帶鋼在導(dǎo)板通道里面的運(yùn)行軌跡不能超過(guò)導(dǎo)板所組成的上下邊界。

帶鋼頭部咬入夾送輥后的運(yùn)動(dòng)分2個(gè)階段。第一個(gè)階段是帶鋼頭部剛剛咬入夾送輥時(shí)，由于上夾送輥具有一定的偏移量使帶鋼頭部壓下變形。帶鋼頭部自上夾送輥的接觸點(diǎn)到上夾送輥的最低點(diǎn)沿著上夾送輥弧線(xiàn)運(yùn)行，并且由于帶鋼變形以后的彈性回復(fù)作用而緊緊的貼著上夾送輥。這個(gè)階段帶鋼進(jìn)入導(dǎo)板通道中的長(zhǎng)度較短，帶鋼自身的重力不足導(dǎo)致帶鋼向下脫離上夾送輥。第二個(gè)階段是隨著導(dǎo)板通道里面帶鋼長(zhǎng)度的增加，帶鋼自身的重力對(duì)帶鋼向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，這一階段的彎曲主要由帶鋼的重力產(chǎn)生的。所以，帶鋼在通道里面的運(yùn)動(dòng)，首先依靠壓下實(shí)現(xiàn)彎曲，之后依靠自身的重力實(shí)現(xiàn)彎曲，最終可以把帶鋼在通道里的彎曲看作是固定端傾斜的懸臂梁彎曲。由此分析，帶鋼在通道里面的運(yùn)行軌跡并不是同一半徑的弧線(xiàn)，而是不同時(shí)刻由于不同重力彎曲所導(dǎo)致的無(wú)數(shù)段圓弧的組合形式。

2.2 模型假設(shè)

實(shí)際生產(chǎn)中，考慮夾送輥的壓緊力及彎曲時(shí)，忽略末架精軋機(jī)的推力作用及輥道向前輔助的摩擦力作用，認(rèn)為夾送輥咬入帶鋼頭部后的帶鋼運(yùn)動(dòng)完全依靠夾送輥的壓緊力來(lái)提供，這樣可以使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化并且保留足夠的安全系數(shù)［11］。

(1)忽略帶鋼在輥道上的自重引起的阻力;

(2)忽略使帶鋼頭部彎曲所需要的力;

(3)忽略咬入處帶鋼的彎曲對(duì)夾送輥的推開(kāi)力，確保夾送輥壓緊帶鋼，并保持輥縫恒定。

3 計(jì)算內(nèi)容

3.1 計(jì)算過(guò)程

選取某廠卷取機(jī)為研究對(duì)象，該卷取機(jī)由上下夾送輥、卷筒及助卷輥和上下4塊導(dǎo)板組成，如圖1所示。根據(jù)設(shè)備條件上導(dǎo)板C2C3和下導(dǎo)板D1D2及D2D3的傾斜角度與位置已經(jīng)確定。A、B值分別為卷筒中心與下夾送輥的垂直和水平距離，α表示上下夾送輥的偏轉(zhuǎn)角，e表示上下夾送輥的偏移量，上導(dǎo)板C1C2隨著輥縫變化繞點(diǎn)C2轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 卷取機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖

建立以卷筒中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸的直角坐標(biāo)系，可以列出導(dǎo)板C2C3、D1D2及D2D3的直線(xiàn)方程。

上導(dǎo)板C2C3的直線(xiàn)方程:

下導(dǎo)板D1D2的直線(xiàn)方程:

下導(dǎo)板D2D3的直線(xiàn)方程:

由于上導(dǎo)板C2C3的直線(xiàn)方程已經(jīng)確定，且C2點(diǎn)的縱坐標(biāo)已知，將其帶入C2C3直線(xiàn)方程，可以得到C2的位置坐標(biāo)為(XC2，YC2)。導(dǎo)板C1C2的直線(xiàn)方程可確定為y-YC2=tan(α-θ2)(x-XC2)。

由于上導(dǎo)板C1C2與公切線(xiàn)的夾角θ2隨著夾送輥輥縫(帶鋼厚度)的變化而發(fā)生變化，下面分析點(diǎn)C1的位置隨帶鋼厚度的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)板C1C2的位置關(guān)系圖

通過(guò)幾何關(guān)系可以確定C1點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算式。

帶鋼頭部經(jīng)夾送輥彎曲后進(jìn)入到上下導(dǎo)板形成的通道里面，帶鋼在通道里面的運(yùn)行軌跡受到夾送輥彎曲和帶鋼自身重力的雙重作用。下面分別討論帶鋼在通道里面的軌跡方程，計(jì)算過(guò)程采用與導(dǎo)板方程相同的坐標(biāo)系。

首先分析帶鋼經(jīng)夾送輥彎曲后進(jìn)入到通道中形成的曲線(xiàn)方程。不考慮重力對(duì)帶鋼彎曲的影響，帶鋼的運(yùn)行軌跡可近似的理解為離開(kāi)夾送輥的輥縫后沿著垂直與夾送輥連線(xiàn)的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換，帶鋼經(jīng)夾送輥彎曲后的直線(xiàn)方程為:

其次分析帶鋼在通道里面僅受到重力影響后的運(yùn)行軌跡。帶鋼頭部進(jìn)入通道直至到達(dá)卷筒之前可以將帶鋼的彎曲看作是一端固定的傾斜懸臂梁的撓度變化值。該撓度值主要受到帶鋼長(zhǎng)度、厚度及彈性模量的影響，帶鋼頭部伸進(jìn)導(dǎo)板通道的長(zhǎng)度又受到夾送輥轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間的影響。那么在某一時(shí)刻，帶鋼頭部的位置可以看作是夾送輥彎曲導(dǎo)致的帶鋼頭部的向下運(yùn)動(dòng)和懸臂梁的彎曲撓度所形成的共同影響。

夾送輥彎曲導(dǎo)致帶鋼頭部位置的變化關(guān)系為:

懸臂梁作用導(dǎo)致帶鋼頭部位置的變化，可根據(jù)材料力學(xué)關(guān)系得到。由于帶鋼頭部的重力彎曲是在夾送輥彎曲的基礎(chǔ)上變化的，因此垂直方向的位置需要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即:

即某t時(shí)刻，帶鋼頭部的縱向坐標(biāo)為:

帶鋼頭部的橫向坐標(biāo)為:

3.2 實(shí)例分析

選取某廠的Q195鋼種進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)備參數(shù)及鋼種參數(shù)如表1所示。

表1 卷取機(jī)設(shè)備及鋼種部分參數(shù)

通過(guò)以上計(jì)算方法，推導(dǎo)出了以卷取機(jī)導(dǎo)板通道為邊界，以帶鋼頭部不碰撞到導(dǎo)板為目標(biāo)時(shí)，該鋼種及厚度的帶鋼卷取時(shí)夾送輥的最佳偏轉(zhuǎn)角為19.72°和最佳偏移量為237.5 mm。帶鋼在通道里面的軌跡見(jiàn)圖3。

圖3 帶鋼在導(dǎo)板通道里面的運(yùn)行軌跡圖

4 結(jié)論

利用數(shù)值解析法，對(duì)熱連軋帶鋼卷取機(jī)夾送輥的偏轉(zhuǎn)角和偏移量進(jìn)行探討。以卷取機(jī)導(dǎo)板通道為邊界，以帶鋼頭部不碰撞到導(dǎo)板為目標(biāo)，尋找?guī)т撨\(yùn)行的最佳曲線(xiàn)，進(jìn)而得出了最佳的夾送輥偏轉(zhuǎn)角。

(1)根據(jù)設(shè)備情況，建立導(dǎo)板的空間直線(xiàn)解析方程，以此為邊界。

(2)分別計(jì)算在夾送輥彎曲和自身重力的影響下，帶鋼頭部在導(dǎo)板通道里面的位置坐標(biāo)。

(3)根據(jù)邊界值及帶鋼在通道里面的最佳曲線(xiàn)，獲得卷取機(jī)夾送輥的最佳偏轉(zhuǎn)角。

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