75MN筒節(jié)軋機(jī)抱輥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

安開場(chǎng) 沈 亮 江 浩 盛愛軍

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川610052)

75 MN筒節(jié)軋機(jī)從設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造設(shè)計(jì)均為公司自主設(shè)計(jì)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。抱輥裝置是筒節(jié)軋機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，對(duì)筒節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用，用于控制大型筒節(jié)左右偏擺與降低環(huán)件橢圓度。筒節(jié)毛坯初始缺陷、軋制區(qū)域的不對(duì)稱性、筒節(jié)進(jìn)出口壁厚不同均會(huì)導(dǎo)致軋制筒節(jié)質(zhì)心擺動(dòng)，增加軋制的不穩(wěn)定性，對(duì)軋機(jī)產(chǎn)生較大載荷沖擊。因此，在筒節(jié)兩側(cè)添加抱輥裝置，對(duì)筒節(jié)施加合適的抱輥力，控制軋制過程中筒節(jié)質(zhì)心移動(dòng)，保證軋制過程平穩(wěn)。

1 抱輥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

抱輥裝置(定心裝置)位于軋環(huán)機(jī)入出口側(cè)，由抱輥臂、抱輥、液壓缸組成，抱輥裝配由抱輥缸驅(qū)動(dòng)，抱輥的運(yùn)動(dòng)定位由液壓缸控制，保證軋制過程穩(wěn)定。工作時(shí)，抱輥裝配固定在抱輥臂上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

抱輥裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡由機(jī)架兩側(cè)下部的抱輥液壓缸控制，抱輥液壓缸是通過壓力調(diào)節(jié)抱輥位置與筒節(jié)接觸，并提供壓力，平衡筒節(jié)質(zhì)心移動(dòng)確保軋制筒節(jié)的穩(wěn)定性，有位控和力控兩種方式。擺臂機(jī)構(gòu)繞固定鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，為增力機(jī)構(gòu)。在位控和力控模式下，當(dāng)軋制中筒節(jié)質(zhì)心發(fā)生偏移時(shí)，抱輥裝置將質(zhì)心推到豎直方向，保證軋制平穩(wěn)進(jìn)行，抱輥工作示意圖見圖2。

同時(shí)，抱輥又稱信號(hào)輥?？捎脕砜刂仆鈴匠叽纾л佈b置可反饋測(cè)量環(huán)件的直徑，以輔助環(huán)件軋制測(cè)量工作。

1—筒節(jié)環(huán)件 2—抱輥輥?zhàn)?3—擺臂 4—抱輥液壓缸圖1 抱輥裝置主要結(jié)構(gòu)Figure 1 Main structure of holding roller

圖2 抱輥工作示意圖
Figure 2 Working of holding roller

2 抱輥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 抱輥受力分析

抱輥裝置對(duì)軋制過程的穩(wěn)定性極其重要。抱輥力的施加位置和取值必須能平衡筒節(jié)軋制過程中的質(zhì)心偏擺，維持軋制的穩(wěn)定性。當(dāng)筒節(jié)在薄壁特大尺寸規(guī)格下，剛度較小，對(duì)抱輥力的取值要求較高。

抱輥的位置和擺臂結(jié)構(gòu)是影響抱輥力的決定因素，因此必須分析研究合理的抱輥位置，確定擺臂的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行受力分析，建立合理的結(jié)構(gòu)模型，抱輥機(jī)構(gòu)受力分析見圖3。

1—筒節(jié) 2—抱輥力力臂L1 3—抱輥輥?zhàn)?4—抱輥力力臂L2 5—液壓缸鉸支點(diǎn) 6—擺臂鉸支點(diǎn)圖3 抱輥機(jī)構(gòu)受力分析圖Figure 3 Force analysis of holding roller mechanism

2.2 抱輥擺臂結(jié)構(gòu)

根據(jù)抱輥機(jī)構(gòu)受力圖分析，抱輥機(jī)構(gòu)在最優(yōu)情況下是省力結(jié)構(gòu)，因此，找到最省力的機(jī)構(gòu)圖即可。為了盡量減少抱輥缸行程，同時(shí)滿足大多數(shù)位置抱輥機(jī)構(gòu)為省力機(jī)構(gòu)，抱輥擺臂選用最優(yōu)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，擺臂受力杠桿比為最優(yōu)。

圖4 抱輥擺臂結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of holding roller swing arm

3 抱輥裝置參數(shù)計(jì)算

3.1 筒節(jié)彎矩

在環(huán)件軋制初段，抱輥力的作用主要是保證軋制過程穩(wěn)定，在穩(wěn)定軋制階段，其主要作用則是校圓。合理的抱輥力對(duì)保證軋制過程的穩(wěn)定和環(huán)件的校圓有十分重要的意義。因此有必要分析研究合理抱輥力的確定及影響因素，建立合理的模型，為制定控制方案提供原始模型。研究筒節(jié)在彈性狀態(tài)下，分析筒節(jié)在抱輥力作用下的彎矩分布情況，分析其彈塑性狀態(tài)的彎矩分布特性，分析筒節(jié)滿足校圓目的又不致失穩(wěn)的條件，確定合理的抱輥力條件。

根據(jù)抱輥力的作用，圓周上各處彎矩為：

0≤θ<φ時(shí)

φ≤θ≤π時(shí)

M=Frsin(θ-φ)+

式中，F(xiàn)為抱輥力；r為筒節(jié)半徑。

3.2 校圓和失穩(wěn)條件分析

從上述兩式可得到任意兩點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱A、B點(diǎn))的彎矩對(duì)抱輥力與筒節(jié)半徑之積的無量綱比值為MFr，失穩(wěn)彎矩對(duì)抱輥力與筒節(jié)半徑之積的無量綱比值為MsFr。失穩(wěn)態(tài)隨抱角變化趨勢(shì)如圖5所示。此時(shí)，抱輥力與筒節(jié)半徑之積對(duì)失穩(wěn)彎矩的無量綱比值FrMs隨抱輥角的變化趨勢(shì)如圖6所示。根據(jù)函數(shù)極值情況，當(dāng)抱輥角φ在50°～80°之間時(shí)，筒節(jié)最容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 彎矩對(duì)抱輥力與筒節(jié)半徑之積的無量綱比值Figure 5 Dimensionless ratio between bending moment and product of holding roller force and shell ring radius

圖6FrMs隨抱輥角的變化
Figure 6FrMschanging with holding roll angle

3.3 抱輥力分析

通過以上計(jì)算得知，合理的最大抱輥力應(yīng)小于失穩(wěn)抱輥力。因此通過失穩(wěn)抱輥力分析計(jì)算抱輥力，能夠確保有足夠的抱輥力，但又不致使筒節(jié)失穩(wěn)。

4 結(jié)論

通過抱輥機(jī)構(gòu)受力分析，確定擺臂的最佳設(shè)計(jì)方案，從彈性分析基礎(chǔ)出發(fā)，分析了筒節(jié)在抱輥力作用下的彎矩分布規(guī)律，根據(jù)局部塑性變形特點(diǎn)及滿足彈性計(jì)算體檢的假設(shè)，作了非彈性條件下的彎矩分布推廣，提出了合理的抱輥力需要滿足的條件，得到了較簡(jiǎn)化的抱輥力計(jì)算模型及筒節(jié)軋機(jī)合理的最大抱輥力，并確定了最大抱輥力。對(duì)建立抱輥力的控制模型有重要意義。

75 MN筒節(jié)軋機(jī)為高效機(jī)電一體化設(shè)備，控制響應(yīng)快，定位精度高，具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、操作界面好、故障檢測(cè)及連鎖保護(hù)完善等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)工藝相比，鍛件利用率可達(dá)70%以上，生產(chǎn)效率提高50%以上，節(jié)能30%以上，節(jié)約原材料20%以上，綜合成本降低30%以上。