十五辊组合矫直机矫直模型研究

×１０６ Ｎ·ｍｍ的１．３倍；大辊系受小辊系影响扭矩 为小正或负扭距。在速度差０．１％控制的情况下， 小辊系最大扭矩出现在第４根矫直辊达到３．７× １０６Ｎ·ｍｍ小于理论计算值４．１×１０６ Ｎ·ｍｍ。从 此可见，由于平行矫直和张力矫直技术，改善了矫直 辊扭矩状况，使组合矫直机的矫直能力得到了进一 提高。
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ
ｌｅｖｅｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ Ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｅｒａｓｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｔｏｒｑｕｅ ｏｎ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｒｏｌｌ，ｔｈｕｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａ ｎｅｗ ＣａｌＣＵ－
图６板材模型在矫直前后 Ｆｉｇ．６ ｐｌａＷ ｏｆ ｆｏｒｍｅｒ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｉｎ ｌｅｖｅｌ 浪形高度从５０ ｎ３＿ｌＴｌ降到小于ｌ ｒａｉｎ。这与现场 生产实践相符。
表１为几组板材的矫直过程数据记录和理论计
Ｆｉｇ．７
（１．兰州理３－大学，甘肃兰州７３００５０；２．太原科技大学，山西太原０３００２４）
摘要：用几何分析和数值模拟相结合的方法，研究了中板采用十五辊组合矫直机矫直过程中的变形演化状况。 研究结果表明，板材在十五辊组合矫直机矫直过程中弯曲变形和曲率演化有别于普通矫直机，可以得到更高的薄
板矫直精度。平行矫直技术和张力矫直技术是与组合矫直机辊系相适应的技术，它可以提高矫直的精度，同时消
弯曲过程经过的曲率变化即Ｃｚ＝ｃ＿一Ｃｏ。如图２ （口）所示，在这个过程中，如果材料处于弹性变形阶 段，在通过这个矫直单元后，材料的曲率即残留曲率 ｃｃ，ｅ＝Ｃ。一ｃ，；其中材料产生弹复，弹复过程变化
曲率ｃ，，由于过程为纯弹性过程，ｃ，＝Ｃ：，材料曲率 将恢复到原始曲率ｃｏ，即ｅ＝Ｃｏ。
么 。归
脆夔 ／℃ｅ ｆ
如图２（ｂ）卸载后将不能恢复到原始曲率ｃｏ，只能
弹复一部分变形，其余部分成为永久变形，在通过这
个矫直单元后，材料的曲率即残留曲率Ｃ，Ｃ＝ｑ
—Ｃ，；其中材料产生弹复，弹复过程变化曲率Ｃ，，Ｃｒ
Ｍ。 ＝…－ｂＶ二，其中，Ｍ＝为本矫直单元产生的弯距。
ｒ－Ｉ
矫直过程为一个连续弯曲的过程，每个矫直单
元都可视为一个弯曲单元。每个矫直单元采用上述
＼
、△
Ｃｏ／． 。Ｉ
想么 鳖．
１．压下系统：２．机架：３．活动梁；４．辊系：５．小辊系升降装置： ６．换辊系统；７．接轴夹紧装置：８．主减速箱；９．主电机
（矗）
ｎ参１
图１ 十五辊组合矫直机的结构和辊系 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｏｌｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｌ＿ｆｔｅｅｌｌ—ｍｉｌｅｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌｅｒ
技攻关（２００７０３１１２３—０３）；新世纪人才支持计划 （ＮＥＣＴ一０５－０２６８） 作者简介：王效岗（１９７６一），男，博士生．研究方向：冶金机械．
了更高的要求哺。７】。组合矫直机作为热处理矫直 机，设在正火或回火热处理线后，用于矫直热处理后 不平直的钢板。组合矫直机作为第三代中厚板辊式 矫直机重要分枝，各开发厂家的不同而具有不同的 形式［７＿３】。目前，组合矫直机研究主要集中在机械 结构和辊系参数确定，对其变形理论研究较少。
ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｇａｎｇｍ，ＨＵＡＮＧ Ｑｉｎ．ｘｌｓｅ２，ＭＡ Ｑｉｎｌ
（１．Ｌ』ｎｇｈｏｌｌ Ｕｎｉｖ．《Ｔｅｃｈｎｄ．，１．』ｔｌｇｈｏｕ ７３００５０。Ｃｈｉｎａ；２．Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖ．０ｆＳｃｉ．ａｎｄ Ｔｖｃｈｎ０１．，Ｔａｉｙｎａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｌａｔｅ ｉｎ ｆｉｆｔｅｅｎ－ｒｏｌｌｅｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌｅｒ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔ｝Ｉ ａｎａｌｙｔｉｃ ｇｅ－
辊式矫直机是中厚板生产过程中的重要设备， 主要用来消除轧制和轧后冷却、热处理过程中产生 的瓢曲和波浪缺陷，保证板材平直精度、消除残余 应力以符合国家标准或满足用户要求‘卜４１。随钢结 构加工、造船、石油等工业的发展，对矫后板形提出
收稿日期：２００８—０１—２０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７５１５５）；山西省科
弹性变形区。由于这种独特的变形过程有效的提高
板形精度、消除残余应力。 整个矫直过程可简化看作板材连续通过数个弯
曲单元；为了便于分析计算，取一个矫直单元作为研 究的对象。
假定材料原始弯曲曲率为ｃｏ，材料经过一个矫
直单元，在矫直辊的作用下产生弯曲曲率Ｑ。在这 个过程中，材料弯曲变形总变形为Ｃ：，为材料实际
留曲率ｃｃ
３十五辊矫直方案
通常辊式矫直过程采用矫直辊压弯量递减、轧 件交替弯曲的矫直方案。采用这种矫直方案，在矫
万方数据
第６期
王效岗，簿：十五辊组合矫壹机矫直模型研究
１８３
吊
豳３矫宣计算流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｃａｌｃｕｌａｔｅ 直过程中，随着矫直板材弯曲曲率的减少，板材在各 个矫壹辊之闻豹运动速度将发生变化。丽如果矫直
材料参数为厚度１５ ｍｍ、宽度２５１０ ｒａｉｎ、屈服强 度２５０ ＭＰａ、弹性模量Ｉ．８０×１０５、压下量为Ｉ。８
姗，稳态矫直时各矫直辊扭矩的模拟数值和理论计
算如图７所示。从图可见，在大小辊系之间无速度 差存在时，各矫直辊扭矩存在负扭矩影响，辊系中各 矫直辊扭矩分布不均，小辊系最大扭矩出现在第６
根矫直辊达到５．４×１０６ Ｎ·蚴为理论计算值４．Ｉ
除负扭矩对矫直辊的影响，从而提高了矫直机的矫直材料强度能力范围。同时，提出一种矫直过程计算方法，采用
这种方法所得计算值与模拟值、实测值基本一致。
关键词：中厚板；矫直模型；组合
中图分类号：ＴＦ３５
文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｆｉｆｔｅｅｎ Ｒｏｌｌｅｒ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｌｅｖｅｌｅｒ
万方数据
１８４
５ 数据分析
算值姜篡器在用十五辊组合矫正机的工 四川大学学报（工程科学版）
第加卷
经过十五辊矫直机矫直，模型中的板形得到了 充分的矫直，如图６所示。
艺数据和设备力能检测历史数据记录。从表中可 见，单向矫直力理论计算值、数值模拟和实测基本相 符。其中实测矫直力表现为偏大，其原因可能为理 论计算和数值模拟对材料加工硬化的计算量的不 同。
作者在板材矫直机理特征研究的基础上，研究 了一种组合矫直机的矫直模型，对制定中厚板组合 矫直机的矫直方案具有指导意义。
万方数据
１８２
四川大学学报（工程科学版）
第４０卷
ｌ研究用矫直机
十五辊组合矫直机针对高强度板设计，用于热 处理线或冷状态下的中厚板的矫直。其矫直的产品 规格为６～４０ Ｉｎｌｎ×１５００—３０００ ｍｉｌｌ×３０００—１２０００ ｒａｉｎ，屈服强度，＜６００ ＭＰａ，矫直温度≤１５０℃，矫直 速度０．２５一ｌ ｍ／ｓ，单向矫直力＞３００００ ｋＮ，机架刚 度＞１００００ ｋＮ／ｍｍ。
组合矫直采用平行矫直方案，板材在各缀辊系 巾各个弯莹单蠢弯麴程度耱餍，嚣就运动速度桷隧， 避免了负扭矩。同时在大小辊系之间通过传动速度 控制产生张力，张力不但可以使扭矩承载能力大的 大辊系帮助小辘系减小扭矩负糖；同时张力存在可 进一步改善薄板豹板形。
４ 有限元分析
通过采用大型有限元软件胱∽，模拟了中板在 十纛辊组合矫蠢橇的矫直变形过程，分析板耪缝合 矫直辊系中运行状况。
矫直机辊系采用了变辊距变辊径和辊系参数的 优化技术的技术，它既保证了最小厚度板材的矫正 质量，又保证了矫正最大厚度板材时的矫正强度。 如图１所示，工作辊系由８个小直径辊、６个大直径 辊和１个中间过渡辊组成。工作辊系下排工作辊前 ４个可整体微量调整，可根据不同板厚采用不同辊 数参与矫直。当矫正薄板时，全部工作辊参与矫正， 此时相当于１５辊矫正机，当矫正厚板时，下排工作 辊前４个调整到低位，此时相当于７辊矫正机。本 文主要研究十五辊组合矫直机对薄板的矫直。
第４０卷第６期 ２００８年１１月
四川大学学报（工程科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＩＣＨＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ ＥＤＩＴＩＯＮ）
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．６
Ｎｏｖ．２∞８
文章编号：１００９－３０８７【２００８）０６－０１８１－０５
十五辊组合矫直机矫直模型研究
王效岗１’２，黄庆学２，马 勤１
２矫直模型
辊式矫直机工作原理为通过交错布置的辊系使 板材运行过程中产生反复的弯曲。在这个过程中， 板材的上下表面发生了局部的塑性变形，中心层为
（ａ）
（”
№．２
图２弯曲变形曲率之间的关系 Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｉｎ ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ
在这个过程中，如果材料弯曲出现塑性变形，
轧件模型尺寸为２４００ ｍｍ×２０００ ｍｍ×１２蝴
（长×宽ｘ高），采用８节点缩减积分单元，轧件模
羧趔分为６００×５×８＜长×宽×离），共计２４０００个 单元。轧件与各辊的接魅采耀瘁仑摩擦模鹜，摩擦
系数为０．１５。分析过程为准静态分析，采用弹埋性 模型，大变形、更新的拉格朗日算法。来料浪形５０ ｍｍ。
弯曲弹复理论计算矫直过程。计算过程如图３所
示，首先，根据压下量计算每个矫直弯曲曲率气；其
次，把材料的原始曲率ｃｏ作为第一矫直单元原始曲
率ｃｏ，，计算第一矫直单元的ｃ曩、ｑ、ｃｃｌ；再次，把上
一矫直单元的残留曲率ｃｄ作为下一个矫直单元的
Fra Baidu bibliotek
原始曲率；循环计算，计算全部矫直单元；最后，把最
后矫直单元的残留曲率Ｃ州即是整个矫直单元的残
ｈｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ，ｗｈｏｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｔｅ ｓｔｅｅｌ；ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
考虑计算成本和研究的内容，如图５所示，模型 采用３Ｄ分析模烈，矫直辊当作刚性体，其模型中辊 系参数按图ｌ所示建立。
（ｂ）
蚕４摄耪巍瓣盔过程审残氽耱率鞠反弯夔率的交｛ｌ：
ｒｉｇ．４
Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｍａｈｌ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ａｎｄ ｂｅｎｄ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ
豳５骞限元辑蠢模鳌 Ｆｉｇ．５ ＦＥＭ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ
辊集孛传动，转速耜同，刚在矫直板材蜉过程中产生 负转矩。负转矩现象将造成板材在矫直辊面上打 滑，引起噪音，从而降低了板材的矫直质繁归．１０ｌ。同 时随着中厚板轧后控冷等技术的采用和高强度合金 钢、管线钢等钢种的开发，瓣直辊懿传动掇矩成鸯薄 弱环节，影响了矫直材料屈服强度的扩大。
十五辊矫直机根据辊系特点，在高强薄板矫直 时，采用平行矫直方案和辊系间张力技术，提高了矫 壹视的矫直精度，扩大了矫意摄材的材料强度范围。
当采用平行矫直方案，相同的压下量在不同的 辊系中使板材的弯曲程度不同。如图４（８）所示。
叫叫—一‰…ｌ— ｈⅣｈ Ｇ…－ｋ／
组合矫直前面的小辊系使轧件褥到大的弯曲熊率相 溺弯越变形。良予金磊弯曲变形孛，弯莹睦率与弹 性曲率的非线性关系，连续的弯曲大变形，使残余曲 率的范围快速减小。如图４（ｂ）所示，组合矫直后面 的大辊系使轧件得到小的弯曲曲率相同弯曲变形， 连续的弯基小变形，逐步减小残余鎏率的数攮。相 对予通用矫直枫，组合辊系中小辊系大变形的程度 大、大辊系中小变形的数量多，因此，组合矫真机可 以得到更高的薄板矫直精度。
ｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ＦＥＭ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｏｓｅ
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｇｅｎｅｒａｌ ｌｅｖｅｌｅｒ．％ｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｒｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ｓｙｓｔｅｍ