矫直机

第1章前言

拉伸弯曲矫直机应用于精整机组中,对薄带材进行矫直.目前,国外已经开发生产出多种机型,并已广泛应用.我国尚在研制开发阶段,需加速发展独立成套.

1.1 拉弯矫直机及其发展

由于冷轧带钢中存在较大的残余应力,使得板面产生波浪和翘曲,不能满足用户的使用要求,需要对其进行矫直.板带材的矫直设备主要有以下三种形式:辊式矫直机,拉伸矫直机和拉弯矫直机.辊式矫直机对中厚板矫直效果良好,而对于薄带材则效果较差;拉伸矫直机依靠夹紧装置或张力辊组产生拉伸变形,使带材产生一定的塑性变形而达到矫直的目的,但由于张力较大,会降低带材的机械性能.基于以上原因便产生了拉弯矫直机,他综合了拉伸矫直机和辊式矫直机的优点,用较小的张力使带材产生较大的塑性变形,达到矫直带材的目的.这种设备对于薄带材矫直效果非常好,便于成卷作业,在薄带材矫直中逐渐取代了其他两种形式的矫直机.

早期的拉弯矫直机只是拉伸矫直机和辊式矫直机的简单组合,见图 1.1a,矫直效果并不显著.后来出现了如图1.1b所示类型的拉弯矫直机,这种矫直机既减少了矫直辊的数量,又达到了较好的矫直精度.经过不断的开发研究,近年来又出现了多重拉弯矫直机,如图1.1c,使用了两组以上的矫直辊组,并增加了支撑辊的数目,提高了矫直辊的抗弯刚度和强度,这样就可以矫直高强度的薄带材.

拉弯矫直机的设计制造方法,在国外已较为成熟,而国内只作过小型样机及理论探讨,还未达到在生产中应用的程度.设计拉弯矫直机的难点是矫直理论相当复杂,张力辊组的速度和张力控制也较复杂.

图1.1

1.2 翁格勒拉弯矫直机的结构与特点

下面通过武钢冷轧厂从德国(Ungerer) 机器制造有限公司引进的拉伸弯曲矫直纵横剪机组来认识一下这一类矫直机的结构特点。

1.2.1 拉弯矫直机的特点

拉伸弯曲矫直机主要由三部分组成。一部分是带有弯辊调节装置的23 辊式矫直机本体;另一部分是张力辊组(也称S 辊组) 和传动部分。

1.2.1.1 弯曲矫直机

弯曲矫直机为23 辊式,辊径为25mm。在每个工作辊的宽度上有相应的中间辊,辊径30mm。每列中间辊上又有9 组支撑辊,支撑辊径33mm。

如图1.2 所示。矫直机上部设有矫直辊倾斜和压下机构,即辊缝调节装置。它由电机通过一套传动装置带动横梁使上辊组作升降调节,而通过蜗轮蜗杆带动偏心辊实现上辊组

的倾斜调节。整个上机架可由液压缸推向前翻转90°打开,以便于清理辊面和更换上下

辊组。矫直机下部则采用每组支撑辊均由一个液压带动锲铁进行升降调节,使工作辊实现“ + 、- ”弯辊达到弯曲矫直目的。这种多辊组式的矫直机具有辊式矫直机的优点,同时又有弯曲辊的特点,两种功能组合,在张力的作用下,使带钢产生弹塑性延伸,消除

了难以矫直的带钢缺陷,从而达到最佳的平直度。由于矫直辊是被动的,所以能很好地与带钢保持同步,避免了带钢表面擦伤。

图 1.2

1.支撑辊

2.中间辊

3.工作辊

4.上机架

5.下机架

1.2.2 张力辊组

张力辊组为四辊式。由于带钢以“S”形经过这些辊子传导出来,所以又称四辊式“S”辊组。这样布置的辊,传导通过的带钢与辊子之间接触摩擦的总包角是最大的。可以使带钢产生最大的制动、拉力。为了使带钢与辊面之间摩擦力增加,同时又不伤害带钢表面,所以辊面必须衬一层既耐磨又耐油的聚氨脂橡胶。四辊式张力辊安装在钢结构制成的“U”形支架上。辊径为500mm。安装的位置是:第一辊中左,上第二辊外左，下第三辊外右,下第四辊中右,上具体布置见图1.3 所示。为了便于带钢顺利地通过“S”辊组,在每个辊子与带钢接触部分均有弧形导板,在辊组的带钢入口处和出口处各安装

一个导板台,在辊组的两个内辊之间安装一个摆动式压紧辊,穿带过程是压紧带头引导

穿带。压紧辊的左右摆动均由一液压缸驱动。通常情况下压紧辊停在中间位置。四辊式张力辊组,由于合理地配置了导板台、弧形导板、压紧辊和穿带皮带运输机,使得带钢在穿带过程中通过实现自动化。

图1.3

1.弧形导板

2.入口张力辊

3.中间摆动辊

4.弯辊矫直机

5.张力测量辊

6.出口张力辊

7.导板台

8.穿带皮带

9.U形框架

1.2.3 张力辊组传动系统

来自开卷机的带钢被位于弯曲矫直机之前后的张力辊组导入。由于各个辊子上传送的带钢有较大的接触包角,可以在带钢中产生一个越来越大的拉应力。此拉应力与弯曲矫直机的弯曲应力重叠。这种叠加的应力可以达到比较理想的矫直效果。张力辊组的传动特点有多种。如图1.4 所示的张力辊组为机械传动方式。它的前后张力辊组的各个张力辊是通过齿轮箱、行星差动齿轮等由一个电动机而传动的。这种机械式传动的特点是通过机械联锁方式使延伸率恒定,机械方面较复杂。而张力辊组的传动采用了每个张力辊由功率各异的直流电机传动,如图1.5 所示。这种传动的特点是,前后张力辊组的速差均由电气系统控制与调节。每个辊子所作用的力矩大小可调。由于前后张力辊组中的电机处于不同的工作状态,前张力辊各辊的直流电机是在带钢的拖动下旋转的,此时的前张力辊组是制动辊,所以在各张力辊上传动的功率是逐渐加大的。反之后张力辊组则是在直流电机的传动下旋转的,各张力辊上传动功率是逐渐减小的。这样可不致于因为加速度太大而出现打滑。由于目前在电控方面已趋成熟,采用该传动方式的比较多。

图 1.4 张力辊组机械传动系统图

图 1.5 张力辊组直流电机传动系统图

1.3 式拉弯矫直机的工作原理

拉伸弯曲矫直是在辊式矫直法和拉伸矫直法基础上发展起来的矫直方法,是上述两种方法的综合。翁格勒拉伸弯曲矫直机是在两组张力辊之

间,用一种最新形式的21 辊矫直机。它之所以具有使矫直带材得到最佳矫直效果,是由其结构特性所决定。该设备具有:

(1) 非传动的特殊结构的上下辊组。

(2) 上辊组的中心高度调节装置。

(3) 上辊组的倾斜调节装置。

(4) 下辊组的弯辊装置(锲铁调节) 。

通过这些装置可以使矫直机的上下矫直辊之间的缝隙任意可调。根据被矫带材的材质、板厚、板形等不同,可选用不同的辊缝。被矫带材通常

在弯曲矫直机的入口处产生较大的弯曲,这种弯曲程度是沿着出口方向逐渐减弱。经过很多辊子反复矫正,带材的曲率逐步减小而逐渐变得平直,这是其一。

其二,带材在张力的作用下,通过弯曲矫直机时产生了纵向拉应力与横向弯曲应力。由于弯曲应力的作用面与纵向拉应力不同,实际矫直过程是发生在两个作用面叠加范围中。如图1.6 所示的叠加应力分布,两种叠应力作用的结果,使被矫带材内的各种应力,通过拉伸和弯曲应力而产生变化,即带材中产生形状不同的长短纤维组织同时被延伸拉长。在它们弹性收缩之后,延伸变长的纤维仍然保留。由于拉应力所产生的永久性塑性变形表现为延伸形式,使带材不均匀的纤维组织均匀,内应力值相同且方向一样,达到了矫直的目的。

图 1.6 拉伸弯曲应力叠加应力分布图

1. 带钢厚度

2. 压应力

3. 拉应力

4. 拉应力截面

5.7. 塑性区

6. 弹性区8. 压应力截面9. 曲率半径

1.4 拉弯矫直理论

拉弯矫直是拉伸与弯曲联合作用的矫直方法.下面以矩形断面的理想材料为例进行研究.由于其中的拉伸作用，弯曲变形的同时中性层必须发生移动，

如图1.7所示,当断面中拉伸区和压缩区都存在塑性层时(2

s h

e z <-),移动量e 由水平方向外力与内力的平衡条件求得：

1[()()]22s h h

e e b hb σσ+--= 122

s h h e k σσ==

1

k s

σσ=

式中 1σ-----平均单位外拉力, 1T

bh σ=；

T ------总的外拉力； b ------被矫直金属的宽度。 中性层的拉应力为：

1s s e

z k

σσσ=

= 中性层的相对变形为：1

0kE

σε=

中性层的残余相对变形为：'101

(1)E k

σε=-

拉伸区的相对变形为：0s s

z

z εεε=

+ 压缩区的相对变形为：'0s s

z

z εεε=

- 弯曲矫直时，弯矩按式22

1[(3)]26S h n bh M k k σ-=-+的推导方法，弯矩按下式计算： 2

2

0(3)12

s bh M k σ=- 拉弯矫直时，采用类似22

1[(3)]26

S h n bh M k k σ-=-+的推导方法，弯矩按下式计算： 22

22102[3(1)]12

s S s bh M k M k M σσσ=--=- 显然，M 〈Mo ，可有：

011M M r EI EI r

=<= 上式表明，拉力影响的结果，使拉弯矫直时的弯矩及其弹复曲率比单纯弯曲矫直的小，有利于提高矫直精度，或适于矫直弯曲矫直困难的薄带材。

当压缩区内不存在塑性层时，如图1.8所示，拉伸与弹性弯曲联合作用。根据水平方向外力与内力平衡条件，中性层移动量e 为：

22s s h h e E ερερ=

+=+ 式中ρ-------轧件的弯曲半径，2m

hE

ρσ= 中性层的拉应力为：

201m s σσσσ=+-=+ 或

201σσ=+ 中性层的相对变形为：

201εε=+ 或

201εε=+ 中性层的残余相对变形为：

'2001εεε=-= 或

'20ε=

上式表明：轧件的长度变化决定于材质（s ε ），拉伸变形（1ε ）和弯曲变形（m ε）。

a b c

图 1.7 拉弯矫直应力图

a-弯曲；b-拉伸；c-拉弯联合作用

a b c

图1.8 拉伸与弹性弯曲应力图

a-弹性弯曲；b-拉伸；c-拉伸与弯曲

1.5 设计任务和设计思路

1.5.1 设计任务与初步工艺参数

设计任务：拉弯矫直机：

σ：260～650MPa、工艺参数：宽度：750~1550mm、厚度：0.3~3.0mm、屈服强度

s

σ

矫直速度0~180m/min，前后张力：(1/5~1/15)

s

设计要求：计算并确定辊径、辊距及辊数，矫直辊的分布形式、辊数。

计算最大矫直力、最大矫直力矩，确定电机功率

1.5.2设计思路

根据拉弯矫直机原理，知道此种矫直形式是拉伸矫直与弯曲矫直组合，翁格勒拉弯矫直机中间的弯曲矫直辊部分是辊式矫直机，其矫直辊负责对板带的弯曲和矫直，入、出口则采用拉伸矫直机，其张力辊负责对板带的拉伸矫直。中间辊式矫直机与两侧的拉伸矫直机采用单独电机驱动，因此在结构和力能参数计算上可以简化为单独考虑。

由初步工艺参数中未给出轧件材料特性，根据[3]中选取普碳钢弹性模量

α=。

210

=，根据[6]初定包角225

E GPa

完善后的工艺参数：宽度：750~1550mm

厚度：0.3~3.0mm

σ：260～650Mpa

屈服强度

s

矫直速度：0~180m/min

σ

前后张力：(1/5~1/15)

s

弹性模量：210

=

E GPa

α=

张力辊包角：225

第2章 翁格勒拉弯矫直机的结构参数计算

拉弯矫直机结构参数包括张力辊组的结构参数：张力辊辊径、辊身长度、辊数；还包括弯曲矫直辊组的结构参数：弯曲矫直辊的辊径、辊距、辊身长度。

2.1 中间辊式矫直机弯曲矫直辊的结构参数计算

2.1.1 弯曲矫直辊的辊径确定

弯曲辊矫直辊径应在满足强度条件下尽量采用较小辊径，以期达 到或接近大弯曲的拉弯矫宣要求。例如在某一拉弯矫直机上调整 拉力，可以达到120.4F F ?=≈并与其中件层偏移系数0.4e h ∈=≈

基本接近时．按图2.1中曲线VI 可知，其相应的或最大的0.6ζ=。

图2.1 各种拉弯状态下的?-∈曲线

因此所采用的弯曲辊直径就应保证带材能达到不超过0.6ζ=的弯曲。于是中性层的变形放大系数为'11/0.6?ζ===1.67，它要比纯拉伸变形增大67％。现在就按这种变形匹配关系

将其模型绘于图2.2。图中11.67e εε=，

1

0.6h h

ζ==。中性层

偏移后拉伸侧弹性区厚度由t h 变为11t h h e =-，两边除以h 后变为

1ζζ=-∈

正反拉弯后两侧的弹性区都缩小到1t h ，因此拉弯矫直后新弹

区比1ζ要小于0ζ由前面已知0.4?∈==来计算10.60.40.2ζ=-=式1ζζ=-∈的关系由图中两个三角形Oab 与'''O a b 相等条件 也可求出。

图2.2 带材拉伸与弯曲变形的匹配模型

可见拉弯后的等效弹区比确有明显减小，既有利于矫 直又不利于断面畸变。再以图2.2中c 点为例，其0.5?∈==，用 插值法可求出0.5ζ=此时用式1ζζ=-∈可算出10ζ→，这表示已有 半个厚度达到塑性拉伸，正反弯曲之后则全断面为塑性拉伸。因 此用0.5ζ=来确定弯曲辊直径是可行的。

即0.5

w S

E

D δσ≤ （2-1） 式中δ值为最小带厚，S σ为其相应的屈服极限。

工艺参数中给出δ＝0.3mm, E =210GPa,S σ=(260~650)MPa 因此，由式（2－1）可计算出弯曲矫直辊的辊径：

6

3

0.50.3210100.548.565010

w S E D δσ???≤==?mm 选取w D ＝50mm

矫直辊直径与弯曲辊直径基本相同，只是在矫直辊的压弯量要比弯曲辊的小些。它们在结构上相同，故统称为弯曲矫直辊。

2.1.2 弯曲矫直辊的辊距确定

一定用途的矫直机的辊距值可在一定的适用范围内选取，但不能过大或过小。辊距过大，轧件塑性变形不足，保证不了矫直质量，同时轧件有可能打滑，满足不了咬入条件；辊距过小，由于矫直力过大，可能造成轧件与辊面的快速磨损或辊子和接轴等零件的破坏。所以认为，最大允许辊距值m ax t 决定于矫直质量和咬入条件；最小辊距值min t 决定于接触应力或扭转强度条件。最终在二者之间选取合适的辊距值。

（1）m ax t 值的确定。为保证矫直质量条件，对于理想材料，若采用小变形方案，其最大允许辊距为： S

MAX

hE

D t ?σ?

32max =

=

其中?-比例系数，中薄板?=0.9~0.95，在此取0.9 所以，得出

max t =55mm （2）min t 值的确定。

轧件对矫直辊的压力随着辊距的减小而增大。若压力值过大会加速辊面的磨损，降低板面质量，所以辊距不能太小。因此，接触应立成为辊距最小值min t 的限制条件。

矫直辊辊身的弯曲强度一般不能成为最小辊距的限制条件，因此弯曲强度不够时，可增设支撑辊。辊颈的扭转强度和连接周轴的强度往往时最小辊距的限制条件。

一般情况下，薄板矫直机的辊距可大致选取下面数值：

max min min (25~40)(80~130)h t h <<

所以，min 40t mm =

综合考虑，弯曲矫直辊辊距取值 50t mm = 2.1.3 弯曲矫直辊辊数、辊身长度的确定 （1）辊数选择

增加辊数，可提高矫直精度，但同时会增大结构尺寸和重量，也会增加能量消耗。所以，在达到矫直质量要求的前提下，力求辊数减少。此外，辊子过多时，不仅明显加重前面提到的缺点，而且矫直精度提高的并不显著，经济效果很低，故辊子不宜过多。

对于薄板矫直机，由于钢板

b

h

比值很大，原始弯曲曲率较大以及瓢曲和浪形缺陷严重又往往是冷矫材料，强化系数也较大，则矫直困难，但是又往往受强度条件限制，辊距不得不加大。因此，就需要增多辊数，以便保证矫直质量，故薄板矫直机的辊子较多。对于厚板矫直机，则相反，辊子较少。一般选取辊数可参见表2.1。

表2.1 辊数与钢板的关系

根据给定的工艺参数，选取辊数 17n =。

（2）辊身长度的确定

矫直辊辊身长度要比钢板的最大宽度大一定的数值，并按下式计算 max (1.1~1.16)L B = 由工艺参数选取系数1.12，得出

max (1.1~1.16) 1.1215501736L B mm mm ==?=

结合表2.2选取1730L mm = ∴ 1730L mm =

表2.2 中国现用拉弯矫直机概况

表2.2（续）

注: 1.SMS----施罗曼西马克;DEMAG----德马克;Wenan----维恩;

2.实际w D 值小于计算值者为正常

3.实际L D 值大于计算值者为正常

4.实际L 值在B 值与计算L 值之间均为可用.稍大于计算之者也可以.

2.2 张力辊结构参数的计算

2.2.1 张力辊直径的确定

拉弯矫直机的张力辊所承受的拉力比拉伸矫直机拉力辊的拉 力小1倍以上，故其直径可以适当减小。从弯曲矫直辊的拉弯变 形分析中可以看到，若按最厚带材不产生塑性弯曲：而且拉力更要 减小，如减到屈服拉力的三分之一。则最小辊径为

3L s

E D δ

σ≥

式中δ为带材最大厚度，s σ为其最小屈服极限。

根据工艺参数得出张力辊辊径： 32101000

969260

L D mm ??==

取为1000L D mm =

2.2.2 张力辊辊数，辊身长度的确定 （1）张力辊辊数的确定

张力辊的数量取决于拉力放大的倍数，拉力由展卷出口拉力增大到矫直所需之拉力

逐步由张力辊通过带材对辊子包角所产生的摩擦力而增加的，包角越大，拉力增加得越多。’而每一辊子的包角的θ角只能增大到一定限度，一般220θ≤。因此拉力放大系数

()e μα中的α角给定时，辊数n 便可求出：

n α

θ

=

在多辊系的张力辊组中，α角代表个辊包角的总和。根据工艺参数由[3]中定包角

2αθ=。所以得出张力辊辊数：

2n α

θ

=

= 张力辊辊数为2，选用2辊张力辊辊组形式。 （2）张力辊辊身长度的确定

张力辊辊身长度与弯曲矫直辊辊身长度一致：

1730L mm =。

张力辊与矫直辊之间距离是矫直机结构而定，在此不做具体确定。

第3章 翁格勒拉弯矫直机的力能参数计算

由于此矫直机采用中间辊式矫直机部分进行弯曲矫直，出、入口设置拉伸矫直机部分进行拉伸矫直，两者采用单独电机驱动，拉伸矫直机不受中间辊式矫直机的影响，而辊式矫直机矫直速度由拉伸矫直机决定，因此可以对拉伸矫直机进行单独计算，对辊式矫直机的矫直速度确定后单独计算。

3.1 拉伸矫直机部分的力能参数计算

第2章中求得张力辊辊数为2，因此采用2辊辊系形式如图3.1所示

图3.1 翁格勒拉弯矫直机的二辊系拉伸矫直机结构图

1. 展卷机

2.卷取机 b.后张力辊组 c.前张力辊组

从左向右将卷由展卷机1拉出后呈S 型绕过后张力辊组b ，在绕过前张力辊组a 进入卷取机2。卷取机2提供初始拉力0F ，经辊组a 将张力放大为2F ，同时展卷机1提供初始制动力4F ，经混组b 将制动力放大到2F ，则在拉力与制动力之间形成拉伸力2F 使带材产生塑性拉伸．并在机器的连续转动中完成连续性矫直工作。

下面按给定的工艺参数对此拉伸矫直机进行力能参数的计算，

工艺参数：屈服极限(260~650)s MPa σ=，210E GPa =，带宽(750~1550)B mm =，

厚度(0.3~3)h m

m =，矫直速度(0~3)/a v m s =，辊径1000L D mm =，辊颈直径0.5500L d D m

m ==，包角225 3.92rad θ==，采用聚酯辊面（由[6]中选取的辊面材料），

其摩擦系数0.25μ=，设计张力1

604.55

L s i F A KN σ==（其中i A 为钢板的最大断面面积，

2155034650i A mm =?=）滚动轴承摩擦系数'0.05μ=。按以上条件计算张力辊辊组的张力和此拉伸矫直机的驱动功率。

计算：(0~3)/a v m s = 取最大值 3/a v m s =

21

604.55

L s i F F A kN σ===

0.253.9212604.5226.84F F e e kN μθ--?==?=

0.253.9201226.8785.15F F e e kN μθ--?==?=

轴承受力总和为：

22(3221)cos(

)2a F F e e e μθμθμθθπ

----=+++

604.5(0.140.751)cos(

)2

θπ

-=?++

1142.5kN =

出口辊组的转速为： 3

0.96/57.3/min 1

a c L v n r s r D ππ=

===? 轴承摩擦功率为： 10.050.50.961142.585.760

c

m a d n N F kW μππ=

=????=

第2辊的辊面与带材间滑动速度为： 212604.5226.8

3.01000 1.16/4650210

a

F F v v mm s AE --?==??=? 其滑动摩擦功率为： 2221 1.16

()

0.25(604.5226.8)0.12210002

h v N F F kW μ?=+=?+?=? 第2辊带材出口速度即第1辊带材入口速度为：

'2231000 1.162998.84a v v v mm s =-?=?-=

第1辊面上滑动速度为：