φ80 十辊圆钢矫直机组的结构特点

陈 灿，赵西韩，马 强，刘 磊，王仕杰，周文浩，贾尚武，赵军涛

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安，710032)

0 前言

七辊矫直机一直是中国重型机械研究院股份公司在棒材矫直机领域的拳头产品，赢得了用户的良好口碑。在棒材矫直机领域，特别是大规格的圆钢矫直占有很大的市场份额。随着工业的不断发展，对圆钢直线度和矫直机工作效率两方面都提出了更高的要求。虽然二辊矫直机的矫直精度较高，但是存在矫直速度较慢，对来料的原始弯曲度要求更高，导板损耗量大等缺点。因此需要一种新型的矫直机，既能满足更高的矫直精度要求，同时又能获得更快的矫直速度。因此，中重院在七辊矫直机和二辊矫直机的基础上，研究开发了φ80 十辊圆钢矫直机。此矫直机的矫直范围为φ20～φ80 mm，矫直速度最高可达2 m/s，圆钢矫直后直线度可达0.5 mm/m。与七辊矫直机相比，十辊矫直机最大的特点是圆钢在矫直过程中经过两次大反弯，矫直过后的圆钢直线度更好(七辊矫直机的矫直精度一般为1 mm/m)，表面效果更为优良。与两辊矫直机相比，矫直速度更高，同时对圆钢的原始弯曲度要求低。此十辊矫直机组在七辊和两辊矫直机的基础上，获得了矫直精度和矫直速度的完美统一，因而具有更大的优势，目前在韶关钢铁厂已经投入生产有一年半的时间，赢得了客户的一致好评。

1 矫直机组成及有限元分析

本矫直机组包括前部送料系统，主机和后部出料系统三大部分。

1.1 前部送料系统

前部送料系统由上料台架、上料机构、摆动升降输入辊道、弹性入口导卫等部分组成。圆钢通过输送链条送到一定位置，由上料机构每次将一根棒料拨到摆动升降输入辊道上，由辊道将棒料经弹性入口导卫送入主机进行矫直。棒料进入主机后，升降输入辊道会落下处于C 型保护环之下，防止高速旋转的圆钢对输入辊道甩击造成的损害。同时圆钢的旋转造成的强烈甩尾也是在C 型保护环之中，避免对设备和操作人员造成损害。弹性入口导卫为弹簧柔性导卫，具有减震功能，导卫机构由弹簧支撑固定，在矫直过程中可随圆钢甩尾而柔性摆动，防止圆钢的划伤及导卫板的过度磨损［1］。

1.2 主机

(1)主机的组成。矫直机主机主要由上横梁、下横梁、矫直辊、立柱等组成，如图1 所示。该主机有前3 后4 共7 根立柱，与支承套、螺母、上下横梁形成预应力机架，提高机架的刚性及矫直过程的稳定性。设备采用嵌入式预应力机架，可显著提高机架的整体稳定［2－3］。同时矫直机前中间立柱为活动立柱，可以方便地从矫直机正面拆卸，以满足快速换辊的需求［4］。

图1 十辊矫直机主机结构形式Fig.1 The structure of ten-rollers straightener main body

(2)上横梁有限元分析。十辊矫直机的上下横梁铸焊件结构，中心部分为铸件，周围部分钢板焊接。为了保证其满足矫直要求，在设计时，考虑到上下横梁结构相似，我们只选取矫直机的上横梁进行强度、刚度有限元优化计算分析［5－6］。

将上横梁主体模型简化后，上横梁主体所受载荷为:

(1)五主缸孔上方台面周围40 个小螺栓孔上均匀载荷力。

(2)设置材料密度参数及重力加速度G 后所产生的自重力。

根据实际工作功率，并考虑适当安全系数后，提出需施加的载荷值:

在五主缸孔上方台面周围40 个小螺栓孔上均匀施加载荷力。在每个主缸孔施加1000 kN 载荷(实际矫直力为500 kN，此处施加1000 kN，增加其安全系数)。上横梁主体所受约束设定在围绕箱体的七个大螺柱孔周围圆环面，在主体模型上模拟了贯穿螺柱。螺柱螺帽模型以实际尺寸做出，在以两倍矫直力为计算条件下，得到的最大位移为0.6 mm，最大应力为68 MPa，均在安全范围内。故其可靠性得到保证［7］。分析结果如图2 所示。

1.3 后台

后台送料系统由出料保护套、出料输送辊道、对齐挡板、出料台架等部分组成。圆钢矫直后，由出料输送辊道送到对齐挡板自动对齐，然后可以往两侧出料。一次为收集料筐，料筐收集一定数量的圆钢后打捆运走。另一侧为斜篦式的台架，台架上有挡料机构，将圆钢挡住在斜篦上时，可以方便对圆钢的直线度进行检测。

2 结构特点

(1)辊型布置与特点。将十辊矫直机和七辊矫直机的辊系布置进行对比分析。七辊布置为2－2－2－1，如图3 所示，起矫直作用的主要是第二对辊，2 号下辊抬起，对圆钢施加反弯量。尾辊主要起托钢作用，矫直作用不大(因此图中未画出)。图3 中S 区域为等弯矩区，当等弯矩区的长度大于一个螺旋导程时，满足圆钢全方位矫直的基本条件。矫直过程中只有一次大反弯，即一个等弯矩区，变形量较大，同时残余应力相应较大［8－9］。

图2 十辊矫直机上横梁应力分析结果Fig.2 The analysis result of ten-rollers straightener upper beam

图3 七辊矫直机辊系布置ig.3 The rollers arrangement of seven-rollers straightener

本矫直机的矫直辊系为十辊布置型式(2－2－2－2－2)，如图4 所示。第1、3、5 对辊由电机通过在第二对辊矫直后，同样存在残余应力。但经过第四对辊可以再进行一次弯曲，可以减小残余应力。同时由于有两次弯曲，两个反弯量相应减小也可以达到矫直的目的，有利于改善圆钢的机械性能。矫直过程中吸收七辊所采用的复合辊系设置。与七辊相比，取消了尾辊，增加了一对主动辊和从动辊。因而比七辊矫直机多了一次大反弯，对不易一次矫直屈服强度较高的轴承钢，弹簧钢具有更好的矫直效果，能够保证一次矫直。同时可以获得更好的表面效果。

图4 十辊矫直机辊系布置图Fig.4 The rollers arrangement of ten-rollers straightener

为进一步提高矫直机的矫直精度，十辊矫直机采用了准双曲线结合深浅凹凸型曲线的复合辊系，吸收两辊矫直机辊型曲线的一些特点。第1、3、5 对辊采用双曲线辊型，采用电机驱动。2、4 对辊采用深浅凹凸辊型，端部装有液压马达，棒材咬入前矫直辊由液压马达驱动，咬入后液压马达泄压随动。深浅凹凸辊型体现了二辊矫直机的优点，在辊数不增加的情况下，提高反弯次数，减少反弯节距，解决了头尾矫直盲区的问题，为提高矫直精度提供了可靠保证，并达到了良好的效果。经过优化设计的矫直辊系可满足全部规格圆钢的矫直要求，使矫直机的矫直精度最后能达到0.5 mm/m。

(2)恒压对辊压紧。在矫直过程中，为了既保证对圆钢施加的压力，又可保护机械设备不受损坏，采用恒压对辊压紧原理，变刚性机架为柔性机架。矫直辊动态压紧旋转前进的圆钢，在提供足够矫直力的同时，由于增加了圆钢的反弯变形区域而极大的提高了矫直效果［10］。由于圆钢是旋转反弯，从而使圆钢各个方向的弯曲都达到了良好的矫直效果。动态压紧下的工作原理又可降低对圆钢原始尺寸公差的要求，并降低了对孔型调整精度的要求，使孔型调整更加方便。此设计降低了对圆钢的弯曲度、椭圆度以及原始尺寸公差的要求，保证圆钢的顺利咬入和矫直。

(3)液压马达预旋转机构。传统的矫直机设计中，中间一对辊为从动辊，由主动辊夹紧圆钢往前送带动从动辊旋转。当矫直速度较快，同时矫直圆钢的直径较小时，从动辊被圆钢带动从速度为0 加速到与圆钢前进速度匹配是很困难的。当无法快速到达矫直速度时，可能会发生圆钢与矫直辊的相对滑动或者无法被咬入被动辊内。为了解决这一情况，在被动辊端部设置液压马达预旋转机构，同时在矫直机主机前后设有光电检测开关。在其咬入前，液压马达预先驱动辊体旋转达到一定的速度。当光电检测开关检测到主机咬入圆钢后，液压马达自动泄压，从动辊随动。从动辊在圆钢咬入前有一定初速度的情况下能保证高速前进的圆钢顺利咬入中间辊，也不会造成相对滑动的情况。有效提高了矫直速度，最快速度能达到2 m/s，大大提高了矫直效率。

3 结论

(1)为满足不断提升的市场需要，在七辊和两辊矫直机的基础上研究开发了φ80 十辊圆钢矫直机组，此矫直机的矫直范围为φ20～φ80 mm。矫直速度和矫直精度都得到了很大提升，矫直速度最高可达2 m/s，圆钢矫直后直线度可达0.5 mm/m。

(2)设计开发过程中对矫直机上横梁进行强度有限元分析，在以两倍矫直力为计算条件下，得到的最大位移为0.6 mm，最大应力为68 MPa，均在安全范围内。

(3)本矫直机辊系采用2－2－2－2－2 布置，比七辊多一次大反弯;同时吸收两辊的辊型特点，2、4 对辊采取深浅凹凸辊型。

(4)矫直机采用恒压对辊压紧，对来料的椭圆度、弯曲度和原始尺寸公差要求降低，方便圆钢的快速咬入。

(5)矫直机2、4 对辊设有液压马达预旋转机构，在圆钢咬入前为2、4 对辊提供一定的初速度，大大提高矫直机的矫直速度。

［1］濮良贵.纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］黄庆学.轧钢机械设计［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

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［4］马强.大规格多辊棒材矫直机活动立柱的应用［J］.山西冶金，2010，6(128):29－30.

［5］王新敏.ANSYS 结构分析单元与应用［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［6］苏荣华 工程结构分析－ANSYS 应用［M］.沈阳:东北大学出版社，2012.

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［8］崔甫.矫直原理与矫直机械(第二版)［M］.北京:冶金工业出版社，2005.

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