斜輥式矯直機(jī)矯直鋼管的壓扁量等參數(shù)的研究

左雁冰，張 超，黃維勇，陳 鋒，常 瑜，何 潛，劉 杰

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

通常對斜輥矯直技術(shù)沒有對板帶等其他矯直技術(shù)的研究更充分，有的技術(shù)及工藝參數(shù)的研究尚屬空白。究其原因，往往是使用者對鋼管矯直技術(shù)的認(rèn)識進(jìn)入一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為矯直質(zhì)量與矯直精度等技術(shù)指標(biāo)僅僅取決于設(shè)備本身。這種認(rèn)識是片面的:產(chǎn)品的矯直質(zhì)量及精度等技術(shù)指標(biāo)，除了與設(shè)備輥列布置及調(diào)整控制系統(tǒng)等硬件有關(guān)外，還與工藝參數(shù)的調(diào)整設(shè)定有密切關(guān)系。對于高精矯直而言，一些工藝參數(shù)(如傾角α、壓扁量δ、反彎量fc壓扁力p以及矯直輥的尺寸精度和表面質(zhì)量等)甚至對矯直精度起到?jīng)Q定性的作用，這一點(diǎn)已經(jīng)被實(shí)踐所證明。

為了對矯直技術(shù)有一個(gè)完整準(zhǔn)確的認(rèn)識，作者將幾個(gè)主要的工藝參數(shù)問題，在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析討論，以供參考。

1 壓扁力及壓扁量的確定

1.1 單位接觸長度的壓扁力p和總壓扁力P

可以認(rèn)為用兩個(gè)相對單位接觸長度的輥?zhàn)幼饔糜趩挝婚L度的圓環(huán)，鑒于上下左右的對稱性，可以計(jì)算圓環(huán)的四分之一，如圖1所示。

由于各方向的對稱性，多余約束的未知量只剩下靜不定彎矩M0，則內(nèi)力方程按曲梁表示為

按卡氏定理的變形協(xié)調(diào)條件，即在A－A斷面處轉(zhuǎn)角等于零，則有

圖1 計(jì)算簡圖Fig.1 Calculation sketch

將式(1)代入式(2)，則

計(jì)算得

代入式(3)中得出

積分(5)式解出

代入(1)式

環(huán)彎矩圖如圖2所示。

圖2 圓環(huán)受壓彎矩圖Fig.2 Bend moment on the borne circle

圖1，圖2符號的意義:rc為圓環(huán)(鋼管)幾何中心半徑;r為平面彎曲曲梁形心半徑;S為鋼管壁厚;S※曲梁彎曲時(shí)靜距;R為圓環(huán)(鋼管)外半徑;rn為圓環(huán)(鋼管)內(nèi)半徑;p為圓環(huán)單位長度壓力;P為圓環(huán)總接觸長度的總壓力。

1.2 壓扁量δ的計(jì)算

在矯直過程中，矯直輥與圓環(huán)(鋼管)的接觸傾斜一個(gè)角度β，其數(shù)值不大，可以認(rèn)為β=0。對于曲梁變形(δ/2)，按以下關(guān)系計(jì)算:

利用卡氏定理，計(jì)算彎矩對p/2的偏導(dǎo)數(shù)

壓扁量δ表達(dá)為

1.3 壓扁力

曲梁彎曲應(yīng)力表達(dá)式為

(11)式與(7)式聯(lián)解

總的壓扁力按下式計(jì)算

按英國Bronx公司以Pauk理論推出的計(jì)算公式為

在此列出(18)、(19)式供參考。

2 對計(jì)算結(jié)果的分析

2.1 壓扁力的計(jì)算比較

按以下條件計(jì)算:

接觸長度lk=320 mm、σ=500 MPa、R=50 mm，邊緣處達(dá)到屈服極限計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壓扁力計(jì)算結(jié)果比較Tab.1 Comparison of the calculated press flat force results N

通過數(shù)值計(jì)算表明，按曲梁計(jì)算和按直梁計(jì)算其計(jì)算結(jié)果數(shù)值差約在10% ～40%。而對于鋼管外徑R=50 mm規(guī)格，壁厚可能由3 mm增至16 mm。因而不能用直梁計(jì)算(對厚壁管D/S=6時(shí))。Pauk計(jì)算方法經(jīng)分析是用直梁計(jì)算，所以計(jì)算的壓扁力偏小，特別是所列計(jì)算方法沒有考慮外區(qū)的影響。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，在矯直過程中沒有發(fā)生鋼管被壓壞的情況。只有在高速矯直時(shí)，鋼管頭部才有可能被壓壞。對薄壁管計(jì)算的壓扁力都小。這是建立在線接觸的情況。實(shí)際上存在小的接觸面。因此也具有一定的抗壓能力。

2.2 關(guān)于壓扁量問題

用式(13)計(jì)算出的單位長度的壓扁力p比用式(9)或式(10)計(jì)算出的壓扁量δ小，這正是管子未被矯壞的原因;說明計(jì)算得出的值具有合理性，只有在調(diào)節(jié)出錯(cuò)時(shí)，或者壓扁量給大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)壓壞管子的情況。特別是加大壓扁量不能提高矯直精度，這種做法不僅矯不直，還會(huì)在矯直過程中會(huì)因?yàn)棣拇蠖霈F(xiàn)缺陷。要么矯壞產(chǎn)品，要么降低矯直的直線精度，不僅破壞表面狀態(tài)，還降低尺寸精度。通過壓扁方法達(dá)到矯直目的的觀點(diǎn)是不適宜的。所以不推薦這種方法，特別對高精度矯直更是如此。

3 結(jié)論

在理論研究的基礎(chǔ)上，中國重型機(jī)械研究院股份公司近年來為寶鋼、鞍鋼、太鋼等國內(nèi)各大鋼管廠設(shè)計(jì)成套供貨了幾十臺鋼管矯直機(jī)。經(jīng)實(shí)際使用的情況分析，采用曲梁法計(jì)算的壓扁量是合適的。一般來說，壓扁量δ選取在1%～1.3%范圍內(nèi)為好。

［1］曲洪德，徐素文，汪恩輝.18～65mm十一輥高精度管材矯直機(jī)研究［J］.重型機(jī)械，1997(4):5－7.

［2］崔甫.矯直機(jī)械與矯直原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］A·M馬斯基列遜.管材矯直機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979.