復(fù)合材料擠油輥壓縮變形與除油效果關(guān)系研究

任偉偉，姚新改，王 碩，董志國

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

目前國內(nèi)冷軋板材生產(chǎn)線后處理平整環(huán)節(jié)大多使用橡膠輥進行除油除雜，效果不佳。復(fù)合材料擠油輥是一種以無紡布為其輥套基體的新型擠油輥，與傳統(tǒng)擠油輥相比，它具有獨特的多孔結(jié)構(gòu)，可以更好的吸收油液[1]；并且，帶材表面的細屑、殘渣可以滲入其多孔結(jié)構(gòu)中，可有效地防止了帶材表面的污染和劃傷；同時，它的摩擦系數(shù)較高，可以避免擠油輥打滑對帶材表面造成二次劃傷。

這里通過對復(fù)合材料擠油輥的壓縮變形進行理論分析；使用ABAQUS有限元軟件分別對試驗用和實際使用兩種不同尺寸的擠油輥進行模擬仿真，建立了兩種尺寸的擠油輥壓縮變形量和承受壓力的關(guān)系曲線；然后利用擠油試驗平臺，通過對試驗用擠油輥進行靜態(tài)壓縮以及除油試驗，修正關(guān)系曲線，得到修正系數(shù)；最后結(jié)合實際工況參數(shù)和修正后實際尺寸擠油輥的壓縮變形量和承受壓力關(guān)系曲線，確定冷軋生產(chǎn)線復(fù)合材料擠油輥達到最佳除油效果時承受的壓力值。

2 復(fù)合材料擠油輥壓縮變形理論分析

復(fù)合材料擠油輥的工作原理，如圖1所示。帶材夾在工作輥和支承輥之間從左向右勻速平動，在摩擦力的作用下帶動兩輥沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。當工作輥轉(zhuǎn)動到點A位置，輥套因其多孔結(jié)構(gòu)開始吸收帶材表面的油液，隨著輥子從點A轉(zhuǎn)動到點B位置，輥套逐漸被壓縮，當擠油輥轉(zhuǎn)動到點B位置，輥套壓縮量達到最大，可有效阻止油液向右側(cè)滲漏，之前被吸收到輥套中的油液從擠油輥的兩側(cè)擠出。當擠油輥從點B轉(zhuǎn)動到點C位置，輥套逐漸恢復(fù)原狀，如此循環(huán)即可達到去除帶材表面油液以及細小殘留雜質(zhì)的目的[1]，進而降低帶材表面粗糙度，提高帶材表面質(zhì)量。

圖1 擠油輥工作原理圖Fig.1 Working Principle Diagram of Extrusion Roller

根據(jù)復(fù)合材料擠油輥工作原理，分析可知其受力變形，如圖2所示。

圖2 擠油輥受力變形示意圖Fig.2 Stress Deformation Schematic Diagram of Extrusion Roller

冷軋平整環(huán)節(jié)的主要目的是去除帶材表面的油液以及細小雜物，除油前帶材表面油膜厚度約為1mm，工作輥只需在和油液接觸區(qū)域受力壓縮變形量大于其徑向孔隙總和，使得該部分區(qū)域孔隙為零，即可形成“水壩”，阻止油液向已除油側(cè)滲漏，因此受力較小，屬于彈性變形。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足廣義胡克定律，相應(yīng)的計算公式如下：

式中：δ—應(yīng)力，MPa；E—彈性模量，MPa；ε—應(yīng)變。

其中，δ、ε的計算公式如下：

式中：F—壓力，N；A—受力面積，mm2；Δl—壓縮量，mm；l—輥套原始厚度，mm。

由于輥套在壓力作用下壓縮時會產(chǎn)生橫向變形，所以應(yīng)對受力面積A進行如下修正：

式中：A0—修正后受力面積，mm2；ε’—橫向應(yīng)變；

其中，ε’與ε具有如下關(guān)系：

式中：μ—泊松比。

由上述分析可得，復(fù)合材料擠油輥的壓縮變形量和所受壓力之間的關(guān)系為：

3 基于ABAQUS的復(fù)合材料擠油輥壓縮變形有限元仿真

3.1 模型建立

實際工況下，上擠油輥與帶材表面油液直接接觸，其輥芯兩端承受壓力。

為簡化計算過程，可假設(shè)擠油輥輥芯承受線載荷，輥套為各向同性的彈性體，這樣輥套同一半徑方向上受力變形相同，只需選取軸向截面進行仿真分析。

由于試驗用擠油輥和實際生產(chǎn)線擠油輥尺寸不同，需要分別建立對應(yīng)尺寸參數(shù)的模型，保持運動設(shè)置不變，得到相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1中試驗用擠油輥、實際生產(chǎn)線擠油輥和帶材的具體尺寸參數(shù)使用ABAQUS 建立二維模型，為保證擠油輥可轉(zhuǎn)動一周以上，設(shè)置帶材長度分別為300mm和1200mm，建立的裝配模型，如圖3所示。

表1 復(fù)合材料擠油輥和帶材尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension Parameters of Roller and Strip

圖3 裝配模型圖Fig.3 Assembly Model Diagram

如上圖所示，左側(cè)為試驗用擠油輥模型裝配圖，右側(cè)為實際生產(chǎn)線擠油輥模型裝配圖。其中，擠油輥輥套以無紡布為基體，均設(shè)置成彈性體，輥芯以及帶材均設(shè)置為不銹鋼，具體材料參數(shù)，如表2所示。

表2 復(fù)合材料擠油輥和帶材材料屬性Tab.2 Material Parameters of Extrusion Roller and Strip

3.2 模型運動設(shè)置

為方便加載載荷和約束，在帶材中心以及擠油輥輥芯中心處設(shè)置結(jié)構(gòu)質(zhì)點，并分別與帶材和輥芯建立剛性連接。

由于本次研究主要針對輥套受力后壓縮量進行分析，同時在實際工況下，平整環(huán)節(jié)中帶材受力很小，其變形可忽略不計，故在輥芯及帶材處網(wǎng)格劃分稀疏，輥套處網(wǎng)格劃分應(yīng)密集，網(wǎng)格屬性設(shè)置為三角形。

模型載荷加載分為（1）（接觸）、（2）（壓縮）和（3）（平動）三步。（1）為使計算收斂，擠油輥沿Y軸負方向進行微小位移，與帶材建立接觸；（2）擠油輥受沿Y軸負方向的壓力作用下變形；（3）帶材沿X軸方向平動，并帶動擠油輥轉(zhuǎn)動。各分析步均采用靜力分析，具體設(shè)置如下：

（1）在輥芯結(jié)構(gòu)質(zhì)點處施加CF2方向上的位移值-0.001。邊界條件：帶材完全固定；輥芯結(jié)構(gòu)質(zhì)點在全局坐標系中除U2、UR3方向全部設(shè)置為0。

（2）在輥芯結(jié)構(gòu)質(zhì)點處設(shè)置CF2方向上的負值恒定集中力。邊界條件同上一分析步。

（3）輥芯結(jié)構(gòu)質(zhì)點處的集中力以及擠油輥的邊界條件保持不變，將帶材結(jié)構(gòu)質(zhì)點處的邊界條件設(shè)置為V1=1000，其余都等于0。

接觸副設(shè)置如下：（1）擠油輥輥芯與輥套設(shè)置為剛性連接。（2）帶材上表面與輥套外表面選用表面與表面接觸形式，滑移公式為有限滑移，指定調(diào)整區(qū)域容差為0.1以保證計算收斂。接觸屬性設(shè)置中，選用罰摩擦公式，摩擦系數(shù)為0.36，設(shè)置最大彈性滑移表面特征尺寸百分比為0.1。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真的主要目的是模擬復(fù)合材料擠油輥在不同壓力下的壓縮變形以及彈性變形恢復(fù)所用時間，因此，只對（2）和（3）的仿真結(jié)果進行分析。

（2）分析步模擬復(fù)合材料擠油輥受力壓縮過程，在此分析步中，載荷施加與時間的變化成線性增長關(guān)系。以承受壓力值為100N為例，擠油輥壓縮完成后得到的最終結(jié)果，如圖4所示。

圖4 擠油輥的壓縮變形圖Fig.4 Compression Deformation Diagram of Extrusion Roller

圖中圖例所示為給定壓力值下擠油輥各部分沿豎直方向的變形量，輥芯和輥套上半部分區(qū)域變形量最大且基本相等，即為擠油輥在該壓力下的壓縮變形量；從輥芯到帶鋼接觸區(qū)域，輥套部分的變形量逐漸減小，其中擠油輥與帶材接觸區(qū)域中心部分變形量相對其他區(qū)域很小，約等于零，形成“水壩”。保持其他參數(shù)不變，改變擠油輥輥芯處的集中力數(shù)值，得到擠油輥在不同壓力下的壓縮變形量。根據(jù)擠油輥的工作原理，其壓縮變形量不宜超過徑向孔隙總和，復(fù)合材料孔隙率為10%，因此，仿真模擬試驗用擠油輥和實際用擠油輥的最大壓縮變形量分別達到1.6mm 和4.1mm即可，將仿真所得兩種擠油輥在不同壓力下的壓縮量數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖5所示。

圖5 擠油輥的壓縮變形曲線Fig.5 Compression Deformation Curve of Extrusion Roller

由上圖可知：復(fù)合材料擠油輥的壓縮變形量隨著輥芯承受壓力的增大而增大，但隨著壓力的增大，曲線增速減緩，這是因為擠油輥與帶材接觸面積逐漸增大，因此輥套外表面受力面積也變大，每增大等量的壓力，擠油輥所增加的壓縮量將變小，致使增長速率減緩。

（3）分析步模擬復(fù)合材料擠油輥保持承受的壓力和壓縮變形量不變，在帶材平動與擠油輥相對滑動產(chǎn)生的摩擦力的驅(qū)動下，進行轉(zhuǎn)動的過程。在擠油輥輥套外圓周上均勻間隔選取16個測量點，并繪制這些點在輥子轉(zhuǎn)動一周的過程的應(yīng)變變化曲線，如圖6所示。

圖6 測量點應(yīng)變變化曲線圖Fig.6 Strain Curve of Measuring Point

根據(jù)上圖，即可計算出在給定壓力下，擠油輥彈性變形恢復(fù)所需時間。將兩種尺寸參數(shù)的擠油輥不同壓力下彈性變形的恢復(fù)時間繪制曲線，如圖7所示。

圖7 彈性變形恢復(fù)時間曲線Fig.7 Recovery Time Curve of Elastic Deformation

由上圖可知：因為除油除雜所需擠油輥壓縮變形量較小，因此其彈性變形恢復(fù)時間很短，仿真設(shè)置試驗用擠油輥轉(zhuǎn)動周期為0.195s、實際生產(chǎn)線擠油輥轉(zhuǎn)動周期為0.895s，擠油輥被壓縮部分在與帶材再次接觸之前可完全恢復(fù)，符合實際工況；同時，當試驗用和實際用擠油輥達到最大壓縮變形量1.6mm和4.1mm時，其變形區(qū)域?qū)挾日急燃s為輥套圓周的1/8，彈性變形恢復(fù)時間分別約為0.0156s和0.029s，結(jié)合擠油輥的工作原理，試驗用擠油輥和實際用擠油輥的轉(zhuǎn)動周期應(yīng)分別大于0.1248s和0.232s，對應(yīng)試驗時和實際工況下帶材平動最高速度分別為1.56m/s和61.75m/s。

4 試驗驗證

4.1 試驗方案設(shè)計

使用擠油試驗平臺，通過調(diào)節(jié)數(shù)字手輪對擠油輥施加設(shè)定壓力值進行靜態(tài)壓縮，測量擠油輥輥芯到帶鋼的距離，然后用原始半徑減去該測量值即是擠油輥在給定壓力下的實際變形量；保持壓力值不變，對表面軋制油油膜厚度約為4g/m2、初始粗糙度值為1.5μm的不銹鋼帶材進行除油，使用表面粗糙度測量儀和手持油膜厚度測量儀分別測量除油后帶鋼表面的表面粗糙度和油膜厚度[2]，將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，修正擠油輥的壓縮變形量與壓力值的關(guān)系曲線，結(jié)合冷軋生產(chǎn)線工況要求，確定實際用復(fù)合材料擠油輥達到最佳除油效果的壓力值。擠油試驗平臺，如圖8所示。

圖8 擠油試驗平臺Fig.8 Oil Removal Test Platform

4.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，繪制試驗用復(fù)合材料擠油輥壓縮變形量和承受壓力的關(guān)系曲線并與仿真結(jié)果對比，如圖9所示。

圖9 試驗用擠油輥的試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的對比圖Fig.9 Comparison Diagram of Test Results and Simulation Data of Extrusion Roller for Testing

將試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比分析可知：兩者增長趨勢基本一致；在相同的壓力值下，試驗用復(fù)合材料擠油輥的實際壓縮變形量比仿真結(jié)果略小，這是因為擠油輥輥套基體無紡布實際為各向異性材料，而在仿真時為簡化計算將材料屬性設(shè)置為各向同性。

同時，無紡布材料壓制過程中，添加了一定比例的粘接劑，也會對材料的屬性產(chǎn)生影響；試驗與仿真結(jié)果比值約為0.9，即為曲線修正系數(shù)。

將經(jīng)過承受不同壓力的試驗用擠油輥除油后的帶鋼表面油膜厚度和表面粗糙度值繪制曲線，如圖10所示。

圖10 帶鋼表面油膜厚度和粗糙度值隨壓力的變化曲線Fig.10 Curve of Oil Film Thickness and Roughness of Strip Surface Changing with Pressure

由上圖可知：隨著壓力的增大，復(fù)合材料擠油輥除油效果提升，除油后的油膜厚度最低值為0.8g/m2；除油后帶鋼表面質(zhì)量有所提高，最小粗糙度可達到0.72μm，這是因為帶鋼表面的細小鐵屑等雜物被擠油輥輥套孔隙吸納；當擠油輥承受壓力為1800N時，達到最佳除油效果，此時其壓縮變形量約為1.2mm。

結(jié)合試驗用擠油輥的輥套徑向孔隙總和為1.6mm可知，當復(fù)合材料擠油輥的壓縮變形量達到徑向孔隙總和的75%，即可達到最佳除油效果。

實際冷軋帶材生產(chǎn)線上的復(fù)合材料擠油輥輥套厚度為41mm，徑向孔隙總和為4.1mm，因此當擠油輥的壓縮變形量為3.1mm，即可達到最佳除油效果，結(jié)合修正后的擠油輥受力壓縮變形曲線，此時擠油輥承受的壓力值為6250N。

5 結(jié)論

這里結(jié)合復(fù)合材料擠油輥的工作原理對其受力壓縮變形和除油效果的關(guān)系進行研究，得出以下結(jié)論：

（1）使用ABAQUS軟件分別對試驗用和實際兩種不同尺寸的擠油輥進行模擬仿真，確定復(fù)合材料擠油輥的壓縮變形量與所受壓力的關(guān)系曲線，通過分析彈性變形恢復(fù)時間，確定試驗用擠油輥和實際用擠油輥的轉(zhuǎn)動周期應(yīng)分別大于0.1248s和0.232s，對應(yīng)試驗時和實際工況下帶材平動最高速度分別為1.56m/s 和

61.75 m/s。

（2）利用擠油試驗平臺通過對試驗用擠油輥進行靜態(tài)壓縮以及除油試驗修正壓縮量與承受壓力的關(guān)系曲線，修正系數(shù)為0.9；除油后帶鋼表面油膜厚度最小值為0.8g/m2，帶鋼表面質(zhì)量有所提高。

（3）結(jié)合實際工況，利用修正后的壓縮變形量與壓力值的關(guān)系曲線，確定實際冷軋生產(chǎn)線上復(fù)合材料擠油輥的承受壓力為6250N時，即可達到最佳除油效果。