拉矫机弯曲单元工作辊力学分析及长寿命研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：李宏大（1990），男，满族，辽宁开原人，中级职称，本科学历，研究方向为冷轧拉矫机相关工艺设备及热轧产品质量。-166-拉矫机弯曲单元工作辊力学分析及长寿命研究 李宏大 唐山市应急管理局，河北 唐山 063000 摘要：摘要：随着金属材料加工领域对高质量和高效率的需求不断增长，拉矫工艺作为一种重要的金属加工工艺得到了广泛应用，单工作辊在拉矫过程中承受巨大的载荷和摩擦力，其寿命和性能成为制约拉矫机稳定性和工艺效果的重要因素。基于此，文章简要阐述了拉矫机的组成结构和特点，并对拉矫机弯曲单元工作辊的受力情况进行了深入分析，以此提出了提高弯曲矫直工作质量和效率，延长拉矫机使用寿命的有效措施。关键词：关键词：拉矫机；弯曲单元工作；辊力学分析；长寿命研究 中图分类号：中图分类号：TG3 随着金属材料加工行业的快速发展，拉矫工艺作为一种重要的金属加工工艺在生产中得到了广泛应用，其主要用于去除金属材料中的弯曲和应力失稳，以实现材料的平整和稳定形状。然而，在拉矫过程中，工作辊承受着巨大的载荷和摩擦力，导致工作辊的磨损和疲劳，进而影响机器的性能和寿命。目前，针对拉矫机弯曲单元工作辊力学特性和寿命延长的研究还存在一些挑战和问题，如工作辊的受力机制和应力分布，在不同的工艺参数、材料和应力状态下存在差异，针对工作辊寿命延长的方法和控制策略还缺乏系统的研究。并且，整个行业还缺乏有效的技术和方法，以准确评估工作辊的寿命和识别寿命相关的破坏形态。因此，在实际生产中采取措施延长工作辊的寿命，并提高拉矫机的效率和稳定性具有重要的意义。1 拉矫机的组成结构及特点 1.1 拉矫机的组成结构 拉矫机（Leveler）是金属加工设备中的一种，主要用于对金属带材（如钢带、铝带等）进行矫直和拉伸处理，旨在通过调整工作辊的间距和角度，对带材进行弯曲和矫直，以消除带材的边浪、中浪、瓢曲等缺陷，改善带材的平整度和板形，提高热镀锌的效果和产品质量1。拉矫机通常由进料系统、喷淋系统、弯曲和矫直单元、出料系统，以及辅助部件等结构组成，每个部分都有不同的功能和作用，共同协作完成对带钢的矫直和拉伸处理，主要分为以下几个部分：（1）进料系统：进料系统包括张紧辊组和导入辊台，张紧辊组用于提供带钢的张力，保证带钢在拉矫过程中的稳定传动；导入辊台则用于引导和支撑带钢进入拉矫机的工作区域。（2）喷淋系统：喷淋系统位于拉矫机本体内部，主要用于在拉矫过程中对带钢进行冷却和润滑，以降低摩擦力和热量积累，喷淋系统通常包括冷却水管、喷嘴和水泵等部件。（3）弯曲和矫直单元：弯曲和矫直单元是拉矫机的核心部分，由一对或多对工作辊组成，工作辊主要是通过调整间距和角度，对带钢进行弯曲和矫直处理，以达到矫直的效果，进一步提高带钢的平整度，弯曲单元的数量应根据具体需求而定。（4）出料系统：出料系统一般包括挤干辊和烘干器，挤干辊主要用于通过挤压带钢将其表面的水分挤出，确保带钢在出料时表面无水，避免出现打滑现象；烘干器则用于进一步将带钢表面的水分蒸发掉，以达到干燥的效果。除了以上主要部分外，拉矫机还包括控制系统、电气系统和润滑系统等辅助部件，控制系统用于监控和调节拉矫机的运行状态和参数，确保其正常工作；电气系统主要负责提供拉矫机所需的电力供应和控制信号；润滑系统则负责对拉矫机的关键部位进行润滑和维护，确保其正常运行。如图 1 所示，喷淋系统、两组弯曲单元和一组矫直单元为拉矫机的核心系统，即“湿式两弯一矫”，其中，R1 为张紧辊 1 号辊，R2 为张紧辊 2 号辊，R3 为张紧辊 3 号辊，R4 为张紧辊 4 号辊，T1 为拉矫机入口侧张力，T2 为拉矫机出口侧张力。1.2 拉矫机的特点 拉矫机主要采用弯曲和矫直的方式对金属材料进行处理，可有效实现材料矫直，使其达到所需的平整中国科技期刊数据库 工业 A-167-度和形状要求，且通过调整工作辊的间距和角度，还可以灵活地控制矫直力和变形量，以适应不同材料和工艺要求。因此，拉矫机适用于不同类型的金属材料，如钢板、钢线、铜线等，无论是冷轧材料还是热轧材料，都可通过拉矫机进行矫直和拉伸处理，且拉矫机还适用于不同厚度和宽度的材料，具有较大的处理范围。同时，现代拉矫机通常配备了先进的控制系统，具有自动化和智能化的特点，通过传感器、编码器和PLC 等设备，实时监测和调整矫直过程中的力和变形，提高生产效率和产品质量，并设有自动化的操作界面和数据记录功能，也使得操作更加便捷、准确。此外，拉矫机具有较高的生产效率，能够快速地对材料进行矫直和拉伸处理，并采用连续工作的方式，实现连续进料和连续出料，提高生产效率，且拉矫机的工作速度和工作辊数量还可以根据需求进行调整，灵活适应不同的生产要求。图 1 湿式两弯一矫式拉矫机结构简图 2 拉矫机弯曲单元工作辊力学分析 2.1 拉矫机工作辊的受力情况 在拉矫机的具体运行过程中，当带钢通过弯曲单元时，工作辊会对带钢施加弯曲力，主要是带钢在工作辊之间产生弯曲变形的力，其大小与带钢的厚度、材料性质、弯曲角度以及辊缝间距等因素有关。并且，当弯曲力过大时，还会引起弯矩力，通常是在辊轴上产生一个力矩，因此工作辊需具备足够的弯曲强度来抵抗这个力矩，辊轴的材料、截面形状和尺寸对弯矩力的受力性能也具有重要影响。同时，工作辊需要支撑带钢并为其提供足够的压力，驱动带钢通过弯曲单元，压力的大小取决于带钢的张力、工作辊的与带钢的接触范围以及辊缝间距等因素，在提供压力的过程中，工作辊与带钢之间还存在一定的摩擦力，促进带钢在工作辊上滚动，摩擦力的大小与带钢材料的表面状态、工作辊表面润滑情况和带钢张力有关。此外，工作辊还需要足够支撑力来支撑带钢，以保持带钢的平整度和轨迹稳定，进而保证弯曲矫直的顺利进行，而支撑力的大小取决于带钢的张力、工作辊的间距和角度等因素。因此，在设计和使用拉矫机时，需综合考虑工作辊的材料选择、结构设计和冷却方式等因素，以确保工作辊具备足够的强度和耐磨性，并保证矫直和拉伸处理的效果，延长工作辊的使用寿命。2.2 拉矫机上弯曲单元工作辊受力分析 如图 2 所示，当拉矫机的弯曲单元工作辊处于零误差运行状态下，即在水平状态下，如果带钢板形良好，带钢的反作用力仅有竖直方向上的分力 f1，其主要是带钢受到弯曲矫直力而产生的，将带钢从弯曲状态拉直的力。然而，在实际生产中，由于带钢存在浪形、瓢曲等缺陷，工作辊可能无法完全处于水平状态，从而导致带钢对工作辊产生水平方向上的分力 f2。具体分力的大小取决于带钢的缺陷情况和工作辊的倾斜程度，而工作辊倾斜则可能是由于拉矫机单元装配不合理或使用时间过长而导致的。此外，在实际生产中，如果拉矫机单元内辊系的水平度偏差过大，还会产生轴向力，即轴向分力 f3 或 f4，主要是由于工作辊倾斜造成的，当辊端支撑轴承在一侧承受的轴向力超过其承载能力时，导致辊端支撑轴承失效，进而发生卡阻或抱死现象，并产生热量导致辊端支撑轴承烧损。因此，在拉矫机的设计和具体使用时，需要合理进行装配和维护，以减小辊系倾斜导致的不良受力和故障风险2。图 2 弯曲单元工作辊的受力示意图 2.3 拉矫机工作辊最大轴向力分析 拉矫机工作辊的最大轴向力分析，旨在确定工作辊在运行过程中所受到的最大载荷情况，便于后续的设计和选择适当的工作辊材料和尺寸。在进行拉矫机的最大轴向力分析前，首先需明确定义拉矫机工作辊的受力情况和相关参数，包括带钢的特性（材料性质、宽度、厚度等）、带钢的张力、工作辊的几何尺寸、倾中国科技期刊数据库 工业 A-168-斜度和支撑方式等，根据拉矫机的结构和受力情况，建立工作辊的受力分析模型，如绘制工作辊的自由体图，并将相关力和力矩作用在自由体上。此外，还需根据受力分析模型，考虑受力平衡条件，包括受力平衡和力矩平衡，从而得到轴向力与其他受力间的关系，并根据受力平衡条件和其他已知参数，求解最大轴向力的值。在实际设计中，应充分考虑弯曲单元辊的安全系数，确保工作辊能够承受额外的荷载和应对异常情况，因此在得到最大轴向力的值后，还需根据具体的工程要求和安全标准，乘以相应的安全系数来确定设计的最终载荷，并根据载荷计算轴承的额定寿命。L=(C/P)其中，L 为轴承的基本额定寿命，C 为基本额定动载荷，P 为当量动负荷，为寿命指数。3 拉矫机弯曲单元工作辊的长寿命研究 3.1 合适推力轴承的选用 在拉矫机弯曲单元工作过程中，工作辊通常需承受较大的轴向负载，如果选用了不合适的推力轴承，可能会导致轴承失效、轴承过热或轴承寿命缩短，因此应根据工作辊所承受的负载情况，选择合适的推力轴承，负载包括径向负载和轴向负载，确保推力轴承可承受较高的轴向负载。同时，确保其具备良好的径向承载能力，并根据工作辊的转速要求，选择适合高速运转的推力轴承，以确保推力轴承能够在高速运转时保持稳定，以及良好的抗疲劳性能。并且，根据实际工作条件，选择合适的润滑方法，如油润滑或脂润滑，并对推力轴承进行定期维护保养，包括清洁、润滑和检查工作，确保推力轴承的正常运行，及时发现并处理潜在的问题，提高工作辊的使用寿命。此外，除了轴向负载外，工作辊通常还需承受一定的径向负载，合适的推力轴承可为其提供稳定的径向支撑力，保持工作辊的几何形状和运转稳定性，而过大的径向游隙或不适当的设计，很可能导致工作辊的偏差和振动增加，影响加工质量和辊的寿命。3.2 辊系装配质量的提高 为了提高拉矫机弯曲单元工作辊的辊系装配质量，首先需建立并执行严格的质量控制流程，包括辊子的加工、轴承的选型与质量控制，以及辊系的装配过程等，确保每个环节都符合产品标准和工艺规范。例如，为了确保辊子的几何尺寸和表面质量符合要求，一般可采用高精度的加工设备和工艺，严格控制尺寸公差和表面质量，以确保辊子能够满足辊系的要求3。同时，确保供料系统的稳定性和准确性，避免材料在供料过程中的积压、卡顿等问题，稳定的供料系统能够减少材料的摆动和抖动，减小对辊子的不均匀加载，从而减少磨损和寿命降低。在辊子和轴承的装配过程中，还需确保间隙的合理安装，以保证辊子和轴承的正常工作，减小额外载荷，减少摩擦和磨损，并采用先进的对中设备和技术，确保辊子的轴线和辊系中心线保持一致，避免不正确的对中导致的不平衡载荷和摩擦增加。此外，还应选择质量可靠的轴承，确保轴承的材料、尺寸、润滑方式等均符合要求，以保证轴承可有效承受辊子的工作载荷，满足实际工作要求，并采用适当的润滑和密封措施，如油润滑或脂润滑，确保润滑剂能够有效到达轴承表面，避免污染物进入轴承，减少摩擦和磨损。最后，还应对辊系进行维护和保养，包括清洁、润滑和检查工作，定期检查轴承的状态和润滑情况，及时发现并处理潜在问题，保持辊系的稳定运行，延长轴承的使用寿命。3.3 拉矫工艺参数的优化 对于拉矫机弯曲单元工作辊而言，应选择质量良好、适合特定工艺的辊子材料，一般在进行支撑套和辊端支撑轴设计时，可采用 316 不锈钢材料，利用 316不锈钢材料如表 1 所示的性能，避免摩擦升温导致参数发生剧烈变化，并对其进行适当的热处理，提高辊子的硬度和耐磨性，减少辊子表面的磨损，延长其使用寿命。在弯曲矫直的过程中，张紧力的施加十分重要，过高的张紧力容易导致辊子和轴承承受过大的载荷，加速磨损和寿命的降低，应根据拉矫材料的要求和工艺实际情况，合理设置张紧力，以降低辊子的负载。在拉矫过程中，还应适当控制辊子施加在材料上的成形力，过大的成形力会增加辊子和轴承的摩擦和磨损，过小的成形力则无法有效拉平材料，通过调整成形力的大小和分布，可最大程度地减小辊子的负载，延长寿命。并且，适当的工作速度可在保证生产效率的同时，减小辊子的磨损，过快的工作速度会增加辊子和轴承的负载，加速磨损；过慢的工作速度则会导致辊子无法正常运转，因此应合理设置工作速度，降低辊子的负荷，延长寿命。此外，在拉矫工艺中，可使用先进的自动化控制系统，实时监测和调整拉矫工中国科技期刊数据库 工业 A-169-艺参数，并采用高精度的张紧力控制装置，精准调整、控制张紧力的大小和分布，减小辊子的负荷和磨损，提高拉矫机的使用寿命。最后，还可结合计算机仿真技术，对拉矫工艺进行模拟和优化，预测和评估不同参数对辊子寿命的影响，并通过优化参数，找到最佳的工艺参数组合，延长其使用寿命4。表 1 316 不锈钢的特性参数 参数 数值 导热系数/（W（MK）-1）弹性模量/MPA 16.3 206 屈服强度/MPA 热膨胀系数/(X10-6K-1)比热 C/(J(KGK)-1)泊松比 V 密度 P/(KGM-3)摩擦因数 环境温度 T/310 16 502 0.3 8030 0.15 20 4 结语 综上所述，在拉矫机弯曲单元工作辊运行中，工作辊的受力主要集中沿轴向和径向的接触区域，应力呈现复杂分布，且长期受到压力、摩擦力以及向心力等因素的影响，使工作辊的使用寿命受到严重影响。因此，应积极对弯曲单元工作辊进行材料优化和热处理，提高工作辊的硬度和耐磨性，降低磨损速度，延长寿命，并在合适的工艺条件下，适当提高辊子的表面光洁度和涂层性能，减小工作辊与材料之间的摩擦和磨损。此外，还应定期对拉矫机进行维护保养，包括清洁、润滑和检查，并通过实验验证和仿真模拟，建立工作辊的力学模型，研究工作辊的磨损机理、疲劳损伤和寿命预测方法，为延长工作辊的寿命和改善加工质量提供理论和实践支持。参考文献 1任学平,马龙.拉矫机弯曲单元工作辊力学分析及长寿命研究J.锻压技术,2022,47(06):186-192.2马龙.镀锌机组拉矫机弯曲单元工作辊力学行为分析D.内蒙古:内蒙古科技大学,2021.3刘丽娜,王宁,张军平.拉矫机辊端轴承失效分析及改进措施J.天津冶金,2017,02(02):43-45.4王伟.新余钢铁厂拉矫机的控制功能与应用J.科技与企业,2012,20(18):267.