陈永麟，张文志，范 荣，张莹瑜
(内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘要：设计了板厚为20 mm～40 mm的钢板平行辊矫直机。对矫直机工作原理及主要零部件的运动机理做了具体的阐述，并对辊式矫直机基本参数以及辊式矫直机力能参数做了详细的介绍和计算，包括机架、上矫直辊系、下矫直辊系、压下与平衡系统等主要部件的设计。
关键词：板材矫直机；设计；参数计算
近几年，我国中厚板产量持续增长，对钢板板形质量的要求也不断提升，板材发展的重点已经从单纯的追求产量转移到既追求板材产量又追求质量，所以采取什么措施来改善板形质量已成为生产者急需解决的问题。目前矫直机已经成为提高板带钢产品表面质量和平坦度以及改善板材质量的主要设备，本文对板厚为20 mm～40 mm的钢板平行辊矫直机进行了设计。
矫直机理论基础是：钢材在其足够的弹塑性下，不管其原始弯曲程度有多大，在弹复后钢材伸缩量会明显缩小，甚至会恢复原来的状态，从而达到矫直的目的。设计的20 mm～40 mm板材矫直机的外形如图1所示。
图1 20 mm～40 mm板材矫直机外形
2.1 平行辊矫直机的基本参数
平行辊矫直机的基本参数如下：
(1) 机型：九辊平行辊式矫直机；
(2) 工作方式：平行式；
(3) 矫直辊辊距(mm)：420；
(4) 支承辊辊径(mm)：Φ570；
(5) 支承辊数量：上3、下3；
(6) 矫直速度(m/min)：0～50；
(7) 压下速度(mm/s)：25；
(8) 矫直辊数量：9根；
(9) 上矫直辊数：4根；
(10) 下矫直辊数：5根；
(11) 平行辊矫直辊规格：Φ380 mm×1 800 mm；
(12) 矫直钢板：普碳钢，厚度h为20 mm～40 mm，宽度B为1 500 mm～1 600 mm，长度H为4 000 mm～6 000 mm，屈服极限为200 MPa～600 MPa。
2.2 结构参数计算
矫直机允许的最大辊径与最小辊径为：
Dmax=77hmax.
(1)
(2)
将相关数值代入式(1)、式(2)计算得：Dmax=3 080 mm，Dmin=362.5 mm，则取辊径D=380 mm。
矫直机允许的最大辊距与最小辊距为：
(3)
(4)
将相关数值代入式(3)、式(4)计算得：Lmin=403.54 mm，Lmax=3 422 mm，则取辊距L=420 mm。
2.3 力能参数计算
2.3.1 矫直力与矫直力矩的计算
矫直机矫直力的总和为：
(5)
其中：n为矫直辊的数量，n=9；Fi为各矫直辊上的受力；Mi为各矫直辊的屈服力矩，经实验得
将相关数值代入式(5)计算得：F∑=3.646×103 kN。矫直机上、下机架所受的矫直力为
矫直机塑性弯曲力矩为：
(6)
其中：σs为被矫钢板的屈服极限，取σs=360 MPa 。将数值代入式(6)计算得：Ms=230.4×103 N·m。
矫直机总矫直力矩Mk为：
(7)其中：r0为原始曲率半径，对于钢板矫直机r0=30 hmin；Kn为矫直机方案系数，取Kn=1.5；E为钢板的弹性模量，E=206 GPa。
将数值代入式(7)计算得：Mkmin=730.00×106 N·m，Mkmax=1.46×109 N·m。
2.3.2 矫直功率的计算
矫直力作用在辊子上会产生滚动阻力，作用在轴承上会产生摩擦阻力，它们所形成的转矩为：
(8)其中：f为轧材与辊子间的滚动摩擦系数，取f=0.5 mm；u为轴承摩擦系数，取u=0.002；d为辊颈直径，取d=300 mm。将数值代入式(8)计算得：Tm=23.96 kN·m。
当矫直机辊数为9时，材料将受到7次弯曲，故矫直机的总塑性弯曲转矩为：
(9)
其中：usi为单位长度材料塑性弯曲变形力，经实验得
取弹性联轴器的效率η1=0.99，减速器分速箱的效率η2=0.95，万向联轴器的效率η3=0.95，滚针轴承的效率η4=0.98，则矫直机的总效率η=η1η2η3η4=0.876。矫直辊的驱动功率为：
(10)
其中：v为矫直速度，取v=1 m/s。将数值代入式(10)计算得：N=172.326 kW。
3.1 下矫直辊系设计
矫直辊是进行扁钢矫直的主要部件，采用上四下五交错布置。图2为下矫直辊装配体。下矫直辊为5组固定矫直辊，材质为60CrMoV，通过联轴器被电机拖动，矫直辊面与辊轴采用一体设计，锻造加工，下辊系共用一个剖分式铸钢轴承座。矫直辊轴承座部分应设置防尘密封圈，避免杂质进入轴承内，影响轴承寿命；矫直辊轴承座和压下部位还应设有注油点。
3.2 上矫直辊系设计
图3为上矫直辊装配体。4组上矫直辊为主动辊，两侧机架辊随动。4组矫直辊共用一个剖分式铸钢轴承座，固定在上活动横梁上，两侧边辊轴承座独立，且可沿竖直方向上下升降，方便带钢咬入。矫直辊上辊系通过压下机构调节压下量的大小。
3.3 上下支撑辊及调整装置
为了提高工作辊的稳定性，在辊的上、下两边设置支撑辊，按下三上三交替排列，并且支撑辊采用一一对应的方式布置。辊系装配剖面图如图4所示。其中支撑辊辊轴与工作辊辊轴分开设计和加工，目的是让每个支撑辊单独使用一个轴承座，以便让支撑辊能独立调节每个工作辊的凸度。
在调整盘与空心螺杆之间用键连接，可以调整支撑辊与工作辊之间的间隙。调整盘的下部压圈在松开的状态下可以转动一定的角度并可带动螺杆及吊杆上升或下降，进而使支撑辊与工作辊之间的压紧力增大或减少。在调整好压紧力后用压圈压死，再拧紧吊杆的上部螺母可使轴承座及球面垫与螺杆压紧，保持同步升降。经计算上下支撑辊的调整量大约为±1.5 mm。
图2 下矫直辊装配体 图3 上矫直辊装配体 图4 辊系装配剖面图
3.4 下压平衡方案
下压机构装在活动横梁的上部，由一台电机通过蜗轮蜗杆减速器带动压下丝母转动使活动横梁沿丝杠上下移动，下压工作行程为33 mm。该下压机构可实现矫直辊系的前后倾动功能，压下部分安装位置传感器，以便清楚地显示压下量。
为了避免矫正时的冲击，可在压下部分装个平衡机构消除螺母与螺杆之间的窜动间隙。压下与平衡装置如图5所示。
图5 压下与平衡装置
3.5 润滑
上、下辊与支撑辊轴承是在重载低速下连续工作，必须保证润滑良好，应选择锂基质高级润滑脂。上、下辊轴承共用一个干油站集中润滑，上辊系需要上下调
整，矫直座的各接触面间必须有润滑。
减速器的齿轮及轴承和分配箱的齿轮及轴承采用油池润滑方式。压下机构一般是在空载下间断工作的，轴承采用干油润滑，压下机构的螺纹副和导向键均采用干油润滑。
本设计是基于当今生产一线辊矫机工作性能不佳及成品率低的情况进行的改进设计。通过对辊式矫直机基本参数重新进行设计和计算，极大地提高了钢材矫直成品率，给企业带来了较大的经济效益。
参考文献：
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CHEN Yong-lin, ZHANG Wen-zhi, FAN Rong, ZHANG Ying-yu
(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China )
Abstract：This paper introduces the design of a roller straightening machine, for the steel plate thickness 20-40 mm. In this paper, the basic parameters and the force energy parameters of the roller type straightening machine are calculated, and the working principle of the straightening machine and the movement mechanism of the main parts are also described in detail, including the design of main parts, such as the frame, the upper and the lower straightening rolls, the press down system and the balance system.
Key words：straightening machine; design; parameter calculation
文章编号：1672- 6413(2016)05- 0125- 02
收稿日期：2016- 03- 15；
修订日期：2016- 08- 20
作者简介：陈永麟(1992-)，男，安徽合肥人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计。
中图分类号：TG333.2+3
文献标识码：A
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