六辊矫直力计算体系的建立

六辊矫直力计算体系的建立

1矫直力计算方法的确定正确确定六辊冲程机的力能参数的关键是冲程机的直致力计算。而计算矫直力的先决条件是必须确定管材在矫直力作用下产生的弯矩M。欲正确确定管材的弯矩M,必须正确区分管材矫直时的弹、塑性变形区。使用弹区比ξ这样一个相对量作为划分弹塑性变形区的参数,提出了一种确定ξ的方法。因此,计算矫直力的问题集中在参数ξ的确定上,而确定ξ方法的难易及其确定精度的高低是由管材在矫直状态下的力学模型与实际情况的吻合程度决定的。本文仅就建立一个与实际相吻合的力学模型及与之相应的矫直力的计算体系做初步的分析。矫直力往往依管材矫直时所受到的最大弯矩Mmax来确定,显然,按这种方法计算出的矫直力与实际运行中产生的矫直力相比是偏大的。虽然在设计矫直机时偏于安全,但在分析和研究矫直过程和状况时,若用这种方法则误差较大,与实际矫直情况的吻合程度较差,不能准确地反映矫直机的实际状况。还有一种按矫直管材的弯矩分布情况,可通过迭代逐段求出弹区比ξ。这样的方法虽然精度较高,但计算求解过程比较繁琐、复杂,不适于现场使用。因此,建立一种既能保证计算精度,又简单、实用的矫直力计算体系,对准确确定矫直力能参数及适于现场应用有很大的意义。2矫直机矫直力力学模型为计算矫直力能参数,首先需要确定一个较符合实际的矫直力学模型。六辊矫直机在矫直管材时,管材与矫直辊间相互作用情况非常复杂,不仅牵涉到金属弹塑性弯曲过程中复杂的物理因素而且还有作用力间的相互关系。管材除受到矫直辊的弯曲作用外,还要受到其辗压、扭转和磨擦的作用。因此,为简化计算过程,须对其受力状况进行必要的简化。如图1所示,在矫直辊上除作用有垂直压力F外,还作用着使矫直辊在α角平面中的转动力偶T′、切向力T和轴向力S。其中:T′≤0.01F;T≤0.15F;S≤(0.1～0.15)F。因此,在计算矫直力时,T′、T、S三力可忽略不计,而只将矫直力视为垂直压力F。在矫直管材时,矫直机的中间上辊向下压下,并使管材得到反弯;两端的两个上辊对管材有压紧作用。这样,在同一对两端辊子之间的管材将受到一次弯曲作用。由于中间上辊与管材的接触长度较大;所以实际的受力情况为—在接触长度内的分布载荷。但考虑到受载分布区相对管材长度较短。因此,可以采用图2的六辊矫直机矫直力学模型。各辊对管材的作用力可近似简化为集中力。因中间上辊2对管材在接触长度的内压紧较均匀,故可将2辊的作用力F2视为作用在该辊两端的两个集中力。而矫直辊1、3、1′、3′对管材的压紧在接触长度内偏于一端,且其接触长度较短,故可将F1、F3、F′1、F′3视为作用在各辊的压紧端。3建立直力计算系统3.1第三对辊的屈服强度计算矫直力时,下列因素的影响应予考虑:(1)1′、3′两辊的矫直力的作用区是偏向辊子外侧的,其结果对管材产生了偏载的影响。(2)当管材通过各对辊时,管材在辊缝间形成了反弯挠度,由于中间上辊的压下,使管材的挠曲线向上凹。同时1′、3′两辊将对管材起补充压紧作用,因此,在1′、3′辊上又附加了补充压紧力。这一点从对矫直力测试所得的波形中也可看出。另外,从1′、3′两辊的矫直力的实测值来看,3′辊的矫直力均比1′辊的矫直力大,这一点与理论假设是不相符合的。这种现象的出现是与温度对管材材质机械性能的影响有关的。管材进入第一对矫直辊中时的温度是100℃左右。由于冷却水的强制降温,管材温度通过第三对辊时降到85℃左右。这一点,通过现场的观察也得到了证明。据文献的试验分析,各种金属随温度的降低其屈服强度σs和强度极限σb均有所提高。不同金属的σs、σb对温度降低的敏感程度是不同的,通常可以用σst1/σst2来描述金属在从温度t1降至温度t2时其屈服强度的变化程度。比值σst1/σst2都大于1。对20钢σs100/σs85约为1.1。管材通过第一对辊和第三对辊时的温度不同,管材材料的屈服强度也有所变化。在第三对辊中的管材材料的屈服强度相对于第一对辊中的管材材料的屈服强度要高一些。欲使处于两对辊中的管材产生同样大小的弹塑性变形,第三对辊对管材施加的作用力自然比第一对辊对管材的作用力大。3.2kk、kt3.的取值范围按上面确定的六辊矫直机的力学模型,根据六辊矫直机矫直原理;考虑矫直力的影响因素和2′辊对管材的压扁力不超过管材的弹性极限;并结合各辊矫直力间的平衡关系,可得各辊矫直力的计算式如下:F′1=0.86bδ2σsR(1)F′1=kΜtΜJ(2)F′3=ktkΜtΜJ(3)F1=kΡJ(Ρ-2J)ΜtΜ(4)F3=ktkΡJ(Ρ-2J)ΜtΜ(5)F2=F1+F3+F′2-F′1-F′3(6)F′1=0.86bδ2σsR(1)F′1=kMtMJ(2)F′3=ktkMtMJ(3)F1=kPJ(P−2J)MtM(4)F3=ktkPJ(P−2J)MtM(5)F2=F1+F3+F′2−F′1−F′3(6)式中b—钢管与压紧辊2′的接触长度,m;δ—钢管的壁厚,m;σs—钢管材料的屈服极限,MPa;kt—温度影响系数,kt=σst1/σst2;R—钢管外半径,m;Mt—管材的弹性极限弯矩,N·m;Μt=π4R3(1-α4)σsMt=π4R3(1−α4)σs;M—管材的反弯弯矩,N·m;J—接触区长度,m;t—辊矩,m;P—P=2t,m。上述(1)～(6)式是在近似取两端两对辊对管材压扁量相同的情况下得到的,式中的系数k是考虑被矫管材进入各对辊的辊缝中而形成了管材的反弯挠度后,两端辊1′、3′将对管材有补充压紧作用而引入的偏载压紧系数。根据对矫直力实测值的统计分析,建议k的取值范围在1.2～1.5之间。对大直径、厚壁、屈服强度大的钢管取大值,反之取小值。3.3矫直力的计算对矫直机矫直20钢Ø426mm无缝钢管的矫直力进行了计算,得出了矫直力的计算值;计算参数及计算结果见表1、表2,并与矫直力的实测值(表3)比较。为简单起见,计算中均取k=1.4;kt=σs100/σs85=1.1。4矫直力计算精度的提高(1)本文分析中,既把被矫管材看作带有原始弯曲的状态,又考虑了管材与矫直辊的接触长度和接触位置对矫直力的影响,基本上克服和弥补了矫直力计算中存在的不足,减少了由经验的估计所带来的误差;增强了矫直力的计算体系的理论性和严密性,使矫直力的计算体系与实际更为接近,矫直力的计算精度进一步提高。(2)由矫直力的计算值和实测值的比较可以看出,各辊矫直力均较为接近,其误差最大为10%,因此本文所建立的六辊矫直机矫直力的计算体系是符合实际的,应用