大型水平下调式三辊卷板机的设计与研究

大型水平下调式三辊卷板机的设计与研究

三叶辊水平编辑机具有一次上下振兴功能，可完成板材端部的预弯，板材圆，剩余直边小，加工效率高。这是造船、锅炉、石油、航空、机械制造行业所需的最重要设备。目前,随着制造业的迅速发展,现有卷板机的加工能力已远远不能满足实际生产的需求,而且对工件表面精度的要求也越来越高,因此,设计特大型、表面精确控形的新型卷板机已成为急需解决的问题。本文基于以上特点,开发设计了特大型水平下调式三辊卷板机(卷制力1400T)。现以250mm×3000mm、加工直径Υ6000mm型水平下调式三辊卷板机为例,介绍了其结构设计及力学分析11卷架的结构1.1上辊与上辊间的变形特大型水平下调式三辊卷板机主要由上辊、下辊和支承辊组成,其结构简图如图1所示。其中,上辊是主动辊,可上下移动,下辊是被动辊,而支承辊起分担下辊载荷作用。当板料送入上下辊之间时,上辊先垂直往下移动,直到与板料接触时,产生向下的压力F1,并带动下辊一起转动。当板材通过上辊的下方(即变形区)时,F1产生的正应力超过材料的屈服极限,使板料产生塑性变形。并且,随着辊子的旋转,钢板外层纤维被拉伸,内层被挤缩,中性层基本不变,从而加工成一定曲率半径R(圆弧)的工件。1.2总驱动作用风速上辊最大压力40000kN,上辊直径1400mm,下辊直径800mm,最大卷板宽度3000mm,最大卷板厚度250mm(σs≤300MPa),最大卷筒直径6000mm,上辊升降行程400mm,卷板速度2.0m·min-1,总装机容量360kW。另外,在计算总驱动力矩MP时,将克服板材变形的扭矩Mn1、消耗在摩擦阻力上的力矩Mn2(即上下辊与钢板间的滚动摩擦力矩)和消耗在辊子轴承上的摩擦力矩Mn3求和获得。并且,为保证卷制顺利进行,以卷板过程辊子与钢板之间不打滑为准,板料是依靠滑动摩擦力推进的,使设备送料所需的力矩为:MP≥Mn1+Mn2+Mn3。1.3结构尺寸意思表示上辊是大型卷板机的关键承载部件,也是易失效零件,其结构尺寸示意如图2所示。加工(圆弧)工件时,上辊先快速垂直往下运动,直到与工件接触时,承受工件(即钢板)产生的反压力及电机施加的旋转驱动力的复合作用。2内驱动器的力学分析2.1钢板的受力分析以卷制板厚200mm、板宽3000mm、直径Υ4000mm、屈服强度≤300MPa的钢板为分析对象,确定加工过程所需最大卷制力时,钢板所受的应力全部达到屈服极限,钢板获得了沿全长的塑性变形,故按照材料纯塑性变形来考虑,并且将作用在钢板上的载荷视为集中载荷F1(即卷制力),从而把钢板视为一个简支梁,其受力分析如图3所示。则F1对钢板产生的弯矩为:式中:M(X)为集中载荷F1作用下钢板产生的弯矩;L′为上辊与两下辊接触点间的距离,具体尺寸如图1所示。F1对钢板产生的最大弯矩为:式中:Mmax为载荷F1作用下钢板产生的最大弯矩。考虑到材料在加工过程中的各项变形特性,上式可变为:式中:为钢板的形变系数;δ为被加工钢板的最大厚度;r0为加工件中心层圆半径;K1、K0为实常数,分别取1.5和10.0。而由弯矩产生的应力为:式中:σc为最大弯矩Mmax产生的应力;W为钢板的抗弯截面模量。将公式(4)代入公式(3)得:式中:σs为被加工钢板的屈服极限;b为被加工工件的宽度。由此可知,当工件材质一定时,F1的大小只取决于工件的厚度δ与宽度b及卷筒半径r0。2.2利-里兹方法的变能方法以上辊为分析对象,结合实际受载情况,将F1视为作用于上辊的一个受均布载荷q的简支梁,力学分析模型如图4所示,采用瑞利-里兹方法求上辊的最大挠度。取单参数形状函数作为近似挠度曲线,其方程为:式中:f为上辊的挠度(mm);V为距离X长度处的形状函数值。根据梁的应变能表达式:式中:EI为梁抗弯刚度;V″为形状函数的二阶导数;U为简支梁的应变能。另外,上辊载荷所做的功为:联合公式(7)与公式(8)可得上辊的势能为:按最小势能公式:从而得到上辊的最大挠度f=fmax。2.3均布载荷和扭转作用上辊材料为42CrMo,弹性模量220GPa,泊松比0.29,屈服强度1080MPa,属于轴对称结构,工作过程承受3300kN·m-1的均布载荷和3200t·m的扭转作用。其强度校核结构简化如图5所示。首先作出弯、扭矩简图,如图6所示,再针对最大弯矩截面和各台阶端面,计算出危险截面,然后利用第三强度理论作弯扭合成强度校核其计算应力:式中:σca为辊子的计算应力(MPa);σ为弯曲应力;τ为扭转切应力;Wt为抗弯截面系数。最后将σca的计算结果与许用应力[σ-1]作比较,只要达到条件σca≤[σ-1],则上辊设计强度满足工件使用强度要求。3提高卷板机的加工能力(1)开发设计了一种能卷制板厚δ为250mm、板宽b为3000mm、加工直径Υ6000mm的特大型水平下调式三辊卷板机,成功解决了普通卷板机规模较小、加工能力低下的弱点。(2)基于材料弹塑性变形规律,利用材料力学理论对板材卷制过程中卷板机的受力状况进行分析与研究,并建立其力学