矫直机的设计计算参考.docx
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矫直机的设计计算参考
1、矫直机的设计
在板材的成型剪裁加工中，剪切下的余料尺寸大小不一，其中尺寸较宽者往往变形不太大，而且由于尺寸较大，故一般总是收起堆放以留作后用。
而其中尺寸较小者，尤其是宽度在200ram以下者，往往产生不同程度的弯曲、瓢曲、浪型及镰刀弯，没有专业设备将其矫平矫直（现有矫直机都是大型和中型尺寸的，最小矫直宽度在lO00rnm以上），大多作为废料处理，造成很大浪费。
笔者诃查了这一生产现状，并应有关企业的要求设计了一种专门矫直矫平小尺寸边角余料的小型矫直机。
投入使用后．这些余料又可作它用，减小了材料的大量浪费，为企业节省了开支，大大降低了生产成本。
1.1矫直原理分析
板材在辊式矫直机上的矫直过程，实质上是板材通过娇直辊时，产生弹塑性变形的过程，
1
假设有原始曲率为1的板材通过如图1所示的三个矫直辊，，由于上排的矫辊的下压作
r0用，使板材向其相反的方向弯曲，此时板材产生的曲率称为反弯曲率1．而板材离开
1
矫辊后经弹性变形恢复后的曲率1称为，残余曲率，显然，弹性恢复曲率（简称弹复曲
r
率）1应为反弯曲率和残余曲率的代数差。
111即1=1一1
（1）pr由上式可见，yyr0
要使原始曲率为1的板村通过这三个矫直辊矫平（即使残余曲率1=0。
），必须使所
r0r0
选择的反弯曲率等于弹复曲率。
即1=1
（2）图1板材在矫辊作用下的曲率变化y
这就是板材矫直的基本原则。
弹复曲率1与材尺寸、材质丑原始曲率有关。
具有单值
y
原始曲率的板材，当由矫辊施加适量反弯曲率反向弯曲后，
1112M3121对于矩型断面的板材可以由（3）式算出：
=Ehh322h/（r0
式中^M2v——纯弹性弯曲力矩
E——材料弹性模量b——板料宽度h——板料厚度
s——板材的塑性应变
求出式中1的值，即为所需的反弯曲率。
在上文所说的边角余料板材中，其形状缺陷大多具有多值原始曲率一般对其先采用多辊矫直加压，使之产生交变弯曲变形，以消琮其原始曲率的不均匀率，再逐渐矫平。
板材上不同方向、不同数值的原始曲率，经过同个反弯曲率舶弹塑性反弯后，其残余曲率有趋向一致的特性，形成单值残余曲率，进而矫平．辊式矫直机就是利用这一原理矫平板村的
第二节矫直机的结构设计板材辊式娇直机的结构参数包括辊径D、辊距t、辊数，运动参数主要是矫直速度仉其中最主要的参数是D和t，它们对板材的矫直质量有重要影响。
辊径D，辊距的选择矫直的基本条件是要使板村产生弹塑性弯曲变1形。
对板材矫直机．前面几个矫辊的反弯曲率1必须满足下列条件：
1>12s（4）式中：
1wEhw
—弹塑性弯曲的最小弹复曲率s——材料的屈服报与板材的材质、截面尺寸密
切相关。
而叉取决于辊径D及辊距t．而D和t之间是有一定的比倒关系的。
一般情况下扳材的b越丈，板厚h越薄．板材原始变形越太，都应选较小的D和t。
通常一台矫直机上要矫直一定厚度范围内的板材．当按最薄材厚度选择．D和f后应按
被矫直的最大厚度的板材对娇辊进行强度校拔。
当被矫正扳材的厚度为3～8mm用（户提
出的要求）时，根据有关标准初选D=125，t=120。
辊数n．增加n可增加反弯次数，提高矫正质量，但也会增加板材的加工硬化和矫直
的功率消耗，故其选择原则是在保证矫正的质量前提下，尽量减少n，根据有关资料选择n=9。
辊身长度L与扳材最大宽度有关．通常在被矫板材最丈宽度为200mm时，再加一适当余梧量。
我们选L=300o矫正速度v主要由生产率决定．与板材厚度、温度（热态或玲态）有关．我们根据文献1，选定矫正速度=0．3m/s
第三节矫直机的力能参数计算
作用在矫正辊上的压力处于矫正状态下的扳材可以看成是受很多集中载荷（矫辊对板材的压力）作用柏连续粱．如图2所示。
按图2所示，作用在各辊上的力可根据被矫件断面的平衡条件求出：
p1
2M2
t2
p2
2（2M2
t2
M3）
p3
2t（M2
2M3
M4）
pt
2
t（Mt1
2Mt
Mt1）
pn
2tMn1
作用在上、下排娇辊上的压力总和为
根据生产实际条件作出有关假设后．可算出作
用在上、下排矫辊上的压力总和为：
Ppi4（MsM）（n2）
1t
式中Ms——塑性弯曲力矩
M——屈鼹力矩
作用在矫辊上的矫正扭矩
矫辊上扭矩Mk可按功能原理来确定．即扳材弯曲变形所做的功Ap应该和矫正辊在矫正扭距作用下使板材前进所用的功Ak相同。
设在第i辊压力作用下，单位长度扳材的弯
111
曲变形总曲率为1．板村的力矩方程M=f
（1）,则其弯曲变形功为：
airMid
（1）如图3
所示，曲线包培的总面积是弹塑性弯曲变形功，A区是弹性度变形功，C区是弹复功
根据纯弯曲假设，板材通过矫辊受到弯曲时，沿板村长度各断面上的弯曲力矩值的大小只与曲率有关，而与板材长度无关对计算进行简化后，矫正力矩可由下式得出：
D11k
MktD2Mt（r1r12）式中k——弹复功系数yt——弹复区曲率
2rt1rt2yt
摩擦系数—矫辊轴承的摩擦系数d—矫辊轴颈直径—传动效率其余符号意义同前
代入有关参数后，计算出矫直机电机功率为8KW
第四节送料机构设计
一般中型矫直机大多采用工人手工喂料，这样劳动强度大、安全性差而且对于板材的纵向垂直断面（即送进方向）的弯曲没有任何矫直作用。
在矫直机的进料方向设计了一送料工作台。
由电机传出部分动力驱动送料机构，实现板材喂入的机械化。
此装置示
意如图4所示
电动机将一部分动力通过皮带轮传给减速箱．再通过齿轮传到两个定轴送料轮，送料轮周向是带槽的（板材刚好落在槽中）。
另有一根据赦矫直板材的宽度不同可调的移动送料轮。
其移动量可通过转动与固定螺母偶台的丝杆来实现。
当移动送料轮压紧板材后，在定轴送料轮的旋转作用下也跟着旋转，需要指出的是，送料槽面的线速度必须与矫直辊线速度相同。
这样有了送料机构，整个矫直机的工作效率大大的提高，同时送料轮对板材产生横向压力，从而矫正板材横向的弯曲变形，使板村的矫正质量得到很大的改善。
第四章平行辊式热矫直机的优化设计
第一节矫直机的分类
钢板在加热、轧制、热处理以及各种精整加工等加工过程中，由于塑性变形不均匀，加热和冷却不均来的产品常常产生不同程度的弯曲、瓢曲、波浪弯等塑性变形，使其内部产生残余应力。
为此，轧后钢材必须经过矫正，以达到国家规定的质量标准。
所以，要求一种专用的机械设备进行矫正加工，即矫直机。
对于不同品种规格的轧材，需采用不同结构形式和不同规格的矫直机。
所以矫直机的结构形式多，矫直方式也不尽相同，就其用途和工作原理可分为：
（1）压力矫直机；
（2）辊式矫直机；（3）管棒材矫直机；（4）张力矫直机；（5）拉伸弯曲矫直机；（6）扭转矫直机。
各种矫直机的结构形式也千差万别，就是矫直同一类产品，由于规格的不同也会有不同的结构。
甚至用于同一规格的产品也有不同的结构设计，一方面是因为对性能要求的不同，另一方面是由于设计人员的不断改进、完善。
设计人员在进行结构设计时的矫直理论依据是相同的，同时扎件在矫直过难于进行精确的计算分析。
因此，设计过程是护功能弱，是造成重大提升事故的重要原因。
改造后系统利用高速计数模块对编码器的双向脉冲进行计数，经处理后得出提升容器位置和运行速度，除进行深度和速度指示外，还进行提升过卷、提升过速等与深度及速度有关的保护。
1.2设计优化
本文就某钢厂热轧板材矫直机进行分析计算。
热轧分卷机组是热连轧车间精整区的重要机组，它所起的作用是将热轧后的带钢卷分成数个小卷，以便符合客户的条件。
五棍热轧板材矫直机是该机组的主要设备之一，以下就该设备的设计过程及其安装调试中出现的故障进行说明。
热轧板材矫直机采用平行辊式结构，针对热轧板材厚度偏大，相对精度要求低的特点，粗轧时采用单层辊，对于不同的板材，选择不同的辊径、辊身长度、辊距和轧辊数量，矫直速度也根据板材的规格和产量要求而定。
该设计针对的板材参数如下：
板材的宽度b=800～l400mm；板材厚度h=1．5～l2mm；板料的材料屈服极
限d。
=490MPa。
参考板材弯曲变形时的曲率半径
120Eh
式中E——材料的弹性模量。
从式
（1）可见，当材质一定时，弹性模量和屈服极限为常量，而h愈小，反弯曲半径p也
愈小，相应的辊径、辊距就愈小。
由于设计矫直机所能矫正的板材厚度有一定的范围，所以设计时可按照所能矫直的最薄板材确定轧辊直径D及轧辊之间的距离t，最后一定要用板材最大厚度校正轧辊的强度。
以下说明了该矫直机的主要参数设计程序。
计算轧辊直径D
为了确保轧件反向弯曲得到比原始弯曲曲率l／p更大的曲率，D取值要小些，取D=pl1．25。
由式
（1）可得
辊距t的计算
辊距t的选择对矫正质量有着重要的影响。
确定辊矩t时，既要考虑到钢材的矫正质量，也要考虑辊子的强度条件。
最小允许辊距tmax受到强度条件的限制，最大允许辊距tmin则受矫正质量的限制。
根据公式t=D=300mm式中——比例系数，薄板取=0．9～0．95；中厚板取=0．7～0．9，此处取=0．87。
辊身长度L的计算
按照一般板材矫正要求，辊身长度取值比板材最大宽Bmax大100～300mm，即L=Bmax+（100～300）mm此处因对板材的找中控制水平的提高，辊身长度L取l530mm，比板材加宽130mm.
轧辊数量的计算
增加辊子数目意味着增加金属的反弯次数，同时有利于提高矫正质量，但也增加了金属的加工硬化程度和矫正功率。
因此，根据对板材质量的具体要求而定，在能满足矫正质量要求的前提条件下，尽量使辊子数量减少。
这样也会使结构简单，制造成本降低。
因此，参照板材的宽厚比（即b／h），辊数取为5个。
机组速度机组速度主要根据生产率确定，同时还应考虑到被矫正产品的种类、温度等因素。
一般来说，矫正0．5～4mm的板材取矫直速度为6～0．5m／s；矫正4～30mm的板材矫直速度取为l～3m／s。
本机组取为6．7m／s（板厚为1．5～4．5mm）和4．5m／s（板厚为4．5～l2．7mm）2种可调速度。
矫正辊的压力
矫正时作用在矫正辊上的压力P可利用被矫正板材所需的弯曲力矩来计算。
根据公
式P=53（n
22
2）0bh以及Pmax=20bh可求出所有辊子的总合力P及第3辊承受的最大
压力Pmax
，式中相关的参数取值可参见前面部分。
结果由式（4）可得总合力为1．9×10
N，由式（5）可得最大压力为7．5×105N。
辊式矫直机传动功率计算
传动总功率由3部分组成：
（1）使钢材产生塑性变形的矫正力矩所需的矫直功率
N10K0vbh其中K。
=2．5；b=l400mm；h=12mm；E=2.1×105Mpv=4．5m／s。
204E
（2）辊子沿钢材的滚动摩擦力矩造成的功率消耗N3Pmn式中m——辊子与钢材3975000
的滚动摩擦系数，m=0．8mmn——辊子的转速，n=60v=330r／min（3）辊子轴承的
D
摩擦力矩造成的功率消耗N2Pdn式中——辊轴轴承摩擦系数=0．005（滚
22975
子轴承）；d——矫正辊辊颈直径，d=0．1675m。
经计算得总功率：
N=N1+N2+N3=199.3kw。
板材由开卷机开卷后，通过穿台机进人人口夹送辊，之后经侧导板使板材沿中心线运行，可使矫直辊的长度缩短。
矫直机采用框架式焊接结构，相应地在保证刚度的前提下减轻了整机的重量，缩短了制造周期。
根据每个辊子压下量的不同，采用了小变形量矫正方案，所谓小变形量矫正方案即假设矫直机上排工作辊每个辊子均可单独进行调整，且每个辊子压下量的调整原则是使进入该辊的钢材经过反弯和弹复之后，其最大原始曲率应该完全消除。
下三辊在同一个轴承座，上辊分别调整的结构，由此保证板材矫质量。
矫直辊采用鼓形辊，即辊面为弧线状，以保证矫直过程中矫直辊变形后，辊面与板材仍为直线接触。
每个上辊的压下量调整使用电动微调，而大行程的升降调整是由2个液压缸分别提升两侧的轴承座。
为保证两侧能够平行升降，采用了同轴齿轮齿条平行机构，压下量数据是由脉冲发生器反馈到控制台，实现自动设定调整。
机架的上横梁也是压下涡轮蜗杆减速机的箱体。
2、矫直机基本参数的计算
2.1辊距的确定
为了满足矫值一定范围厚度的钢板，钢板辊式矫直机的辊距t的选择，既要保证最薄的钢板矫直质量，又要保证最厚钢板时矫直辊的强度。
为了便于按钢板规格选择矫值机的辊距，通常在矫值机的参数列表中列出了矫直机轧件规格性能的综合参数——最大负荷特性W，然后根据W值查表1和表2，即可选择所需要的辊距t。
最大负荷特性可用下式计算：
=50010650022
=11012Nm
式中——s轧件的屈服极限
s
bmax——轧件的最大宽度
hmax——轧件的最大厚度
钢板矫值机的辊距t也可以按下列经验公式进行计算确定：
对于中厚板t=（10～15）hmax
对于薄板t=（20～45）hmax
式中20～45，10～15是系数，钢板厚度小者取上限，大者取下限。
根据设计要求
本设计的辊距t取值为:
t=64mm
验算此值的正确性如下：
tmax的确定
按矫正质量条件
tmax=hE/3s
其中=500MpaE=2.1105N/m2s
取=0.95tmax=240h
=2402=480mm
应力条件
=0.592
（2.1105）2
0.955582.1105
=0.0175mm
式中E1=E2=2.1105h=2
第二节强度条件计算
（1）辊颈扭转强度条件
tmin=2.17h3bh
=27.34mm
2）连接轴强度条件
tmin=2.88h3bh
=2.8823500
=36.28mm
经验证t=90mm是正确的。
辊径的确定
钢板辊式矫直机的辊径D可按下列经验公式选取：
薄板矫值机：
D=（0.9～0.95）t
取D=0.8t
0.840
=32mm
根据要求取整数D=60mm
对钢板辊式矫直机，辊数n随钢板宽度比b/h的增加而增加。
因为钢板宽厚比越大，其浪形弯曲越显著，需要经过多次反复弯曲才能保证矫直质量，因而钢板矫直机辊数较多，会使矫直机过于庞大，增加功率消耗。
因此，在满足钢板矫直质量的前提下，应尽量较
少辊数n。
一般钢板矫直机的辊数可按下表选取：
钢板厚度（毫米）
辊
数
0．25～1·5
29～19
1．5～6.0
17
～11
6.0～50
9
～7
第三节矫直速度钢板矫直机的矫直速度取决于生产率钢板厚度和矫直温度，一般热矫时，矫直速度大些，冷矫时则小些；薄规格矫直速度大些，厚规格则小些。
设置在连续作业线上时，矫直机速度要与机组速度相适应。
钢板矫直机速度v的范围如下：
钢板冷矫直机：
v=0.06～6.0m/s
钢板热矫直机：
v=0.3～1.35m/s
常用钢板矫直机速度参考下表：
常用矫直机速度
矫直
种类
钢板尺寸（毫米）
矫直速度（m/s）
厚度
宽
度
冷
0．2～2
500～1500
2～6
1～4
500～
2000
0．3～4
4～10
500～1500
0．15～0．3
矫
10～20
1500
～2500
0．1～0．15
20～32
2000
～4000
0．06～0．1
热
4～25
1000
～2600
0．45～1．35
矫
25～50
1000
～4000
0．3～0．8
由上表和年产量150万吨及全年维修时间等因素可以选择设计的矫直速度v＝0.3～0.8m/s
第四节辊身的长度及力能参数的计算
钢板矫直机的辊身长度l主要取决于轧件的最大宽度bmax，辊身长度可由下列经验公式确定：
l=bmax+（100～300）mm
由于所给参数中钢板的最大宽度bmax=500所以应选择
l=600mm
平行辊矫正机矫正力
在平行辊矫直机上轧件的矫正状态，如图“作用在矫正辊子上的压力”所示，
作用在矫正辊子上的压力图
作用在辊子上压力可根据各断面力矩平衡条件求得，结果如下：
p1=2M2/t
p2=2[2M2+M3]/t
p3=2[M2+2M3+M4]/t
p4=2[M3+2M4+M5]/tpi=2[Mi-1+2Mi-Mi+1]/t
作用在上下辊子上的压力之和为
上列各式表明，欲求得作用在辊子上的压力，必须事先确定各辊子处轧件的弯矩值。
弯矩值决定于弯曲变形量的大小，即决定于原始曲率与压下挠度曲率（反弯曲率）之和相对一定条件而精确计算出弯矩值县很困难，通常采用一些简化方法。
平行排列辊式矫直机矫正力的计算
这种矫直机主要用于矫直中厚板。
通俗是第1辊和第n辊为单独调整，其余的为集
体调整。
因此，除第2辊和第n—1辊外，中间各辊的弯曲力矩可认为是相同的，故弯曲力矩之和为
n1
Mi=M2+M（n-4）+Mn-1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.（4）
2
考虑到原始曲率较大，第2辊的弯曲力矩M2可按Ms计算，故矫正力之和为
n
pi=[Ms+M（n-4）+Mn-1]8/t⋯⋯⋯⋯⋯⋯（5）
1
令：
M=aMs,Mn-1=an-1Ms
上式可写为
85
=8[1+0.88（7-4）+.84]2.5105
40
=2.24105N
式中Ms=bhs
4s
=2.51011Ma
a与an-1分别为中间各辊弯曲力矩与Ms的比值和第n一1辊弯曲力矩与Ms的比值，二者数值的大小决定于中间各辊所调整的弯曲程度，一般取值为a＝o．88，an-1＝o．84。
因此平均轧制力的大小为P=2.2410=0.32105N
7
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