六輥2-2-2型鋼管矯直機矯直力計算體系的建立

0矯直機力能參數(shù)的確定斜帶矯正機用于彎曲管道和圓形桿材料，并對旋轉(zhuǎn)螺母的各個方面進行多次彈塑性折疊，以最終改善螺釘?shù)膹澢群驼`差的橢圓度。斜輥矯直機按輥子的數(shù)量可分為二輥、三輥和多輥矯直機,其中七輥2-2-2-1型矯直機和六輥2-2-2型矯直機數(shù)量較多。隨著鋼管生產(chǎn)的發(fā)展,六輥2-2-2型斜輥矯直機因其具有以下優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用:采用上下輥均勻驅(qū)動,咬入條件好,不易擦傷鋼管表面,鋼管表面質(zhì)量好;上下配置的矯直輥之間的壓力很大,對鋼管的橢圓度有矯正作用,且鋼管在矯直輥作用下產(chǎn)生彈性壓扁,使“鵝頭彎”得到矯直或減輕。準確確定矯直機力能參數(shù)的關(guān)鍵是矯直力的計算。而計算矯直力的先決條件是必須確定鋼管在矯直時產(chǎn)生的彎矩M。欲正確確定鋼管的彎矩M,必須正確區(qū)分鋼管矯直時的彈塑性變形區(qū)。使用彈性區(qū)比這樣一個相對量作為劃分彈塑性變形區(qū)的參數(shù)Z。因此,計算矯直力的問題集中在參數(shù)Z的確定上,而確定方法的難易及其精度的高低是由鋼管在矯直狀態(tài)下的力學(xué)模型與實際情況的吻合程度決定的。本文僅就建立一個與實際相吻合的力學(xué)模型及與之相對應(yīng)的矯直力的計算體系進行初步探討。1矯直力的參數(shù)分析矯直力往往是依據(jù)鋼管矯直時所受到的最大彎矩Mmax來確定的,顯然按照這種方法計算出的矯直力與實際運行中產(chǎn)生的矯直力相比是偏大的。雖然在設(shè)計矯直機時偏于安全,但是在分析和研究矯直過程的狀況時,若用這種方法則誤差較大,與實際矯直情況的吻合程度較差,不能準確反映矯直機的實際狀況。還有一種方法是按照矯直鋼管的彎矩分布情況,通過迭代逐段求出彈性區(qū)比。雖然此種方法精度較高,但是計算求解過程比較繁瑣、復(fù)雜,不適宜現(xiàn)場使用。因此,建立一種既能保證計算精度,又簡單實用的矯直力計算體系,對準確確定矯直力能參數(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用有很大的意義。為計算矯直力能參數(shù),需要確定一個較符合實際的矯直力學(xué)模型。六輥2-2-2型矯直機在矯直鋼管時,鋼管與矯直輥間的相互作用情況非常復(fù)雜,不僅牽涉到金屬彈塑性彎曲過程中復(fù)雜的物理因素,而且還有作用力間的相互關(guān)系。鋼管除受到矯直輥的彎曲作用力外,還要受到其輾壓、扭轉(zhuǎn)和摩擦作用力。因此,為簡化計算過程,須對其受力狀況進行必要的簡化。鋼管抗彎能力在全圓周上的一致性,造成圓材彎曲方向的隨機不定。采用平面多輥矯直法對鋼管進行矯直,很難得到滿意的矯直效果。如果能一面旋轉(zhuǎn),一面進行反彎矯直,正好可以得到全圓周的矯直效果。實踐證實了這一設(shè)想的正確性。同前面所述的道理一樣,鋼管縱向金屬纖維經(jīng)受較大的彈塑性變形之后彈復(fù)能力逐漸趨于一致。各條金屬纖維都經(jīng)過一次以上的由小到大,再由大到小的拉壓變形,由于圓周彎曲狀態(tài)不同而受到的變形量互有差異,但只要變形都是較大的,則彈復(fù)能力就必將是接近的。這種變形反復(fù)次數(shù)越多,彈復(fù)能力越接近一致,矯直質(zhì)量越好。六輥2-2-2輥系的配置以及受力分析如圖1(a)所示。中間一對矯直輥可以上下調(diào)節(jié),形成較長的接觸區(qū)。兩端各有一對矯直輥,上輥調(diào)節(jié),下輥固定,同時兩端的這兩對矯直輥對鋼管有一定的固端作用,對鵝頭彎起到一定的矯直作用。每對矯直輥相對應(yīng)壓緊鋼管,對鋼管產(chǎn)生彈性壓扁作用。鋼管的彎曲常常伴有橫斷面的橢圓變形,其彎曲方向與橢圓的短軸方向一致,如圖2所示。當這種彎曲的鋼管進入矯直輥,橢圓的長軸(A-A方向)將被壓扁,短軸(與A-A方向垂直)方向的管壁被壓彎向兩側(cè)外凸,同時變直,這就是壓扁作用的矯直。管壁越薄,矯直效果越好。各個矯直輥的受力均按一個或者兩個集中力進行簡化。壓扁力計算只須考慮薄壁管,因為厚壁管的圓度易于保持,不易產(chǎn)生較大壓扁。1)計算總矯直力和鋼管極限彎矩根據(jù)壓扁力分析確定矯直輥的矯直力。從圖1(a)中的壓緊區(qū)域中取出一段圓環(huán),再從圓環(huán)上取出1/4的環(huán)壁,如圖1(b)所示。設(shè)管環(huán)與矯直輥的接觸寬度為b,壁厚為δ,環(huán)端面的剪切力平均分布。根據(jù)鋼管彎曲變形的內(nèi)力平衡,推導(dǎo)得到最大的彈性壓扁力為:根據(jù)圖1(a),利用力矩平衡求出各個矯直輥的矯直力(單位N):在計算中,管環(huán)與矯直輥的接觸寬度b很難確定,在設(shè)計矯直機時,b可取(0.1~0.2)L?？偝C直力計算公式為:式中η——矯直機總效率,最高可取0.95;Nm——摩擦功率,kW;k——修正系數(shù),一般取1.1~1.4;f——滾動摩擦系數(shù),常規(guī)取0.001,m;d——軋輥軸承處摩擦圓直徑,一般取0.5Dg;μ——軸承摩擦因數(shù),通常取0.01;vx——鋼管矯直速度,m/s;ζ1、ζ2——彎曲程度系數(shù),ζ1=0.5,ζ2=ζ1×R1/R2;R2——鋼管外徑,mm;E——鋼管彈性模量,MPa;2編制軟件界面利用MatLab軟件對六輥2-2-2輥系矯直機的矯直力以及矯直功率進行編制軟件,輸入相應(yīng)數(shù)據(jù),利用軟件進行計算,軟件界面如圖3所示。3mat-ldb矯直機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的確定A廠使用的六輥2-2-2型鋼管矯直機,其中輥距t=1220mm,矯直輥直徑Dg=196mm,鋼管壁厚3mm,屈服強度400MPa,輥身長度310mm,矯直速度2m/s,矯直的鋼管直徑D=25~60mm,電機功率2×11kW。利用MatLab軟件計算A廠六輥2-2-2型鋼管矯直機的電機容量以及矯直力,在輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)后,得到計算結(jié)果如下。輸入數(shù)據(jù):軋輥直徑196mm輥距1220mm鋼管壁厚3mm鋼管屈服強度400MPa鋼管彈性模量210000MPa矯直力F141.0177kNB廠的六輥2-2-2型鋼管矯直機,矯直的鋼管直徑為13~65mm,壁厚6mm,可矯鋼管的最大規(guī)格為75mm×5mm,屈服強度σs=400MPa,矯直速度1.25m/s,軋輥尺寸Φ225mm×535mm,輥距t=1200mm,電機功率2×12kW。利用MatLab軟件對該矯直機的電機容量以及矯直力進行計算,在輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)后,得到計算結(jié)果如下。輸入數(shù)據(jù):軋輥直徑225mm鋼管壁厚5mm鋼管彈性模量210000MPa矯直力F196.0839kN矯直力F384.3355kNA廠計算的電機功率為14.68kW,實際應(yīng)用的矯直機的功率為2×11kW。B廠計算的電機功率為17.56kW,實際的電機容量為2×12kW。通過比較A廠與B廠的電機功率可以看出,計算結(jié)果與實際的電機功率比較接近,符合實際結(jié)果。由于計算功率沒有考慮電機的過載、卡鋼以及鋼管咬入等問題,因此實際應(yīng)用的電機功率要比計算的大一些,以保證生產(chǎn)安全。4鋼管直徑、尺寸通過采用MatLab軟件進行計算可知:六輥2-2-2型鋼管矯直機力能參數(shù)的計算結(jié)果十分接近實際應(yīng)用情況,可對開發(fā)新型鋼管矯直機和矯直機設(shè)計起指導(dǎo)及參考作用。式中t——輥距,mm;S——接觸區(qū)長度,mm;L——軋輥輥身長度,mm;αmax——軋輥傾角的最大值,(°);D——鋼管直徑,mm;Mt——鋼管彈性極限彎矩,N·m;a——鋼管內(nèi)徑與外徑之比;R1——鋼管外半徑,mm;σs——鋼管的屈服強度,MPa;——鋼管彈塑性比,鋼管一般取1.3。2)電機功率NDg——矯直輥直徑,mm;α——軋輥傾角,(°);Nx——旋轉(zhuǎn)功率,kW;Nxw——旋轉(zhuǎn)彎曲功率,kW。矯直速度2m/s鋼管長度310mm鋼管外徑63mm輸出數(shù)據(jù):矯直力F1′19.8819kN矯直力F246.0978kN矯直力F2′3.8263kN矯直力F16