基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法

技术领域

本发明属于带钢精整与处理技术领域，尤其涉及一种基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法。

背景技术

经冷轧机组轧制后的带钢，必须经过精整处理加工，才能得到高质量的合格产品。精整处理是成品带钢的最后一道工序，因此不得产生新的缺陷，带钢表面不准产生擦划伤和塑形变形。精整机组主要进行剖分、拉矫、重卷、切边、表面检查、涂油等工序。

精整机组在拉矫生产时，多采用拉伸弯曲矫直机，主要用于消除带材的不良板形，例如双边浪、单边浪、中间浪、两肋浪、翘曲及瓢曲和潜在板形不良等，从而使整个带材表面平整、光洁。

拉伸弯曲矫直机多为两弯一矫结构，根据材料的弹塑性延伸理论对带材进行矫直。矫直张力使带材产生一定变形，该变形为弹性变形，带材在矫直张力作用下连续通过两个弯曲单元，使带材沿长度方向产生塑性变形，并形成一定的延伸率，同时矫直单元用来补偿由于张力和弯曲单元共同带来的残余弯曲，从而减少带材内部纵向内应力分布的不均匀性，改善带材的平直度。

辊系刚度不够时，其弹性变形会使弯曲单元压下量横向分布不均匀，使带材沿长度方向产生的塑性变形横向分布不均匀，从而影响带材延伸率横向分布的均匀性，影响带材平直度的横向均匀性。

因此，为了提高拉矫后带材延伸率和平直度的横向均匀性，就需要辊系具有一定的刚度，弹性变形要控制在一定的范围内，急需研发基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机延伸率差值横向分确定方法。

发明内容

为了克服辊系刚度不够时，其弹性变形会使弯曲单元压下量横向分布不均匀，使带材沿长度方向产生的塑性变形横向分布不均匀，从而影响带材延伸率横向分布的均匀性，影响带材平直度的横向均匀性的问题，本发明提供一种基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，本发明通过设计合适的辊系刚度，提高带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

本发明采用的技术方案为：

基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，包括以下步骤：

第一步，选择已知参数，包括左右压下支点的间距L

第二步，针对工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角α、中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角β、中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角γ，设定初值：α＝α

第三步，根据第一步和第二步中的各个已知参数计算上辊系弹性变形量横向分布F

第四步，根据第一步和第二步中的各个已知参数计算下辊系弹性变形量横向分布F

第五步，根据第三步和第四步的计算结果，确定带材反弯曲率横向分布

第六步，计算带材延伸率横向分布ε

第七步，根据第六步得到的带材延伸率差值最大值Δε

第八步，通过得到的延伸率差值最大值Δε

所述的第三步中，采用分割模型影响函数法进行计算上辊系弹性变形量横向分布F

上辊系弹性变形量横向分布F

然后进行假设：假设一、支撑辊的弯曲挠度假定等于0，只考虑支撑辊的挤压变形；假设二、将多根短支撑辊等效为一根长辊；然后进行以下步骤：

1)单元划分

带材划分为n段；在支撑辊辊身长度范围内，中间辊划分为m

2)挠度求解

1#辊在1#辊与2#辊截面中心点连线方向上的第i单元的挠度f

式中，α

当y

当y

其中，C

y

L

v

—1#辊第i单元的轴线刚性位移；

其中，C

Δy

p

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；

q

2#辊在1#辊与2#辊截面中心点连线方向上的第i单元的挠度f

式中，α

当y

当y

其中，C

y

L

v

—2#辊第i单元的轴线刚性位移；

其中，C

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

q

3)辊间变形协调方程

1#辊与2#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

—1#辊与2#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁影响系数；

其中，ν

E

D

1#辊与2#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

f

1#辊的力与力矩平衡方程为：

q

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；

p

2#辊的力与力矩平衡方程为：

q

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

2#辊与4#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

φ

其中，ν

E

D

2#辊与4#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

2#辊与5#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

φ

其中，ν

E

D

2#辊与5#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

4)联立求解

联立式(3)～(14)，共n

从而求解得到在垂直方向上的上辊系弹性变形量横向分布F

F

式中：f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角。

所述的步骤4)中上辊系弹性变形量横向分布F

步骤1，给定单位宽度矫直应力横向分布p(y)；

步骤2，假设单位宽度辊间接触应力分布q

步骤3，计算辊间弹性压扁影响系数φ

步骤4，求解线性方程组，得到新的单位宽度辊间接触应力分布

步骤5，判断判别式

步骤6，令

转到步骤(3)；

步骤7，令

上述步骤中，p(y)为单位宽度矫直应力；

q

q

q

所述第五步中，带材反弯曲率横向分布

上、下辊系弹性变形量横向分布引起的带材反弯曲率横向分布为：

式中：F

F

t为辊距；

D

所述第六步中，带材延伸率横向分布ε

式中：

h为带钢厚度；

p

σ

为带材第i单元的反弯曲率。

带材延伸率差值最大值Δε

Δε

式中：ε

ε

本发明的有益效果：

本发明中，通过计算辊系弹性变形量横向分布，得到其对带材延伸率差值横向分布的影响。可以指导拉伸弯曲矫直机辊系刚度设计，使计算得到的延伸率差值横向分布在延伸率控制精度以内，从而，提高带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是延伸率差值横向分布计算流程图。

图2是拉弯矫直机辊系布置图。

图3是拉弯矫直机辊系受力图。

图4是工作辊、中间辊和支撑辊之间角度关系。

图5是辊系弹性变形量横向分布计算流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

实施例1：

为了克服辊系刚度不够时，其弹性变形会使弯曲单元压下量横向分布不均匀，使带材沿长度方向产生的塑性变形横向分布不均匀，从而影响带材延伸率横向分布的均匀性，影响带材平直度的横向均匀性的问题，本发明提供如图1-图5所示的一种基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，本发明通过设计合适的辊系刚度，提高带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

本发明中，如图1所示，基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，包括以下步骤：

基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，包括以下步骤：

第一步，选择已知参数，包括左右压下支点的间距L

第二步，针对工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角α、中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角β、中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角γ，设定初值：α＝α

第三步，根据第一步和第二步中的各个已知参数计算上辊系弹性变形量横向分布F

第四步，根据第一步和第二步中的各个已知参数计算下辊系弹性变形量横向分布F

第五步，根据第三步和第四步的计算结果，确定带材反弯曲率横向分布

第六步，计算带材延伸率横向分布ε

第七步，根据第六步得到的带材延伸率差值最大值Δε

第八步，通过得到的延伸率差值最大值Δε

本发明通过计算辊系弹性变形量横向分布，得到其对带材延伸率横向分布的影响。可以指导拉伸弯曲矫直机辊系结构设计，使计算得到的延伸率差值最大值在延伸率控制精度以内，从而，提高带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

采用本发明提供的方法计算得到的数据应用在实际的矫直机辊系结构设计中，使得矫直机作业出的板带拉矫效果良好，延伸率控制精度满足要求，质量完全合格，有效的提高了板带的成材率。

本发明是研发基于辊系弹性变形的拉伸弯曲矫直机辊系结构设计方法，通过设计辊系结构，获得合适的辊系刚度，从而提高矫直后带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的第三步中，采用分割模型影响函数法进行计算上辊系弹性变形量横向分布F

在拉矫生产过程中，弯曲单元、矫直单元的弹性变形直接决定了负载辊缝的形状，影响着拉矫后的板形质量，因此，计算辊系的弹性变形很有必要。现有的辊系弹性变形计算可分为三类：整体模型解析法、分割模型影响函数法及数值计算方法。本发明采用分割模型影响函数法进行计算。

本发明中，如图2所示，图中的附图标记1为工作辊也是1#辊，附图标记为2的是图2中左边的中间辊，也是2#辊；附图标记为3的是图2中右边的中间辊，也是3#辊；附图标记为4的是图2中右边的支撑辊，也是4#辊；附图标记为5的是图2中中间的支撑辊，也是5#辊；附图标记为6的是图2中左边的支撑辊，也是6#辊。

本发明中，拉弯矫直机辊系布置如图2所示，辊系受力如图3所示，工作辊、中间辊和支撑辊之间角度关系如图4所示。序号1是工作辊，序号2和3是中间辊，序号4、5和6是支撑辊。然后可根据如图2所示的拉弯矫直机辊系布置图，对上辊系弹性变形量横向分布F

如图2所示，采用的拉弯矫直机辊系包括一个工作辊1，两个中间辊和三个支撑辊，工作辊1设在左边的中间辊2和右边的中间辊3之间，且工作辊1的中部高于两个中间辊的顶部；三个支撑辊支撑在两个中间辊的下方，中间的支撑辊5支撑在两个中间辊之间，左边的支撑辊6支撑在左边的中间辊3一侧，右边的支撑辊4支撑在右边的中间辊2一侧；

然后进行假设：假设一、支撑辊的弯曲挠度假定等于0，只考虑支撑辊的挤压变形；假设二、将多根短支撑辊等效为一根长辊；然后进行以下步骤：

1)单元划分

带材划分为n段；在支撑辊辊身长度范围内，中间辊划分为m

2)挠度求解

1#辊在1#辊与2#辊截面中心点连线方向上的第i单元的挠度f

式中，α

当y

当y

其中，C

y

L

v

—1#辊第i单元的轴线刚性位移；

其中，C

Δy

p

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；

q

2#辊在1#辊与2#辊截面中心点连线方向上的第i单元的挠度f

式中，α

当y

当y

其中，C

y

L

v

—2#辊第i单元的轴线刚性位移；

其中，C

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

q

3)辊间变形协调方程

1#辊与2#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

—1#辊与2#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁影响系数；

其中，ν

E

D

1#辊与2#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

f

1#辊的力与力矩平衡方程为：

q

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；

p

2#辊的力与力矩平衡方程为：

/>

q

Δy

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

2#辊与4#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

—2#辊与4#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁影响系数；

其中，ν

E

D

2#辊与4#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；β为中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

2#辊与5#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁量δ

式中，q

—2#辊与5#辊之间的第i单元的辊间弹性压扁影响系数；

其中，ν

E

D

2#辊与5#辊在两辊截面中心点连线方向上的辊间变形协调方程为：

f

式中，ΔD

f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角；γ为中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角；

4)联立求解

联立式(3)～(14)，共n

从而求解得到在垂直方向上的上辊系弹性变形量横向分布F

F

式中：f

α为工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角。

如图5所示，所述的步骤4)中上辊系弹性变形量横向分布F

步骤1，给定单位宽度矫直应力横向分布p(y)；

步骤2，假设单位宽度辊间接触应力分布q

步骤3，计算辊间弹性压扁影响系数

步骤4，求解线性方程组，得到新的单位宽度辊间接触应力分布

步骤5，判断判别式

步骤6，令

转到步骤(3)；

步骤7，令

上述步骤中，p(y)为单位宽度矫直应力；

q

q

q

本发明的第四步中，计算下辊系弹性变形量横向分布F

优选的，所述第五步中，带材反弯曲率横向分布

上、下辊系弹性变形量横向分布引起的带材反弯曲率横向分布为：

式中：F

F

t为辊距；

D

所述第六步中，带材延伸率横向分布ε

式中：

h为带钢厚度；

p

σ

为带材第i单元的反弯曲率。

带材延伸率差值最大值Δε

Δε

式中：ε

ε

通过计算辊系弹性变形量横向分布，得到其对带材延伸率横向分布的影响。可以指导拉伸弯曲矫直机辊系结构设计，使计算得到的延伸率差值最大值在延伸率控制精度以内，从而，提高带材延伸率和平直度的横向均匀性，大大提高拉矫产品质量及成材率。

如应用于某汽车板精整机组上，带钢厚度h＝1.5mm，屈服强度σ

经计算，得到工作辊与中间辊截面中心点连线与水平方向夹角α＝43.2°，中间辊与支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角β＝21.08°，中间辊与中间支撑辊截面中心点连线与水平方向夹角γ＝60.92°，辊系弹性变量最大值为0.07535mm，其产生的延伸率最大差值为0.00009223。该合同中，延伸率控制精度保证值为0.01％，辊系刚度满足延伸率精度要求。

现场应用后，板带拉矫效果良好，延伸率控制精度满足要求，质量完全合格。

在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及方法步骤均为现有技术，本发明中将不再进行进一步的说明。