剀墨窭圈团■●墨蟹圆
Ｒ
ｌ
研究探讨
矫直机力能分析与应用
马敬勋，单为春，李耕
（济南钢铁集团总公司装备部，济南２５０１０１）
摘要：随着钢品种质量的不断创新，轧制工艺的不断提高，对矫直机的能力提出了更高要求。文中试通过矫直机力能分析与应用，指出矫直机在使用中应注意的问题。
关键词：压下力；扭矩ｉ功率中图分类号：ＴＧ３３３．２３
文献标识码：Ａ
文章编号：１∞２—２３３３（２∞７）０９一００５２一０２
１前言通过以上计算可知，矫直高强度钢板和矫直普通碳素钢所需要的压下力误差相当大，如矫直０℃时Ｑ３２５钢板允许矫直厚度比矫直５００℃时Ｑ５５０钢板允许矫直厚度还要低。如矫直４０ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需压下力为３４４５２０００Ｎ，远大于允许压下力２７５０００００Ｎ。可见在矫直高强度钢板时，不仅要了解在矫直前的温度、厚度，更需要确定其屈服强度，最终看是否在允许压下力范围之内，不可盲目矫直。
２．２强力矫直机工作辊必须满足表面接触应力要求工作辊上的最大接触应力盯№应小于许用值［吼］（当安全系数为１时［仉］＝１０２０ＭＰａ，当安全系数取１．３时［吼］＝７８５ＭＰａ）［４］，最大接触应力盯岫为：
厂而ｒ
随着钢品种的不断开发，轧制工艺的不断创新，对轧制生产中矫直机矫直能力提出了更高要求。济钢强力矫直机，在使用过程中，矫直机工作辊出现严重的麻点和疤痕，并且工作辊粘氧化铁皮等，使工作辊更换修磨频繁，影响了强力矫直机能力的发挥；在矫直４０ｍｍ以上的高强度钢板时，出现了矫不平，甚至矫不动的现象。还发生了断传动接轴、甚至憋住主传动电机的现象。因此，与矫直相关的力能分析，对于对济钢强力矫直机使用和维护是十分必要的，希望有助于同类型矫直机的使用、维护和设计。２矫直机压下力计算分析２．Ｊ压下力与温度、钢种和厚度
在矫直钢板宽度一定的情况下，强力矫直机压下力与被矫直钢板的温度、厚度和钢种有关，下面分别以Ｑ５５０钢和Ｑ３２５钢为例进行计算分析。
根据高强度钢种钢板的轧制工艺要求，钢板在轧机轧制完成后，在进入强力矫直机前，需要通过冷却装置，使钢板温度从８００℃以上在几分钟之内过冷到６００℃以下，过冷后的钢板内部组织会形成珠光体、索氏体及贝氏体［１１等组织，钢板的强度极限叽达到８００ＭＰａ以上，即使是在５００℃～６００℃时钢板的强度也在３５０ＭＰａ～５００ＭＰａ之间心］，这时矫直钢板需要很大压力。通常情况下不允许超过矫直机允许压下力，矫直机允许压下力∑只口１表达式
为：
仃，一＝ｏ．４１８、／睾｝Ｄｎ
Ｖ
（２）
式中：Ｐ为被矫直件对辊子最大压力，按照６００℃矫直厚度４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板时计算，Ｐ：５５７０１３６Ｎ，按照矫直厚度４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时计算，Ｐ－７３０２４００Ｎ；Ｅ为工
作辊弹性模量，Ｅ＝２１０ＧＰａ；Ｒ为工作辊半径，Ｒ＝１４０ｍｍ；６意义及数值同前。
计算得：６００℃时盯ｉ。ｆ６６５ＭＰａ，５００‘℃时盯ｉ一＝７６２ＭＰａ通过计算可知，矫直厚度４０ｍｍ的０５５０钢板在５００℃时的接触应力小于许用接触应力，但已经接近较高可靠性的许用值，因此，在矫直高强度钢板时，应引起注意，必要时进行接触疲劳强度校核。３矫直机驱动力计算分析
如前所述，矫直机在生产过程中曾出现断传动接轴和憋住传动主电机的现象。因此对主传动的功率和扭矩进行计算是十分必要的。
（１）扭矩计算分析，矫直机扭矩肘。［３１为：
∑牛｝半（啦）
（１）
式中：盯。为钢板的屈服极限，Ｑ５５０钢板在６００。Ｃ时的屈服极限矿Ｆ２６１ＭＰａ［２］，钢板在５００℃时的屈服极限盯Ｆ３４２ＭＰａ，普通碳素钢板由于不需要过冷，因此通过冷却装置后矫直温度一般不低于７００℃，Ｑ３２５钢板在７００℃时的屈服极限为盯。＝９０ＭＰａ；６为被矫直钢板宽度，６＝３．３ｍ；矗为被矫直钢板厚度；￡为矫直机工作辊辊距，ｆ＝０．３ｍ；ｎ为矫直机工作辊数目，，ｚ：１ｌ；允许压下力为∑Ｐ．＝－２７５０００００Ｎ。
经计算Ｑ５５０钢板在６００℃时允许矫直厚度为＾＝３６ｍｍ，０５５０钢板５００℃时允许矫直厚度为矗＝３１ｍｍ。Ｑ３２５钢板在７００。ｃ时允许矫直厚度为＾＝６１ｍｍ。Ｑ３２５钢板在常温下允许矫直厚度为＾＝３２ｍｍ。
ＭＫ－掣ｏ
斗Ｅ
（３）
式中：Ⅱ为塑性变形折算系数，由于钢板经过水冷装置后会产生双向波浪，取ｏ＝３２。Ｄ为矫直机工作辊直径，Ｄ＝０．２８ｍ。Ｅ为钢板的弹性模量，Ｅ＝２０６ＧＰａ。其他符号意义及数值同前。
经计算，矫直厚３６ｍｍ的Ｑ５５０钢板在６００℃时所需
５２ｌ机械工程师２００７年第９期
万方数据
扭矩为８８ｋＮｍ，矫直厚３ｌｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所
需扭矩为１３０ｋＮｍ，矫直厚６１ｍｍ的０３２５钢板在７００℃时所需扭矩为１７．４ｋＮｍ，矫直厚３２ｍｍ的Ｑ３２５钢板在常温下所需扭矩为１１７ｋＮｍ。
以上看出，钢板所需矫直扭矩与钢板强度的平方成正比，矫直厚３１ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需扭矩比矫直厚３２ｍｍ的０３２５钢板在常温下所需扭矩还大。当矫直厚４０ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需扭矩为１７１ｋＮｍ，矫直厚４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需扭矩为２４１ｋＮｍ。这就是矫直４０ｍｍ以上高强度钢板会出现断轴的一个重要原因。
（２）功率计算分析，矫直钢板所需功率Ⅳ为：
ｆ
，
．１．
．
Ⅳ＿『帆＋∑Ｐ睁孚）ｌ鲁｝
（４）
Ｌ
ｏ，Ｊ一
’，
式中：∑Ｐ为作用在辊子上的压力总和，矫直机允许压下力总和为∑Ｐ－５５０００ｋＮ；厂工作辊与钢板之间的摩擦系数，厂－０．０００８ｍ；肛为轴承的摩擦系数，ｐ；０．００５。ｄ为轴承处直径，取中值的为Ｏ．１８７５ｍ；”为矫直速度，调速范围为０．４４—０．８８耐ｓ；叼传动效率，叩＝０．７；其他符号意义及数据同前。
按照最低矫直速度０．４４ＩＩｌ／ｓ计算得：矫直厚３６ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需功率为７０８ｋｗ。矫直厚３１ｍｍ的０５５０钢板在５００℃时所需功率为８９７ｋｗ。矫直厚６ｌｍｍ的Ｑ３２５钢板在７００℃时所需功率为３９ｌｋｗ。矫直厚３２ｍｍ的Ｑ３２５钢板在常温下所需功率为８３９ｋｗ。
以上计算结果说明，矫直高强度钢板所需功率和矫直普通碳素钢所需功率的差别相当大，以上是在允许压下力条件下所矫直钢板而计算出的功率，矫直机电机实际功率为两台６１５ｋｗ的电机，当两台电机输出功率有１０％误差时，矫直厚３ｌｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需功率接近电机输出功率，如果矫直厚４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需功率为１２３９ｋｗ，可见已经超出电机功率，如果考虑偏载，某个电机超载就非常严重，这是矫直厚度在４０ｍｍ以高强度钢板憋住电机的重要原因之一。以上计算是按照最低矫直速度进行计算的结果，如果按照最高矫直速度，所需功率要增大一倍。
４应用
（１）根据以上计算分析，说明矫直机的矫直能力不能简单的用矫直温度和矫直厚度来表示，被矫直钢板的强度是一个十分重要的指标，根据生产工艺要求，高强度品种钢在矫直前需要过冷至６００。Ｃ下，而在６００℃以下的高强度品种钢的强度比普通碳素结构钢为冷板时的强度还要高。因此，需要根据被矫直钢板的温度、厚度和强度来综合确定被矫直钢板是否在矫直机力能范围之内；为此，我们制定出不同钢种、不同宽度、不同温度下，允许矫直钢板的厚度，对矫直机的使用起到了很好的指导作用，避免了设备事故的发生。
（２）由以上计算可知，压下力和扭矩与矫直速度无关，矫直速度与电机功率成正比，当矫直速度不满足要求时，在主传动系统部件强度允许的情况下，可适当提高电
万
方数据墨墨圈田■■雹霉霉墨剀
研究螺讨ｆ司机功率来满足矫直速度要求。
（３）根据生产需要，必须生产４０ｍｍ以上的高强度品种钢板时，所矫直钢板的宽度就必须受到限制。例如矫直厚度５０ｍｍ的Ｑ５５０钢板５００℃时允许矫直宽度为１２８７ｍｍ。
（４）由式（１）可知，压下力与宽度６成正比、与厚度矗的平方成正比，在压下力不变的情况下，当厚度＾增加时，宽度６会有较大幅度的减小。由式（３）可知，扭矩与宽度６成正比、与厚度＾成正比，在矫直力允许范围内，矫直较厚的钢板，由于宽度下降幅度较大，扭矩相对下降。由式（４）可知，当所需扭矩下降时，所需功率也相应减少。因此，当压下力一定时，钢板越宽所需扭矩越大，所需功率也越高。
［参考文献］
［１］史美堂．金属材料及热处理［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，
１９８０：１１２—１２８．
［２］陈家祥．连续铸钢手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９０：２０８—
２８０．
［３］黄华清辛Ｌ钢机械［Ｍ］．ｊＥ京：冶金工业出版社，１９８０：３８０一４０４．［４］曹仁政．机械零件［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８５：２５５—２５９．
（编辑明
涛）
作者简介：马敬勋（１９５９一），男，高级工程师，主要从事机械设计及设
备故障分析方面的工作。
收稿日期：２００７一０３—３０
０该舞睽装置ｉ＃常小；寨来可直摇集成刘避脑蕊游申。通
避撼谚嚣霪蕊麓酶特慧‘。热点”，可增强这些落域的风扇冷赫粼麟豢馥馥疆复簿秘蘧稽蕊震囊镳螃躺零觏盛≯
瓤觌能矗冷却效能提寓后，将可以便蔼震夺酶蕊瘸，这将有
毫ｉ：ｉ谚裹褰爨潺黪穆簪藿雾德募鼙内鳓蒸簿穆簿尊鼹豸采缎獠羹缀幕鳜ｊ簿蕊麟缈薄蠹统。毒霉巍簿ｊ．『｜逸糠新的芯
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机械工程师２００７年第９期ｌ５３
剀墨窭圈团■●墨蟹圆
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研究探讨
矫直机力能分析与应用
马敬勋，单为春，李耕
（济南钢铁集团总公司装备部，济南２５０１０１）
摘要：随着钢品种质量的不断创新，轧制工艺的不断提高，对矫直机的能力提出了更高要求。文中试通过矫直机力能分析与应用，指出矫直机在使用中应注意的问题。
关键词：压下力；扭矩ｉ功率中图分类号：ＴＧ３３３．２３
文献标识码：Ａ
文章编号：１∞２—２３３３（２∞７）０９一００５２一０２
１前言通过以上计算可知，矫直高强度钢板和矫直普通碳素钢所需要的压下力误差相当大，如矫直０℃时Ｑ３２５钢板允许矫直厚度比矫直５００℃时Ｑ５５０钢板允许矫直厚度还要低。如矫直４０ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需压下力为３４４５２０００Ｎ，远大于允许压下力２７５０００００Ｎ。可见在矫直高强度钢板时，不仅要了解在矫直前的温度、厚度，更需要确定其屈服强度，最终看是否在允许压下力范围之内，不可盲目矫直。
２．２强力矫直机工作辊必须满足表面接触应力要求工作辊上的最大接触应力盯№应小于许用值［吼］（当安全系数为１时［仉］＝１０２０ＭＰａ，当安全系数取１．３时［吼］＝７８５ＭＰａ）［４］，最大接触应力盯岫为：
厂而ｒ
随着钢品种的不断开发，轧制工艺的不断创新，对轧制生产中矫直机矫直能力提出了更高要求。济钢强力矫直机，在使用过程中，矫直机工作辊出现严重的麻点和疤痕，并且工作辊粘氧化铁皮等，使工作辊更换修磨频繁，影响了强力矫直机能力的发挥；在矫直４０ｍｍ以上的高强度钢板时，出现了矫不平，甚至矫不动的现象。还发生了断传动接轴、甚至憋住主传动电机的现象。因此，与矫直相关的力能分析，对于对济钢强力矫直机使用和维护是十分必要的，希望有助于同类型矫直机的使用、维护和设计。２矫直机压下力计算分析２．Ｊ压下力与温度、钢种和厚度
在矫直钢板宽度一定的情况下，强力矫直机压下力与被矫直钢板的温度、厚度和钢种有关，下面分别以Ｑ５５０钢和Ｑ３２５钢为例进行计算分析。
根据高强度钢种钢板的轧制工艺要求，钢板在轧机轧制完成后，在进入强力矫直机前，需要通过冷却装置，使钢板温度从８００℃以上在几分钟之内过冷到６００℃以下，过冷后的钢板内部组织会形成珠光体、索氏体及贝氏体［１１等组织，钢板的强度极限叽达到８００ＭＰａ以上，即使是在５００℃～６００℃时钢板的强度也在３５０ＭＰａ～５００ＭＰａ之间心］，这时矫直钢板需要很大压力。通常情况下不允许超过矫直机允许压下力，矫直机允许压下力∑只口１表达式
为：
仃，一＝ｏ．４１８、／睾｝Ｄｎ
Ｖ
（２）
式中：Ｐ为被矫直件对辊子最大压力，按照６００℃矫直厚度４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板时计算，Ｐ：５５７０１３６Ｎ，按照矫直厚度４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时计算，Ｐ－７３０２４００Ｎ；Ｅ为工
作辊弹性模量，Ｅ＝２１０ＧＰａ；Ｒ为工作辊半径，Ｒ＝１４０ｍｍ；６意义及数值同前。
计算得：６００℃时盯ｉ。ｆ６６５ＭＰａ，５００‘℃时盯ｉ一＝７６２ＭＰａ通过计算可知，矫直厚度４０ｍｍ的０５５０钢板在５００℃时的接触应力小于许用接触应力，但已经接近较高可靠性的许用值，因此，在矫直高强度钢板时，应引起注意，必要时进行接触疲劳强度校核。３矫直机驱动力计算分析
如前所述，矫直机在生产过程中曾出现断传动接轴和憋住传动主电机的现象。因此对主传动的功率和扭矩进行计算是十分必要的。
（１）扭矩计算分析，矫直机扭矩肘。［３１为：
∑牛｝半（啦）
（１）
式中：盯。为钢板的屈服极限，Ｑ５５０钢板在６００。Ｃ时的屈服极限矿Ｆ２６１ＭＰａ［２］，钢板在５００℃时的屈服极限盯Ｆ３４２ＭＰａ，普通碳素钢板由于不需要过冷，因此通过冷却装置后矫直温度一般不低于７００℃，Ｑ３２５钢板在７００℃时的屈服极限为盯。＝９０ＭＰａ；６为被矫直钢板宽度，６＝３．３ｍ；矗为被矫直钢板厚度；￡为矫直机工作辊辊距，ｆ＝０．３ｍ；ｎ为矫直机工作辊数目，，ｚ：１ｌ；允许压下力为∑Ｐ．＝－２７５０００００Ｎ。
经计算Ｑ５５０钢板在６００℃时允许矫直厚度为＾＝３６ｍｍ，０５５０钢板５００℃时允许矫直厚度为矗＝３１ｍｍ。Ｑ３２５钢板在７００。ｃ时允许矫直厚度为＾＝６１ｍｍ。Ｑ３２５钢板在常温下允许矫直厚度为＾＝３２ｍｍ。
ＭＫ－掣ｏ
斗Ｅ
（３）
式中：Ⅱ为塑性变形折算系数，由于钢板经过水冷装置后会产生双向波浪，取ｏ＝３２。Ｄ为矫直机工作辊直径，Ｄ＝０．２８ｍ。Ｅ为钢板的弹性模量，Ｅ＝２０６ＧＰａ。其他符号意义及数值同前。
经计算，矫直厚３６ｍｍ的Ｑ５５０钢板在６００℃时所需
５２ｌ机械工程师２００７年第９期
万方数据
扭矩为８８ｋＮｍ，矫直厚３ｌｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所
需扭矩为１３０ｋＮｍ，矫直厚６１ｍｍ的０３２５钢板在７００℃时所需扭矩为１７．４ｋＮｍ，矫直厚３２ｍｍ的Ｑ３２５钢板在常温下所需扭矩为１１７ｋＮｍ。
以上看出，钢板所需矫直扭矩与钢板强度的平方成正比，矫直厚３１ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需扭矩比矫直厚３２ｍｍ的０３２５钢板在常温下所需扭矩还大。当矫直厚４０ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需扭矩为１７１ｋＮｍ，矫直厚４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需扭矩为２４１ｋＮｍ。这就是矫直４０ｍｍ以上高强度钢板会出现断轴的一个重要原因。
（２）功率计算分析，矫直钢板所需功率Ⅳ为：
ｆ
，
．１．
．
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（４）
Ｌ
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’，
式中：∑Ｐ为作用在辊子上的压力总和，矫直机允许压下力总和为∑Ｐ－５５０００ｋＮ；厂工作辊与钢板之间的摩擦系数，厂－０．０００８ｍ；肛为轴承的摩擦系数，ｐ；０．００５。ｄ为轴承处直径，取中值的为Ｏ．１８７５ｍ；”为矫直速度，调速范围为０．４４—０．８８耐ｓ；叼传动效率，叩＝０．７；其他符号意义及数据同前。
按照最低矫直速度０．４４ＩＩｌ／ｓ计算得：矫直厚３６ｍｍ的０５５０钢板在６００℃时所需功率为７０８ｋｗ。矫直厚３１ｍｍ的０５５０钢板在５００℃时所需功率为８９７ｋｗ。矫直厚６ｌｍｍ的Ｑ３２５钢板在７００℃时所需功率为３９ｌｋｗ。矫直厚３２ｍｍ的Ｑ３２５钢板在常温下所需功率为８３９ｋｗ。
以上计算结果说明，矫直高强度钢板所需功率和矫直普通碳素钢所需功率的差别相当大，以上是在允许压下力条件下所矫直钢板而计算出的功率，矫直机电机实际功率为两台６１５ｋｗ的电机，当两台电机输出功率有１０％误差时，矫直厚３ｌｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需功率接近电机输出功率，如果矫直厚４０ｍｍ的Ｑ５５０钢板在５００℃时所需功率为１２３９ｋｗ，可见已经超出电机功率，如果考虑偏载，某个电机超载就非常严重，这是矫直厚度在４０ｍｍ以高强度钢板憋住电机的重要原因之一。以上计算是按照最低矫直速度进行计算的结果，如果按照最高矫直速度，所需功率要增大一倍。
４应用
（１）根据以上计算分析，说明矫直机的矫直能力不能简单的用矫直温度和矫直厚度来表示，被矫直钢板的强度是一个十分重要的指标，根据生产工艺要求，高强度品种钢在矫直前需要过冷至６００。Ｃ下，而在６００℃以下的高强度品种钢的强度比普通碳素结构钢为冷板时的强度还要高。因此，需要根据被矫直钢板的温度、厚度和强度来综合确定被矫直钢板是否在矫直机力能范围之内；为此，我们制定出不同钢种、不同宽度、不同温度下，允许矫直钢板的厚度，对矫直机的使用起到了很好的指导作用，避免了设备事故的发生。
（２）由以上计算可知，压下力和扭矩与矫直速度无关，矫直速度与电机功率成正比，当矫直速度不满足要求时，在主传动系统部件强度允许的情况下，可适当提高电
万
方数据墨墨圈田■■雹霉霉墨剀
研究螺讨ｆ司机功率来满足矫直速度要求。
（３）根据生产需要，必须生产４０ｍｍ以上的高强度品种钢板时，所矫直钢板的宽度就必须受到限制。例如矫直厚度５０ｍｍ的Ｑ５５０钢板５００℃时允许矫直宽度为１２８７ｍｍ。
（４）由式（１）可知，压下力与宽度６成正比、与厚度矗的平方成正比，在压下力不变的情况下，当厚度＾增加时，宽度６会有较大幅度的减小。由式（３）可知，扭矩与宽度６成正比、与厚度＾成正比，在矫直力允许范围内，矫直较厚的钢板，由于宽度下降幅度较大，扭矩相对下降。由式（４）可知，当所需扭矩下降时，所需功率也相应减少。因此，当压下力一定时，钢板越宽所需扭矩越大，所需功率也越高。
［参考文献］
［１］史美堂．金属材料及热处理［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，
１９８０：１１２—１２８．
［２］陈家祥．连续铸钢手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９０：２０８—
２８０．
［３］黄华清辛Ｌ钢机械［Ｍ］．ｊＥ京：冶金工业出版社，１９８０：３８０一４０４．［４］曹仁政．机械零件［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８５：２５５—２５９．
（编辑明
涛）
作者简介：马敬勋（１９５９一），男，高级工程师，主要从事机械设计及设
备故障分析方面的工作。
收稿日期：２００７一０３—３０
０该舞睽装置ｉ＃常小；寨来可直摇集成刘避脑蕊游申。通
避撼谚嚣霪蕊麓酶特慧‘。热点”，可增强这些落域的风扇冷赫粼麟豢馥馥疆复簿秘蘧稽蕊震囊镳螃躺零觏盛≯
瓤觌能矗冷却效能提寓后，将可以便蔼震夺酶蕊瘸，这将有
毫ｉ：ｉ谚裹褰爨潺黪穆簪藿雾德募鼙内鳓蒸簿穆簿尊鼹豸采缎獠羹缀幕鳜ｊ簿蕊麟缈薄蠹统。毒霉巍簿ｊ．『｜逸糠新的芯
蒺跨案噍零黪磐≥尊感薄黪争电糖静豢？霉秘器消费枣
攀≯鬣蘩攀。麓誓。ｏ爱攀ｉ誊≯＿｛ｊｊ｜：≥一曩薹；¨；｜麓｛¨｝ｊ¨薯委蠢叠『；
机械工程师２００７年第９期ｌ５３