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详解10MN大型H型钢压力矫直机组
发表时间:[2012-11-12]  作者:本站  编辑录入:本站  点击数：2795

1 前言

   大型H型钢（指腹板高度≥600mm）是一种高效型材，具有结构自重轻、易于机械加工和构件安装等特点，被广泛的应用于建筑、铁路、造船、近海勘探、石油化工等行业，成为国民经济建设中大力推广的新型绿色环保材料1。
目前中小规格H型钢的矫直以辊式矫直为主，且对矫直过程中的腹板凹陷变形、翼缘角度变形问题有比较深入的研究，矫直效果日趋高精度方向发展2。对于大型H型钢的精整矫直，若采用中小规格使用的辊式结构矫直，不仅存在设备结构设计上的困难，而且总体设备重量大、工模具数量多、使用维修较为繁琐3。考虑到大型H型钢矫直工序的生产节奏、矫后直线度、整体投资、运行成本等方面因素，使用压力矫直的方式较为合适，但也会产生新的问题：压力矫直会使大型H型钢的腹板在矫直过程中更倾向于失稳，致使被矫材报废；H型钢规格的增大之后产生的翼缘波浪弯曲不易得到矫正；矫直不同弯曲面时，砧座距离调整范围增大等等不利因素。
西安重型机械研究所在以往自行开发的3MN和6MN规格H型钢压力矫直机的基础上，对大型H型钢压力矫直过程中的塑性变形深度系数和失稳区域面积的定量计算4进行了研究，并给出了适宜于工程应用的具体数值和计算方法；结合某钢铁公司大型厂大H型钢的具体材料特性，开发出了主缸公称正压力为10MN、张紧力为1.4MN的大H型钢压力矫直机，主要用来矫直腹板高度为428mm~1100mm的大H型钢。设计了张紧机构（防止腹板失稳）、特殊位置矫直机构（用于矫直翼缘的波浪弯曲和角度变形）、砧座距离无级调节机构，以及被矫材的原始弯曲程度测量和矫直反弯量准确控制系统，有效的解决了型材失稳和翼缘的矫正问题。该机在山东某钢铁公司大型厂运行两年来，总体情况良好，生产情况表明测量和主缸位移精确控制系统的设计对于提高矫直精度有非常重要的意义。该机可以作为新上或改造大型H型钢压力矫直机的参考。
 
2 大型H型钢压力矫直机组的工艺流程
 
对于大部分待矫型材而言，工艺流程一般为：运输辊道送来上道工序型材——机外翻钢——矫直（机内翻钢）——送出矫材。
详细的工艺流程如下：运输辊道将待矫大H型钢送至缓冲台架前人工检查，若H型钢弯曲中心具头部距离小于0.5m时，由移送机构将待矫材移出运输辊道，改尺后进行矫直；可矫型材直接由辊道运输至压力矫直机前辊道；在机外辊道上根据型材的最大弯曲程度面，启动机外翻钢装置，将最大弯曲程度面翻至为最初矫直面；将最大弯曲面调整好的型材运送到压力矫直机内；压矫开始工作（原始弯曲量测量系统启动，并给出理论或计算机存储的反弯量，可进行人工干预），矫直完最大弯曲面后，机内翻钢装置启动，矫直次弯曲面以及各个特殊位置的矫直（根据实际情况）；待各个面和特殊位置矫直完毕之后，机内辊道启动，将型钢快速送出矫直区域。
 
3 矫直方案及力能参数的确定
确定该矫直工艺为压力矫直之后，需要对矫直机布置方式、矫直力、防止腹板失稳所需要的张紧力、砧座间距等力能参数进行确定。其中张紧力的估算和张紧机构的设计是本机研制的难点。
3.1主机形式的确定
传统的压力矫直设备可分为立式和卧式结构，对于大H型钢而言，采用卧式结构不仅能使操作者视野开阔，使操作者能够明确矫直位置，且易实现自动化在线矫直，这两点对于提高矫直质量和生产效率非常重要，再者相对来讲，采用卧式布置，机内转换矫直面也较为容易。
3.2力能参数的确定
矫直力的确定按照三弯矩方程和文献5的研究成果计算，可以基本确定为9MN，考虑今后的发展空间，设计时按10MN考虑，并按此数值求得主缸参数。
在塑性力学范围内求解失稳问题比较困难，失稳不仅仅是因为H型钢腹板高度增加，压缩边挠曲产生失稳，而且随着主压头压力的增加，压缩边局部应力增加也会导致失稳，这给估算失稳力带来了难度。本设计从大H型钢塑性变形深度研究入手，将失稳区域看成是平面变形状态，以大变形方法处理问题，并将腹板高度增加带来的失稳列为主要失稳因素，给出了失稳面积的工程计算方法，估算出失稳力。按此方法求得产品大纲中的各个产品的失稳面积3，确定张紧力，求得张紧力最大为1.4MN，相比用户给出的实际测量值1MN大40%，留有余量，证明了失稳面积和侧压力估算方法是可行性的。
    对于特殊位置的矫直，主要是指矫直H型钢翼缘发生的波浪弯曲，该弯曲来自两个方面，一是上游产品固有的波浪弯曲；二是上道次压矫后产生的波浪弯曲。弯曲的面积一般不大，参考文献4可以使用近似于辊式矫直的方式进行矫平，因此在本设计中提出了近似于辊式矫直的弧形矫直方法。
 
4 机组的基本参数
4.1被矫材料的基本参数
规格：翼缘最大宽度428mm，腹板高度max1100mm
长度 ： 3500 — 15000 mm
材料屈服极限：≤450Mpa
4.2 机组基本技术参数
最大矫直力： 10MN
液压缸直径： 700mm
主液压缸最大行程：1500mm
液压系统压力：30Mpa
压头推进速度：max15mm/s
压头回退速度：max120mm/s。
压力矫开口度：max1300mm
 
5 设备组成以及技术特点
依据工艺流程排布，压力矫直机组主要由以下几部分组成：机外运输辊道、机外翻钢装置、机内翻钢装置、主液压缸、张紧机构、特殊位置矫直装置（摆动矫直装置）、输出装置以及相应的液压、电器设施等。本文着重对翻钢机构和矫直机主机机械设备进行介绍。

 

 

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5.1 翻钢装置用于对大型H型钢沿轴线方向进行翻转。矫直机共有2套翻钢装置，布置在矫直机的入口侧和主机内部，入口侧的翻钢装置主要是将被矫材翻至最大弯曲面，保证首次矫直最大弯曲面，以减少矫直次数，提高工作效率、降低主缸的工作负荷。机内翻钢装置用于矫直过程中翻转被矫面。
如图2所示的机外翻钢装置，当需要型材进行翻转时，位于型材下方的提升液压缸（缸1）不动，提升液压缸2启动，使与缸1连接的翻转杆2旋转90°，处于垂直位置。此时滑缸3带动与其相连的旋转杆动作，使旋转杆1运动到与型材侧面接触。此时型材两个相邻直角边分别与一个水平位置和垂直位置的旋转杆接触。然后2个液压缸同时动作，使2旋转杆位置状态发生改变，水平位置旋转杆翻转90°处于垂直位置，垂直位置旋转杆翻转90°处于水平位置，同时与其接触的型材同样翻转90°。
当型材需要作横向位移时，可以用行走液压缸3通过摆杆，依靠机械同步驱动两个外侧滑行液压缸及钢结构提升杆，沿滑道垂直于矫直线带动型钢座横向移动。翻钢装置的滑行液压缸、同侧提升液压缸依靠液压保证同步。
 该翻钢机构的特点是：翻钢设备简单、可靠，设备重量轻，翻转过程中不会对型材产生磕碰，且易实现线外自动翻钢，节约了矫直辅助时间，提高工作效率。
 
5.2主机设备特点
主机采用卧式分体结构，将底座与横梁用键和超级螺母紧固，与同样固定底座上的主液压缸构成U型框架，使操作视野开阔，上下料易于实现自动化，与传统的三梁四柱矫直机及立式框架矫直机相比，更适合大批量的工业化生产5。键以及超级螺母（也可以称为预应力机构）是针对大H型钢轮廓尺寸增大之后，U型开口尺寸过大，导致机架刚性下降采取的措施，同时也是在将设备分体加工，降低制造难度和成本。
压头装置与主液压缸活塞固定，主液压缸通过螺栓与设备底座连接，设备更加紧凑。主液压缸活塞带动压头垂直与矫直线方向作往复运动。压头装置前端装有压头砧座，用于直接和被矫型材接触，通过主液压缸的伸缩带动压头的伸缩，实现对型材弯曲面的矫直。
张紧机构和摆动矫直机构是该机的两大特色，张紧机构主要是解决大H型钢在矫直过程中的腹板失稳问题，摆动矫直机构实现对型材翼缘波浪弯曲的矫直。H型钢在进行压力矫直时，上、下张紧装置对H型钢腹板压紧，使H型钢向上脱离传送辊道，并在翼缘间施加一定张力，防止在矫直过程中腹板变形。
下张紧装置安装在底座中，下张紧装置装有压紧缸和张力缸。压紧缸驱动压紧头升降，在型钢传输过程中，压紧头位于辊道下方，当需要矫直时，压紧缸动作使得压紧头升起并填充于H型钢腹板下方翼缘间，同时使H型钢向上脱离传送辊道；张力缸活塞伸出可实现压紧头的张开功能，使压紧头在翼缘间施加一定张力。
上张紧装置安装在横梁上。张紧装置在其摆动缸的驱动下可以转动90°，在型钢传输过程中，上张紧装置处于水平位置，位于横梁上方；当需要矫直时，张紧装置在其摆动缸驱动下转动90°处于垂直位置（即工作位置），并实现自锁。避免了再次采用机械或液压锁紧机构，优化了设备结构。上张紧装置装有压紧缸和张力缸，压紧缸使压紧头具有升降功能，当需要矫直时，压紧缸动作使得压紧头压下并填充于H型钢腹板上方的翼缘间；张力缸活塞伸出可实现压紧头的张开功能，使压紧头在翼缘间施加一定张力。
上、下张紧装置都设计有浮动支撑装置，防止在矫直过程中，张紧装置受压而偏离矫直中心线，造成矫直废品的出现。
摆动矫直机构安装于主压头装置的前方，当摆动缸处于压头装置的中间位置时，压头砧座处于垂直方向，可用于一般矫直过程。当有特殊要求时（例如矫直翼缘），可以通过调整摆动缸行程，带动转臂及压头砧座沿摆臂转轴旋转，使得压头砧座与垂直方向夹角发生改变，从而实现特殊位置的矫直。压头摆动缸内设有位移传感器，用于确定摆动缸活塞位置，精确对特殊位置的矫直。
5.3原始弯曲测量以及主缸位移控制系统
原始弯曲量的精确测量，不仅能够精确的指导反弯量的大小，而且也能够快速的建立起矫直数据库，提高矫直工作效率和矫直质量，并及时反馈不同批次之间的弯曲程度，给上游工序提供调整依据。
原始弯曲程度测量系统由压头装置和位移传感系统组成，压头装置上装有压力传感器保证压头的弯曲部分能够准确接触，提高弯曲量测量的可靠性。
 
6 运行情况
大型H型钢从2005年10月投产以来，除生产合同中规定的规格特别是矫直了H414×405，H428×407等小规格下限产品，和H1008×302等特大H型钢上限产品，矫后H型钢直线度≤0.75mm/m。年均收入可达100亿元，为用户创造了极大的经济效益。
 
7 结论
经过对大型H型钢压力矫正塑性变形深度问题的研究，并依此结论设计的矫直机构，在不损伤腹板的前提下得到满意的直线度，使大H型钢矫直质量显著提高。可以作为新上大H型钢压力矫直设备的参考。
参考文献
1程向前，热轧H型钢在建筑结构领域的特点分析[J] 山西冶金，2006，104（29），53~54.
2崔丽红，臧勇，章博等。H型钢精确矫直技术的研究分析[J] 机械设计与制造，2008，4，176-178.
3轧钢新技术3000问[M].北京：中国科学技术出版社，2005，141
4 汪恩辉，李景伟，李凌云，等。大H型钢压力矫直塑性变形失稳区域及侧压力的估算[J]重型机械，2006，增刊84-86.
5崔莆.矫直机械与矫直原理[M].北京：冶金工业出版社，2005.
 
陈峰（1981- ），男，工程师，主要从事型材矫正设备的研究和设计工作
 
通讯地址：陕西省西安市未央区辛家庙西安重型机械研究所第五研究室
710032