溜槽形状对废边变形及溜槽寿命影响的研究

2019-10-18贾海亮景群平俞洪杰

重型机械 2019年5期

贾海亮，景群平，唐越，俞洪杰，李伟

(1.中国重型机械研究院股份公司,陕西西安 710032;2.宝山钢铁股份公司热轧厂,上海宝山 201900;3.辽宁忠旺集团有限公司设备部,辽宁辽阳 111003)

0 前言

热轧带钢在生产过程中，为了防止废边乱窜，在圆盘剪剪刃下方设置一个溜槽，将废边[1-4]引导进入碎边剪或者废料仓。与此同时，废边在溜槽内的运行过程中，会不断的与溜槽内壁相互摩擦，从而使得溜槽内部表面材料出现流失，造成溜槽内壁表面磨痕、磨屑的形貌特征[5-6]。溜槽出现大范围的磨损后轻则导致废边无法在溜槽内顺利通过出现逃丝、堵仓等问题[7-9]，重则溜槽报废。溜槽内壁磨损与废边的变形密切相关，而废边的变形则又取决于溜槽本身的形状。溜槽的形状不但影响废边变形而且影响溜槽本身的寿命，因此对圆盘剪的正常运行作用重大。传统现场对于溜槽的研究主要集中于废边逃丝、堵仓等方面，而对溜槽形状对废边变形以及对其寿命影响的研究很少。如何实现对带钢圆盘剪剪切过程中废边在不同溜槽形状内的受力变形进行定量计算以及溜槽形状对其寿命的影响依然是现场技术攻关的焦点。本文采用有限元仿真模拟的方法，模拟出不同典型溜槽形状对废边受力变形以及对其寿命的影响展开研究。

1 典型溜槽形状

在带钢圆盘剪切边设备中，溜槽通常放置在圆盘剪剪刃口的位置，为防止废边从剪刃与溜槽衔接处逃出，因此与剪刃配合的间隙很小。圆盘剪与溜槽的位置关系如图1所示。废边进入溜槽后，主要受到拉应力的作用和溜槽上导板的反作用力的影响[10]，在溜槽上导板的作用下，改变废边进入溜槽内部的变形及运行规律。废边对溜槽内壁的作用力以及在溜槽内部的接触摩擦会直接影响到溜槽的使用寿命。溜槽的组成如图2所示，溜槽由圆盘剪导槽和碎边剪导槽组成，靠近圆盘剪的为圆盘导槽，由上导板1、下导板2、导槽体3组成。靠近碎边剪的为碎边剪导槽，由侧板4和导槽体5组成。为研究不同的溜槽形状对废边进入溜槽内受力及变形的影响，特选三种典型的溜槽形状作为研究对象，如图3所示。1#典型溜槽是溜槽上导板为直线形，并与圆盘剪导槽体上板在同一平面上；2#典型溜槽是溜槽上导板为直线形，但与第一段溜槽上板有一定的倾斜角度，倾斜角度偏向下导板，减小了上下两导板间的距离；3#典型溜槽是溜槽上导板为圆弧形，相对于第一段溜槽上板的位置偏下。

图1 圆盘剪与溜槽的位置关系

图2 溜槽结构图

图3 典型的溜槽形状

2 溜槽形状对废边变形影响分析

为了定量分析溜槽形状对圆盘剪剪切过程中废边变形的影响，本文利用有限元分析软件ANSYS对带钢圆盘剪剪切过程中废边在三种典型溜槽内的受力和变形进行模拟，得出在剪切过程中废边的等效应力应变分布云图，并对模拟结果进行详细分析。

2.1 不同形状溜槽内废边受力与变形模拟

为了模拟出不同形状的典型溜槽对带钢在剪切过程中废边进入溜槽后的状态，分别给出典型规格产品的废边进入1#、2#及3#典型溜槽内的五个典型时间点的应力应变规律及接触状态。在模拟过程中，为了减少计算容量对溜槽进行简化处理，只建立接触部分[11-13]，设定溜槽参数为上下两板间的距离为80 mm，长度为2 000 mm，与水平面的角度为30°；设定废边参数为长1 500 mm，宽10 mm，材料为45#钢只建立初始进入溜槽的部分；设定圆盘剪参数为间隙量为0.6 mm，重叠量为0.4 mm，剪切速度为1 m/s[14-16],剪口距离溜槽30 mm。

1#典型溜槽内废边的应力应变分布云图变化情况如图4～图8所示。从图4可以看出，废边刚撞击到溜槽上导板，产生了较大的碰撞力为43 MPa；从图5可以看出，废边运行到0.35 s时，发生弹性变形，前端向下移动了77 mm，废边顶端在上导板摩擦滑行，对上导板的作用力为32 MPa；从图6可以看出，废边运行了0.5 s时，废边前端向下移动了163 mm，顶端在圆盘剪导槽上板上摩擦滑行，对上板的作用力为37 MPa；从图7可以看出，废边运行了0.6 s时，废边与圆盘剪导槽内壁有少量贴合，此时，废边发生不可恢复的塑性变形，对圆盘剪导槽内壁的作用力为20 MPa；从图8可以看出，废边运行了0.7 s之后，废边贴合圆盘剪导槽上板摩擦滑行，作用力为35 MPa，并且随着过程进行，贴合长度增加。

图4 废边刚接触到1#典型溜槽时的应力及应变图

图5 1#典型溜槽内废边运行0.35 s时应力及应变图

图6 1#典型溜槽内废边运行0.5 s时的应力及应变图

图7 1#典型溜槽内废边运行0.6 s时的应力及应变图

图8 1#典型溜槽内废边运行0.7 s后的应力及应变图

2#典型形状溜槽内废边受力变形情况如图9～图13所示。从图9可以看出，废边刚撞击到溜槽上导板，产生了较大的碰撞力为26 MPa；从图10可以看出，废边运行到0.35 s时，发生弹性变形，前端向下移动了80 mm，废边在上导板上摩擦滑行，对上导板的作用力为18 MPa左右；从图11可以看出，废边运行了0.5 s时，废边在上导板上有较大贴合并摩擦滑行，对上导板的作用力为32 MPa左右；从图12可以看出，废边运行了0.6 s时，废边前端向下移动了280 mm，发生不可恢复的塑性变形，废边沿内壁方向摩擦滑行，未与圆盘剪导槽体上板接触，此时对溜槽上导板的作用力为25 MPa左右；从图13可以看出，废边运行了0.7 s之后，废边不接触圆盘剪导槽体，对上导板的作用力稳定在20 MPa左右。

图9 废边刚接触到2#典型溜槽时的应力及应变图

图10 2#典型溜槽内废边运行0.35 s时的应力及应变图

图11 2#典型溜槽内废边运行0.5 s时的应力及应变图

图12 2#典型溜槽内废边运行0.6 s时的应力及应变图

图13 2#典型溜槽内废边运行0.7 s后的应力及应变图

3#典型形状溜槽内废边的应力应变分布情况如图14～图18所示。由图14可以看出，废边刚刚撞击到溜槽上导板，产生的碰撞力为15 MPa；由图15可以看出，废边运行到0.35 s时，发生弹性变形，前端向下移动了60 mm，废边沿溜槽上导板上摩擦滑行，对上导板的作用力为8 MPa左右；由图16可以看出，废边运行了0.5 s时，前端向下移动了260 mm，此时，废边在溜槽上导板尾部摩擦滑行，作用力为9 MPa；由图17可以看出，废边运行了0.6 s时，废边发生不可恢复的塑性变形，废边沿溜槽上导板摩擦滑行，未与圆盘剪导槽体上板接触，此时对上导板的作用力为10 MPa；由图18可以看出，废边运行了0.7 s之后，废边与溜槽上导板的贴合增大，未出现与圆盘剪导槽体内壁接触的状况，此时对上导板的作用力为7 MPa左右。

图14 废边刚接触到3#典型溜槽时的应力及应变图

图15 3#典型溜槽内废边运行0.35 s时的应力及应变图

图16 3#典型溜槽内废边运行0.5 s时的应力及应变图

图17 3#典型溜槽内废边运行0.6 s时的应力及应变图

图18 3#典型溜槽内废边运行0.7 s后的应力及应变图

2.2 溜槽形状对废边变形影响分析

针对三种不同形状的典型溜槽，根据所模拟出的废边剪切过程中进入溜槽内几个典型位置的变形、应力状态、接触状态，通过模拟数据总结出溜槽形状对废边受力变形的影响，如表1所示。

表1 4 mm废边在三种典型溜槽内不同时刻的受力

由表1可以看出，4 mm典型规格产品的废边进入3种不同形状的典型溜槽内的初始撞击力的大小依次是3#弧形溜槽<2#倾斜直线形溜槽<1#直线形溜槽；废边在溜槽内运行过程中，在不同溜槽形状上板作用力的最大的是直线形溜槽，最小的是弧形溜槽；废边在溜槽内稳定运行后，对溜槽内壁的接触应力处于稳定状态，接触应力最大的是直线形溜槽，接触应力最小的是弧形溜槽；

4 mm典型规格产品的废边在1#典型溜槽内，废边通过直线形上导板进入溜槽内部，首先在溜槽上导板处发生弹性变形，然后废边头部沿内壁摩擦滑行，之后在圆盘剪导槽体内发生贴合，产生塑性变形，随圆盘剪的连续剪切，贴合长度加大；在2#典型溜槽内，废边通过倾斜的直线形上导板进入溜槽内部，首先在溜槽上导板处发生弹性变形，然后与上导板发生贴合，贴边长度是60 mm，随圆盘剪的连续剪切，废边继续在上导板上发生塑性变形，但不与导槽体内壁接触，且废边头部在第一段溜槽内有下弯现象；在3#典型溜槽内，废边通过弧形上导板进入溜槽内部，首先发生弹性变形并沿内壁不断摩擦滑行，当废边头部进入圆盘剪导槽体之前，不与上导板发生贴合现象，进入圆盘剪导槽体内，逐渐与上导板发生贴合，最后贴边长度为80 mm，但不与导槽内壁接触，随圆盘剪的连续剪切，废边几乎平行于第一段溜槽的上板。

3#典型溜槽形状对废边的受力变形最好，不易造成逃丝，堵仓现象，为本文研究溜槽形状对其寿命影响的分析提供了理论支持。

3 溜槽形状对其寿命影响的分析

在带钢边部的剪切过程中，由于圆盘剪是持续不断工作的，所以溜槽要不断的受到废边对其的冲击载荷磨损与滑动接触磨损，磨损最严重的地方往往是受到作用力最大的地方。溜槽的磨损不仅与剪切带钢的剪切速度，带钢的厚度、强度，溜槽的材质、锻造方式、表面硬化处理等因素有关，还与溜槽的形状有很大关系[17-19]。本节将对不同典型溜槽形状对其寿命的影响做详细研究。

由图4、图9、图14可知，废边匀速撞击到三种典型溜槽的上导板，对上导板有一定的冲击载荷，而每剪一卷带钢，就会对上导板冲击一次，冲击载荷相对接触载荷更容易使溜槽发生磨损。随着剪切带钢厚度的增加，刚度也越高，对上导板作用力也随之增加并且废边变形不规律，很有可能废边头部的一角先接触溜槽，单位冲击载荷剧增，对溜槽的磨损越严重。因此，废边对溜槽产生冲击载荷而造成的磨损较轻的是3#典型溜槽，最严重的是1#典型溜槽。

废边在溜槽内刚开始的运行过程中，头部沿溜槽上导板做滑行运动进入导槽内，由于带钢具有一定厚度，因此是剪切横截面的棱在延溜槽内壁摩擦滑行，单位面积上的载荷大，产生的磨损较大；在废边与溜槽发生贴合以后，是废边表面与溜槽内壁接触发生接触滑行，单位面积上的载荷小，产生的磨损小。滑动摩擦时，接触压力对溜槽表面磨损有很大影响，因为带钢与溜槽的摩擦系数一样，废边对溜槽内壁的作用力越大，产生的摩擦力越大，直接影响溜槽的摩擦和磨损。由图5～图7可知，在1#典型溜槽内，废边头部沿溜槽上导板摩擦滑行至圆盘剪导槽内，在0.6 s的时候与圆盘剪导槽上板发生贴合现象，而且产生的接触应力较大，磨损最严重；由图10～图12可知，在2#典型溜槽内，废边头部沿溜槽上导板摩擦滑行，在0.35 s时，与溜槽上导板发生贴合，产生的接触力较1#典型溜槽小，然后进入圆盘剪导槽内，没有接触到溜槽上板；由图15至～18可知，在3#典型溜槽内，废边头部延溜槽上导板摩擦滑行，在0.5 s时，与溜槽上导板发生贴合，产生的接触力较1#和2#典型溜槽都小，然后进入圆盘剪导槽内，没有接触到溜槽上板。

废边与溜槽接触时间最长的是贴合之后的接触滑行，虽然接触力不大，但是磨损时间最长，也是对溜槽磨损最严重的。溜槽受到废边表面的循环接触应力，在循环接触应力的作用下产生持续磨损，造成溜槽表面疲劳磨损形成凹坑，凹坑的产生加大的摩擦系数，进一步加剧磨损[20-22]。由图8、图13、图18可知，废边在之后的接触滑行中，3#典型溜槽上导板受到的接触应力最小，1#典型溜槽圆盘剪导槽内壁受到的接触应力最大，因此3#典型溜槽在此阶段的磨损最小。

废边对溜槽产生冲击载荷而造成的磨损较轻的是3#典型溜槽，最严重的是1#典型溜槽。废边在撞击到溜槽之后到与溜槽内部发生贴合这一段的摩擦磨损中，3#典型溜槽受力最小，接触时间也较短，因此磨损最小；1#典型溜槽受力最大，接触时间最长，并且与第一段溜槽也发生摩擦磨损，因此磨损最大。废边在与溜槽内壁贴合运行的过程中，对3#典型溜槽的磨损最小，对1#典型溜槽的磨损最重。因此3#弧形溜槽上导板的典型溜槽的寿命相对其他两种形状的典型溜槽寿命较长。