16m三辊卷板机的开发研制

l国内外动态 Internal&Oversea Trend ]6m三辊卷板机的开发研制 文 }∈保均 上海重型机器r有限公司 200245 张f~ J(1963～) 男 上海重型机器r有限公司设计研究院蓟院长 高级I程Ij币 长期从事重型机械产品的设计开发I作 摘要 介绍国内自行开发设计的1 6m 三辊卷板机的结构组成和技术关键 分析、比较大规格三辊卷板机与中 小型三辊卷板机的差异 ，结合运用 试验法和公式计算法合理确定折弯 力，产品已经研制成功并推向市场。 64 Abstract Introduction of configuration and criticaI technics of 1 6m 3 rolI type tube bending machine de— veloped and designed by our country，analysis and com。 parison of difference between large size 3 roll type tube bend machine and sinaiI and middIe size ones．combi— nation of applying test method and f0rmuIa calcuIa— tion to determine reasonable bending force．The prod— uct has already been produced successfully for market． 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 ． 引 置 16m三辊卷板机专门用于造船工业船体用钢板的 弯曲成型，可以实现滚弯、折弯(带模具)和弯锥形曲 面。 经济发展和国防建设对大型和超大型船舶的需求 j 越来越大，对大型船舶和军舰的船体制造要求也越来 越高。造船业普遍使用的中小型三辊卷板机由于滚弯 的钢板幅面窄(一般小于4m)，船体制造时钢板拼缝 多，焊接工作量大，精度差，效率低，已不能满足现 代造船业的发展需要。上海外高桥船厂从英国引进了 一 台20m三辊卷板机 ，使用后大大提升了其制造能力 i 和水平。其他各大船厂近来都有意向添置类似的大规 格三辊卷板机。由于大规格三辊卷板机的特点是超宽， 与中小型三辊卷板机在结构、原理上有很大区别，主 } 要零部件尺寸大，工作辊长度超长而刚性差。我国尚 无自行设计制造大规格卷板机的业绩，国外仅 日本和 英国等少数国家能设计制造。因此自行开发研制大规 格三辊卷板机(外形如图1所示)不仅市场潜力很大，而 且对于填补国内空白，提升我国装备制造业水平具有 现实意义。 图 1 16m三辊卷板机外形 二．主要技术参数 上辊最大压力 滚弯板厚 ×板宽 滚弯最小半径 滚弯速度 滚弯板材 折弯板厚×板宽 22M N ≤ 26 mm × 16 111 2400mm 2——4m／min A36(6 s=355 MPa 6b=500——630 MPa) ≤ 28 mm × 13 m ≤ 22 mm × 16 m 折弯板材 A32(6 s=315 MPa 6b=440——570 MPa) 折弯半径 R60mm 折弯精度 折弯R角母线直线度≤10ram(板长>8mh) 折弯R角母线直线度≤5ram(板长≤8mh) 折弯模开口度 380／320／280mm 上辊压下速度 空载 60mm／s 加压 6mm／s 上辊上升速度 40mm／s 上辊最大倾斜量 250mm 下辊中心距 500～800mm 上下辊辊面最大间距 950mm 下辊传动最大扭矩 2×240kN·113 装机功率 205kW 三 设备的组成 本设备主要由机架部件、上横梁部件、下横梁部 件、主传动装置、液压系统和电气控制系统等组成。 机架部件 由左右机架 、压下油缸和回程缸等组 成。左右机架固定在基础上，两套压下油缸和回程缸 分别位于左右机架内。压下油缸和回程缸通过吊轴与 上横梁相连接，左右机架下部通过剪切板与下横梁连 接并传力，下工作辊两端的支承分别安装在左右机架 内，图 2为单片机架示意图。 图2 单片机架组件 上横梁部件(见图3)由上横梁、上支承辊及预调装 置、上工作辊及防振装置等组成。整个上横梁部件借 助于压下油缸和回程缸可作上下同步升降和定位。 下横梁部件由下横梁、下支承辊及预调装置、下 工作辊及下辊中心距调节装置等组成。两根下辊之间 的中心距按生产需要可以无级调节，既可对称滚弯， 65 维普资讯 http://www.cqvip.com I国内外动态 Internal&Oversea Trend 图 3 上横粱部件 也可不对称滚弯和压直边。 主传动装置由两套低速大扭矩油马达和轴装式减 速机组成。减速机的空心出轴与下工作辊通过胀紧联 结套相联。两套传动装置在左右机架各安装一个，分 别传动两根下工作辊。两根下工作辊的转动通过 比例 阀控制系统来调节同步。 液压系统采用两套完全独立的系统各自工作，两 套系统的油箱和控制阀分别设置在左、右机架上。正 常情况下它们各自驱动左右两边的压下缸、回程缸和 下辊油马达等执行机构，一旦某个系统发生故障，打 开两系统之间的联通阀，可以实现由一套系统来驱动 所有油缸和油马达而不需停机。液压控制采用比例电 磁控制技术，主要液压元件油泵、油马达 、比例阀和 控制阀采用国外进口产品。 电气控制系统由欧姆龙 CSlG—CPU42H型号 PLC、NS10PT彩色触摸屏和施耐得继电器 、接触器． 限位开关等组成。为了提高抗干扰能力，PLC电源、 PLC输出给中间继电器的驱动电源都采用隔离变压器 供电。直线位移传感器采用英国Renishaw公司栅距为 20gm的 RG2直线光栅尺，读数头分辨率为 lgm。角 位移传感器采用美国AB公司TRD—J120旋转编码器。 四、与传统f中小型)三辊卷板机的分析比较 传统(中小型)三辊卷板机的工作辊长度短，辊身 直径大 ，刚性好，因此机械本体结构简单，主要由左、 右机架和三根工作辊组成。工作时上、下工作辊在工 作载荷下依靠自身的强度和刚度就能抵御弯曲变形，保 证其滚弯的钢板具有良好的线性精度。而 16m三辊卷 板机的上、下工作辊辊身长度16．6m，总长度达 18．3m， 66 属于细长辊，刚性差。如果采用中小型卷板机结构，直 接由三根工作辊来完成滚弯，那么在滚弯和折弯时由 于工作辊弯曲变形挠度大，根本不能满足滚弯和折弯 钢板的精度要求。除非把工作辊直径设计得非常大 ， 但这是不现实的，因此必须要解决工作辊刚性差而引 起的弯曲变形等问题。 五、主要技术特点 1．设置上、下横梁补偿工作辊挠度 l6m三辊卷板机从结构上突破传统三辊卷板机的 形式，除了左、右机架外 ，专门设置了具有高刚度和 强度的大型箱形结构的上、下横梁 ，在工作辊与横梁 之间再设置支承辊，工作辊工作时所受的工作载荷通 过支承辊传递到上、下横梁，利用高刚度的横梁来支 承相对柔性的工作辊以补偿工作辊的弯曲变形挠度。 由于工作辊工作时的弯曲变形近似于均布载荷下的简 支梁变形，中间大，两端小，上、下横梁即使按 1／3000 刚度变形设计 ，在 16m多的跨度上中间的最大变形量 也达5mm多。因此，每根工作辊与横梁之间沿长度方 向设置的是七组(每组两根)短支承辊，在每组短支承 辊与横梁之间都设有调整用的斜锲装置，分别调节七 组斜锲装置不同的压下量，使工作辊在原始状态预先 处于反变形状态(见图4)，此变形量用以抵消工作时横 梁变形而引起的工作辊正弯曲变形，确保工作辊在正 常工作时基本处于直线状态，从而满足滚弯 、折弯钢 板时的母线直线度要求。 图 4 下横梁 下支承辊及预调装置 2．设置反压防振装置消除振动 由于工作辊细长，刚性差，上工作辊因自重而产 生的自由弯曲挠度很大，这使得上工作辊与上支承辊 之间在原始状态存在间隙，当上工作辊由空程快速下 维普资讯 http://www.cqvip.com 降转换成慢速时会因辊子的惯性作用及柔软性而产生 上下振动，造成工作辊与支承辊之间发生碰撞，不仅 会损坏辊子表面，甚至造成整个设备的故障。为了避 免这种情况的发生，本设备的另一技术关键是设置了 l 反压防振装置，即在上横梁两端安置两个液压缸，分 别垂直向下给上工作辊两端外伸轴颈上一个反压力， 由于上工作辊两端施加了反压力，工作辊中间段就会 产生向上的弯曲变形。只要反压力足够大，就能使上 j 工作辊空程快速下降过程始终保持工作辊辊面紧贴住 支承辊 ，并且能克服因惯性作用而引起的上下振动， 这样工作辊就不会再发生自由振动而碰撞。 3．采用比例技术实现液压同步控制 ； 卷板机上工作辊左右两侧的压下缸位移同步和两 个下工作辊的旋转角位移同步精度直接影响到滚弯和 折弯钢板的质量。为了达到同步要求，液压控制系统 采用比例电磁控制技术，由直线光栅尺和旋转编码器 分别检测直线位移和角位移，检测信号经反馈、比较， 一 旦出现同步差异，系统快速作出响应，立即自动调 整其中一个油缸或油马达的比例阀的输入控制电压大 小 ，比例阀的输出流量随之发生变化，这个油缸或油 ÷ 马达的速度得到调整，两个同步油缸或油马达的位移 差或角位移差就会消除，从而实现动态实时同步。 4．采用 PLC程序控制，实现自动化和实时显示 f 控制 电气控制系统采用PLC按预编程序自动完成各机 构的动作 ，通过比例系统实现速度和位置的自动控制。 操作除了按钮控制外，还可以通过触摸屏控制，触摸 屏集控制、显示于一体，与PLC配合后具有信息显示、 数字显示、故障诊断、参数设定和编辑、多屏切换和 实时控制等功能。 六，折弯力的确定 本设备具有折弯钢板的功能 ，由于折弯力要大大 高于滚弯力，因此上辊的最大工作压力取决于折弯力 的大小(见图5)。而上辊的最大工作压力是卷板机的重 要参数，它决定了机架、压下油缸、上下横梁等主要 零部件的尺寸、重量和制造成本，因此科学合理地确 定折弯力是该设备设计的关键。 1．折弯力理论计算 图5 钢板滚弯 、折弯(模具)示意 P=C6bt B／L (1) 式中 JP一 折弯力 (kN) 6b一 折弯钢板材料的强度极限 (MN) t一 折弯钢板板厚 (mm) B一 板宽 (m) L一 模具开口度 (mm) C一 与模具开口度有关的系数 (查表) 按折弯最大工件尺寸(板厚×板宽 =28 mm ×13 m)计算 已知 ：6 b=570MN(取最大值)t=28mm B=13m L=320mm 根据 L／t=320／28=1】．43 查表得 C=1．248 代入公式(1)P=C 6bt B／L = 1．248× 570× 28 × 13／320 — 22657kN = 22．657Ⅳ【N 即最大折弯力计算值为 22．657MN。 2．折弯力试验数据 试验设备：德国产600kN钢板折弯机(上海重型机 器厂理化试验室) 试验材料：A32船用钢板 6b’：458MPa(试样拉 伸试验实际值) 试验钢板规格：tl_28mm B’=140mm(取三块) 试验条件 ：下支承(下模)开档 L’：290mm(该试 验机最大开档) 钢板折弯到 90。夹角 试验结果：折弯力在折弯过程中先随钢板夹角的 变小逐步增大，当夹角达到 108。左右时出现最大折弯 力，然后随钢板夹角的变小折弯力逐步减小。 第一块试板 最大折弯力P’ 200kN 维普资讯 http://www.cqvip.com l国内外动态 Internal&Oversea Trend 第二块试板 最大折弯力P’=200．9kN 第三块试板 最大折弯力P，一l 96kN 3．折弯力折算验证 将试验数据折算成实际工件钢板折弯所需的折弯 力，根据公式(1)推导出折算公式 P=C／C’X 6b／6b’X t2／t坨X B／B’X L’／L X P’f2) 式中：C=1．248 6b=570MPa t=28mm ； B = l3m L =320mm 为实际工件钢板数据。 C’=1．27(根据 L’／t’=290／28=10．36查表得到) 6b’：458MPa t’=28mm B’=0．14m L’=290mm P’：200．9kN(取三块试板中最大值) ； 为试验数据。 代入公式(2) P=C／C’X 6b／6b’X tz／t’ X B／B’× L’／L X P’ ： = 1．248／1．27 X 570／458 X 28z／28 X l3／0．14 X 1 290／320 X 200．9 ： = 20676kN = 20．676M N 根据试验数据折算得出设备实际所需最大折弯力 为20．676MN。由于理论计算公式中系数C的取值各国 存在一定差异，而折弯力大小对大规格三辊卷板机的 造价成本影响很大，通过试验验证可以看出折弯力公 式计算值有较大的富余量，考虑到上梁部件自重等因 素，最终确定上辊工作压力为22MN是比较安全合理 的。 七、结语 l6m三辊卷板机由上海重型机器厂有限公司联合 中船第九设计研究院共同开发研制已经获得成功并推 向了市场，首台产品用于渤海船舶重工集团有限公司， 经负荷试车 ，各项性能指标符合要求，总体水平达到 国际先进水平 ，整机价格仅为国外同类产品的60％。它 的研制成功，打破了大规格卷板机只能依赖国外进口 的局面，提升了我国装备制造业水平，对我国造船工 业和国防建设的发展将产生积极意义。 68 维普资讯 http://www.cqvip.com