1、双旋转毂式矫直机的优化设计 莫翰林 1孙东明 1王立铮 1钟晨 1翟富兵 2王天兵 2 （ 1 昆明理工大学 云南 昆明 650500 2 新疆新鑫矿业股份有限公司阜康冶炼厂 新疆 昌吉 831500） 摘要： 目前 电解法作为纯镍生产的主流方法被广泛采用 ， 其主要 特点 为通过导电棒引导电流，最终将电流导向种板 。 因此在实际生产中由于 受到 承重、撞击等各种因素的 影响，导电棒会产生形变。 因为整个电解过程的效率和自动化程度的提高需要使用 满足要求直线度 的导电棒 ，所以 一个电解周期后必须矫直产生形变的 导电棒。 本文 以国内某镍冶炼厂中规格为 36 3 1350 的电镍导电棒为研究对
2、象，对转毂式斜辊矫直机进行研究 ， 利用 优化后 的矫直机 矫直编为两组的 20 根电镍导电棒 ，对矫直后的导电棒 进行 测量，并分析比较其 平直度，从而验证 该种矫直机 能否完成电镍导电棒的矫直 。 关键词： 转毂式矫直；电镍导电棒； 参数 分析 中图分类号： TF305 文献标志码： A 文章编号： The Optimization Design of Leveller with Double Rotary Hub MO Hanlin1,SUN Dongming1,WANG Lizheng1,ZHONG Chen1,ZHAI Fubing2,WANG Tianbing2 (1.Kunmin
3、g University of Science and Technology, Kunming 650500, China 2. Fukang Smelter of Xinjiang Xinxin Mining Industry Co., Ltd., Changji 831500, China) Abstract: For the moment, electrolytic method is widely used as the mainstream method of pure nickel production. The main characteristic is to guide th
4、e current through the conductive rod, and finally the current is guided to the plate. Therefore, in actual production, due to the influence of bearing, impact and other factors, the conductive rod will undergo deformation. Because the efficiency of the whole electrolysis process and the improvement
5、of the degree of automation need to use the conductive rod that meet the required straightness, these conductive rods must be straightened after an electrolytic cycle. In this text, we study rotary bevel type roller straightening machine by choose conductivity rod with a size of 3631350 in a domesti
6、c nickel smelter for the study. By using the optimized straightener to straighten two groups of 20 electric nickel conductive rods, measuring these conductive rods and analyzing their flatness, and verifying whether the straightener can complete the straightening of the electric nickel conductive ro
7、d. Key words: straightening of rotating the hub; the conductive rod; analysis of straightening parameters 0 引 言 镍是 具有磁性的 银白色展性金属。 目前纯镍的主要制法是通过电解法制作 ， 在 整个生产流程 中， 导电棒将 电流 从 电解槽 导向阳极板和阴极板。因此 ，导电棒 的主要功能则是引导电流 。 若 导电棒 产生形变 ，则会 极大地影响整个生产过程 的电解效率 ，同时也会对后续 穿棒 环节 产生不利 影响。 本文 重点分析研究 规格为 36 3 1350 的 导电棒 产生的形变
8、及最佳矫直方式，同时 在 弹塑性变形理论 的 基础上 1 ， 通过 设计合适的 辊系装置和矫直方式来 对 双旋转毂式 矫直机 进行优化。 1 双旋转毂式矫直机的 理论分析 1.1 工作方式 完成优化后的 双向旋转转毂式矫直机的 矫直方式如下所示，当 导电棒棒 进入 矫直机的辊子后 ， 由于转毂 转向 不同 ， 它们之间的作用力即可矫直导电棒 。图 1 所示即为 其矫直 原理图。 图 1 转毂式矫直机 结构示意图 Fig. 1 The schematic diagram of hub type straightening machine 由于普通 转毂式矫直机 在矫直过程中无法 矫直 棒材的 头
9、 部和尾部，为了改善这一点，将转毂 定 为 2 辊，即在 3、 4 号 位置 内 装入 两 组斜辊 ， 使其具备 完全 矫直 的 能力 ， 随着工件向前运行和 转毂的公转 ， 两 组斜辊 开始 自转， 由于 两个转毂 在旋转方向上 并不 相 同 ， 为了确保棒材具有相同的运动趋势， 在配置 矫直机 辊子 时确保同 组的上辊 具有 互相 对称 的 倾斜方向。 1.2 矫直 原理 和压弯挠度 在 采用 双向旋转 方式 矫直 导电棒时 ， 由于 斜辊 会对导电棒产生作用力 ， 且 导电棒 会被不同 辊形 影响 而 发生形变 ， 所以每次变形过程也既是 矫直 系统的一个 单元。 为了便于分析 ，可以
10、引入 力学系统中处理 简支梁 中出现 对称载荷 时 的 处理 方式 ， 来 解释 矫直单元 。 如图 2 所示 ，处理 斜辊 的力学关系 时，其 矫直力 可以 简化为 成 所受的 集中载荷 2 。 图 2 导电棒与 矫直单元的受力 示意 图 图 3 导电棒压弯挠度图 Fig.2 Force diagram of conducting rod and straightening unit Fig.3 The bending deflection of conducting bar 导电棒 在 两个零弯矩点之间 会有一定的 的 挠曲量 ，这也被称作压弯挠度 。图 3 是导电棒压弯挠度图。 本文 首
11、先对整个 矫直模型 进行 简化 ， 然后在对 导电棒的压弯挠度 进行计算时采用 了 弯曲变形的 一些 相关理论， 通过计算出 压弯曲率 ，最终求出导电棒的 压弯挠度。 如 图 3 所示， 当导电棒受到向下的 压力 时 ， 与 支点 相距 x 的 位置处其 曲率为： 0xC C C （ 1） 而 在该截面处 ， 导电棒 的转角变化量则为 xxd dx C dx，设 其 原始弯曲挠度 为0 ， 则 总 的 压弯挠度 即为 ： 1 1 1 00 0 0 0( C ) d xx x t xd y x C d x x C A C d x （ 2） 在式中： ttA M EI , ( ) ( )t t t
12、C C g M M C g M ， 所以在计算出导电棒 的弯矩 后 ，则 可 算 出 其 总曲率， 最终求 出压弯挠度。 2 双旋转毂式矫直机 重要 参数 分析及 计算 双旋转毂式矫直机 结构特殊 ， 由于 辊子 的 排布 方式 为 二辊排布， 所以矫直机 转毂 转 速、各 辊 间 距、辊 子 形 状以及 辊子 的倾斜角度 等 重要 参数 都会对最终的矫直质量产生 影响 2.1 转毂转速 的计算 转毂转速 是 决定 矫直 效果 的 关键参数之一 ，在 同等数量的辊子以及其 塑性变形区 具有 等曲率 的 条件 下， 转毂转速 则 直接 决定了 矫直速度和 矫直 效果 。 目前在转毂矫直机中比较常
13、用的矫直速度为 15-80m/min，极少数可以达到 80m/min，经过工厂的大量实验，本文 初定的矫直速度为 30m/min。 2.2 辊距的设计 矫直机辊距的 设定不宜太大， 若 辊距过大 ，会增大矫直 时 的 盲区 ；若 辊距 设置过小 ，会使 辊系之间 工作时互相 干扰，矫直机 无法 工作 3 。 为了确保辊子矫直时的强度和矫直的精度 ， 辊 子的间 距 必须按如下设计 ： 当导电棒 所在 接触区 最小 时， d=0.5dJ ； 当导电棒 所在 接触区 最大 时， d=dJ ， d 为辊径， dJ 为等效接触区 。 由于导电棒的材质为紫铜， 强度 较低 ， 若辊子间距过密，矫直后的铜
14、棒表面会存在 螺旋形压印， 同时 斜辊辊 距 一般较大 ，则 辊距 应按如下计算 : dp=10d+2J （ 3） 导电棒的直径为 36mm ，则在本文中近似取辊径 p=380 mm。 2.3 辊形的设计 辊 子的 形 状也是决定 矫直质量 的 关键参数之一 ， 若对 辊形 进行优化设计，其不仅 可以 增大 接触面积， 而且 还 能降低铜棒的损伤 4 。利用 三曲率反弯辊形 法 设计 出的辊形由导电棒曲率所定 ， 其优势巨大， 使辊形的利用 率显著提升 5 。 其 工作 原理 使得 导电棒 和矫直辊 能够全面接触 。 一般来讲，辊子的排布方式若是 二辊排布 ， 则矫直能力 通常可分为 三段 ，
15、即 在辊形中 分别称为 辊腰段 、 辊腹段 和 辊胸段 。 辊腰段 即为 中段 ， 当铜棒被输送到该段时，会受到均匀的作用力 且发生形变 ；而辊腹段是 进一步将残留弯曲进行矫直，该段的主要作用是确保铜棒的 矫直精度 6 ； 而 辊胸段 是 辊腹段 的后一段 ， 当铜棒在被矫直时因外力的作用而发生形变 ，在通过该段时即可被 矫直。 可以根据矫直原理 并 考虑 到 矫直机结构限制 ， 设计出 辊子的有效工作长度为： 6gLt （ 4） 其中， t 为 两端矫直辊与管材的接触区长度 ， 综上，其 实际 工作 长度为： 2gL L R （ 5） 上式中 R 为辊段圆角半径， 通常取铜棒 的 最小直径
16、，即： minRd 。 同时， 辊子可分为 凹辊 和 凸辊 ， 凹辊 的 辊腰 直径一般为 0.66Lg，而 凸辊的辊腰半径 一般为 凹辊受力最大处的截面直径 。 2.4 辊子斜角的 计算 在 对导电棒进行 矫直 时 ， 辊子排布的方式不同则 辊子 的 斜角 也就不同 ， 若是 普通的斜辊排布 ，要使整个矫直过程平顺进行，则需减小 斜角 7 。 而 二辊排布 若想稳定运行，则需增大斜角。 在矫直速度确定后，由于斜辊的螺旋导程为 cottd ，则辊子的斜角为： 60cot( )tarc dn （ 6） 通过 上式（ 6） 可知，若想提高矫直稳定性，则可适当减小 辊子 的 斜角， 也即是增大导电棒
17、与 辊子的接触区域。 3 双旋转毂式矫直机的实验分析 从电解槽中 随机抽取 20 根已经 弯曲变形的 导电棒 ，且确保这些导电棒具有 分布较广泛的 折弯点， 将其编为两组，使用优化后的矫直机分别对两组导电棒进行矫直，并测量 导电棒矫直前后的弦长和挠度 ， 对比矫直前后的 参数 并分析 其 矫直效果 8-9 。 图 4 为 双旋转毂式矫直机简化模型 。图 5 为根据优化参数设计出的 实验用转毂式矫直机 。 图 4 双旋转毂式矫直机简化模型 图 5 实验用 转 毂式矫直机 Fig.4 The simplified model of double rotary Fig.5 The cross-rol
18、l hub straightener in the experiment hub straightener 图 6 导电棒 的弦长和挠度 示意图 Fig.6 The illustration of the chord length and deflection of the conducting rod 待矫直的导电棒都会发生形变，其可简化为 如 示 意图 6 所示 。 在示意图中， 分别测量 矫直前后的 导电棒 弦长 L 和挠度 h， 通过对矫直前后的 直线度 进行对比来测试矫直机的矫直效果 。 如下所示为 直线度的计算公式： h=L (7) 对比矫直前后的直线度 ，若 是 处理后导电棒越趋
19、平直 ，则 导电棒的 直线度 越小 。 如下表 1-表 2 所示 为导电棒矫直前的各关键 参数 。 表 1 第一组 导电棒矫直前 的关键参数 Tab.1 The key parameters of the first group of conductive rods before straightening 编号 h（ mm） L（ mm） （ mm/m） 1 74 1346 54.97771 2 86 1342 64.08346 3 57 1384 41.18497 4 38 1354 28.06499 5 52 1349 38.54707 6 67 1352 49.55621 7 52 1
20、347 38.60431 8 47 1349 34.84062 9 61 1362 44.78708 10 53 1350 39.25926 平均值 58.7 1353.5 43.36904 表 2 第二组 导电棒矫直前 关键参数 Tab.2 The key parameters of the second group of conductive rod before straightening 编号 h（ mm） L（ mm） （ mm/m） 1 43 1354 31.75775 2 71 1346 52.74889 3 57 1342 42.47392 4 63 1342 46.94486
21、 5 69 1346 51.26300 6 86 1345 63.94052 7 72 1350 53.33333 8 70 1344 52.08333 9 96 1345 71.37546 10 84 1343 62.54654 平均值 71.1 1345.7 52.83496 如下表 3-表 4 所示 为矫直后导电棒的关键参数 。 表 3 第一组 导电棒矫直后 关键参数 Tab.3 The key parameters of the first group of conductive rods after straightening 编号 h（ mm） L（ mm） （ mm/m） 1 6
22、 1354 4.43132 2 7 1356 5.16224 3 8 1393 5.74300 4 3 1359 2.20751 5 5 1359 3.67918 6 7 1356 5.16224 7 10 1358 7.36377 8 9 1360 6.61765 9 5 1373 3.64166 10 6 1361 4.40852 平均值 6.6 1362.9 4.84262 表 4 第二组 导电棒矫直后 关键参数 Tab.4 The key parameters of the second group of conductive rods after straightening 编号 h
23、（ mm） L（ mm） （ mm/m） 1 8 1360 5.88235 2 6 1354 4.43132 3 4 1353 2.95639 4 5 1352 3.69823 5 8 1352 5.91716 6 9.5 1365 6.95971 7 3.5 1360 2.57353 8 3 1354 2.21567 9 4.5 1357 3.31614 10 3 1355 2.21402 平均值 5.45 1356.2 4.01858 通过对比 20 根导电棒矫直前后的 直线度， 可以明显观测到 矫直后的直线度 更小， 且直线度 波动范围为 2mm/m-8mm/m， 所以优化后的 双旋转毂
24、式 矫直机 的矫直效果良好 。如图7-图 8 为两组导电棒矫直前后的直线度对比图 。 在矫直前 ， 测量其各参数并计算出 平均直线度 分别 为： 43.36904mm/m、 52.83496mm/m。在将其送入矫直机 处理 后， 测量 其 各参数并计算出 平均直线度 分别为： 4.84262mm/m、 4.01858mm/m。 图 7 第一组 处理前后 直线度 变化 图 图 8 第二组 处理前后 直线度 变化 图 Fig.7 The first set of straight-line changes Fig.8 The second set of straight-line changes
25、before and after processing before and after processing 4 结论 使用优化后的 双 旋转毂式矫直机 对 20 根导电棒进行矫直， 通过对比矫直前后的直线度等重要参数， 结论如下： （ 1） 首先 明确了 双旋式转毂矫直机的优点 和其 工作原理， 然后将矫直机的 压弯挠度 和受力情况进行分析计算 。 同时通过不断总结，对 双旋转毂式矫直机的 各重要 参数 进行了优化 ，最终将 双二辊排布 作为 辊子 的 排布方式， 将 辊距 设置 为 380mm， 矫直速度 设置为 30m/min。 （ 2） 通过对比 双 旋转毂式矫直机 矫直前后导电棒的
26、直线度，可明显看出 ： 对于 大变形弯曲的导电棒 ， 双 旋转毂式矫直机 具有更 好的 矫直效果 。 参考文献 1 童切 .电镍导电棒六斜辊转毂 矫直机参数设计及优化 D.昆明理工大学 ,2016 2 Schleinzer G, Fischer F D. Residual Stress Formation during the Roller Straightening of Railway RailsJ. International Journal of Mechanical Sciences,2001,43(10):2281-2295 3 宋华 ,杜春生 .斜辊钢管矫正机主要设计参数的选择及
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