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象，对转毂式斜辊矫直机进行研究，利用优化后的矫
2、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 HubMO Hanlin1,SUN Dongming1,WANG Lizheng1,ZHONG Chen1,ZHAI Fubing2,WANG Tianbing2(1.Kunming University of Science and Technology, Kunmi
3、ng 650500, China2. 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 the current through the conductive rod, and final
4、ly 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 of the degree of automation need to use the con
5、ductive 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 domestic nickel smelter for the study. By using the op
6、timized 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 rod.Key words: straightening of rotating the hub;
7、 the conductive rod; analysis of straightening parameters0 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
8、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
9、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 defle
10、ction 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：（1）0xC而在该截面处，导电棒的转角变化量则为 ，设其原始弯曲挠度为xdCd，则总的压弯挠度即为：0（2）1110000()xxtxdyA 在式中： , ，所以在计算出导电棒的弯矩后，ttAMEI()()tttCgMCg则可算出其总曲率，最终
11、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
12、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， ；当导电棒所在接触区最大时， ， 为d=0.5J d=J辊径， 为等效接触区。dJ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:（3）dp10+2J导电棒的直径为 ，则在本文中近似取辊径 mm。36mp=802.3 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
13、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，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：（4）gLt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：（5）2R上式
14、中 R 为辊段圆角半径，通常取铜棒的最小直径，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 ，则辊子的斜角为：cottdComment L1: Comment L2: 字母参数要斜体. （6）60cot()tardn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
15、大导电棒与辊子的接触区域。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-roll hub straightener in the
16、experimenthub 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：(7)=对比矫直前后的直线度 ，若是处理后导电棒越趋平直，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
17、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 54.977712 86 1342 64.083463 57 1384 41.184974 38 1354 28.064995 52 1349 38.547076 67 1352 49.556217 52 1347 38.604318 47 1349 34.840629 61 1362 44.7870810 53 1350 39.25926平均值 58.7 13
18、53.5 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 31.757752 71 1346 52.748893 57 1342 42.473924 63 1342 46.944865 69 1346 51.263006 86 1345 63.940527 72 1350 53.333338 70 1344 52.083339 96 1345 71.3754610
19、 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 1354 4.431322 7 1356 5.162243 8 1393 5.743004 3 1359 2.207515 5 1359 3.679186 7 1356 5.162247 10 1358 7.363
20、778 9 1360 6.617659 5 1373 3.6416610 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（ mm） L（ mm） （ mm/m）1 8 1360 5.882352 6 1354 4.431323 4 1353 2.956394 5 1352 3.698235 8 1352 5.91716Comment L3: 补充卷数。6 9.5
21、1365 6.959717 3.5 1360 2.573538 3 1354 2.215679 4.5 1357 3.3161410 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：4.84262m
22、m/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 before and after processing before and after processing4 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
23、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. Internation
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