[发明专利]一种三辊行星轧机轧制力的计算方法

说明书

本发明涉及三辊行星轧机领域，具体为一种三辊行星轧机轧制力的计算方法。在确定一定轧制工艺参数下一个轧辊与轧件接触区周向分布范围夹角的基础上，计算轧制变形接触区的面积，建立了轧制力的解析模型和计算方程组，通过数值解析获得轧制变形区轧制力的分布，进而获得轧制力。本发明方法可以基于轧辊辊型曲线和轧制基本工艺条件，包括轧辊的偏转角、倾斜角、轧制材料强度和摩擦系数等，定量计算轧件在轧制区内的轧制力变化，较好地反映了工艺条件对轧制力的影响规律。

技术领域

本发明涉及三辊行星轧机领域，具体为一种三辊行星轧机轧制力的计算方法。

背景技术

三辊行星轧机发明之初是用于钢棒材的轧制，后期也向钢管材扩展，可以达到高效低耗短流程的目的。自上世纪九十年代，芬兰奥托昆普公司将三辊行星轧机引入铜管材的连续生产中，显著提高了加工效率，奠定了当前世界范围内主流的铸轧法工艺(“水平连铸-行星轧制”)基础，有关三辊行星轧机结构、运动特点、力能参数、轧件组织等研究不断深入。

轧制力作为轧机的关键参数，对于三辊行星轧机工作过程中承力部件(如：齿轮、轴承等)的稳定性、使用寿命有重要影响，通过建立轧机轧制力的解析模型，分析结构与工艺参数对于轧制力的影响规律，对于轧机的设计与优化具有重大的应用价值。

由于轧件受力状况的复杂性，而且轧辊与轧件接触区域不是规则形状，加上整个轧制过程的压力与摩擦力的变化，使得对于轧制力的计算需要做各种简化与近似。这包括接触面形状的规则化、接触压力的均匀分布等，在简化计算的同时带来较大的误差。文献1[康祖立，秦念祖，项德。行星斜轧机特征参数的理论分析及轧制力的确定。北京钢铁学院学报，1984(s1)：1-10]通过图解法给出了轧制时轧辊与轧件的接触面积的计算方法，乘以单位平均压力后可以得到总的轧制力。但由于三辊行星轧机轧制空间关系的复杂性，三维转二维的图解的过程中有简化，且力的作用区域与方向难以确定。文献2[黄勇，三辊行星轧机轧制过程力分析。昆明理工大学硕士学位论文，2008]和文献3[孙明伟，三辊行星轧机的辊形研究。昆明理工大学硕士学位论文，2012]，利用单位压力微分求解原理推导了总体轧制力的计算公式，并分析计算了一组轧辊设计方案条件下的轧制力和轧制功率的数值。更多的轧制力计算采用了数值模拟的方法，如文献4[Shih C K，Hung C H.Experimental andNumerical Analyses on Three-roll Planetary Rolling Process.Journal ofMaterials Processing Technology,2003,142(3)：702-709]、文献5[李冰、李章刚、张士宏等，铜合金管坯旋轧成形的三维热力耦合有限元模拟。科学技术与工程，2005，17：1294-1297]和文献6[陈生平，铜管三辊行星轧制过程轧制力及轧辊轴力学行为分析。山东大学硕士学位论文，2014]。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三辊行星轧机轧制力的计算方法，通过数值解析可以获得轧制变形区轧制力的分布，进而获得轧制力。

为实现以上目的，本发明的技术方案是：

一种三辊行星轧机轧制力的计算方法，包括如下步骤：

步骤一、计算给定轧制工艺参数下一个轧辊与轧件接触区周向分布范围的夹角；

步骤二、根据轧辊辊型曲线确定轧辊辊面展开扇形面积；

步骤三、利用切块法建立轧制力的解析方程组：

式中，r和为柱坐标系下的坐标量，θ_out为轧出线的周向角，ρ表示轧辊外轮廓上各点到轧件轴线(x轴)的距离；α为偏转角；β为倾斜角；A为行星轮公转半径，k为轧制材料强度；μ为轧辊与轧件间的摩擦系数，p_θ为轧制力；