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摘要:文章主要针对电梯导轨矫直技术进行研究分析，通过建立矫直模型，对导轨端部进行矫直质量对比，以求出辊径变化对导轨端部矫直质量的相关影响，进一步优化辊径矫直技术，旨在提高电梯导轨的矫直质量，以供相关人员参考借鉴。
关键词:电梯导轨;矫直技术;质量;影响
随着高层建筑的不断建设发展，电梯的使用越来越广泛，用户对其的运行质量要求也越来越高。其中，电梯导轨作为引导电梯轿厢运行的关键导向装置，其导轨面的平直度是保证电梯平稳运行的重要因素。因此，为提高热轧并矫直后的电梯导轨精度，解决因轧制及冷却不均等问题导致导轨出现的等截面梁弯曲问题，现通过改变矫直辊直径的优化方法，找出辊直径对矫直质量的影响，进一步完善辊式矫直技术，保证导轨成品的精确度，从而确保电梯的运行质量。
1 有限元模型的建立
1.1 几何模型
新型矫直机是在入口段设置了夹紧辊，如图1a所示，该模型与某公司在订购的矫直设备相同；现用的矫直电梯导轨的矫直机是10辊的矫直机，不设置夹紧辊，如图1b所示。首先，用Solidworks软件建立三维模型，然后导入到ANSYS中进行有限元分析。取待矫直的T型导轨型号为T125，长度取为2000mm。在模型结构中将导轨放在入口矫直辊的前端，这样能减少计算时间。在图1的模型中，假设来料是平直的轧件，即矫直前的钢材原始曲率为零。
图1 矫直模型
1.2 物理模型
模型选用八节点实体单元，采用单点积分以节省计算时间。轧件材料选取Q235A，单元选用双线性各向同性材料，其材料参数如表1所示。考虑到矫直辊环受到矫直轴的支撑作用，将矫直辊环设置为刚性体，其材料参数如表2所示。将矫直辊以及钢板密度放大100倍，以此加快计算速度。
1.3 约束、初始条件和加载求解
在矫直过程中，对矫直辊施加绕Z轴线的转动，同时约束矫直辊X、Y、Z方向的平动和绕X、Y轴线的转动，通过节点组件的方式约束导轨底板Z方向上的平动；导轨的前进主要靠矫直辊与导轨接触面的摩擦带动，设定矫直辊与导轨的接触方式为自动表面-表面接触，接触类型为刚体-变形体接触。仿真过程中，矫直辊与导轨的静摩擦因数取0.3、动态摩擦因数取0.2，电梯导轨的矫直速度为取0.5m/s，分别对钢板和矫直辊施加X向速度和绕Z轴线的角速度。求解时间根据两个模型的具体尺寸求得，输出文件设定为200个子步，设定矫直辊与导轨上下表面的接触反力为矫直过程中的矫直力。
2 仿真结果对比分析
2.1 残余应力的对比
在金属的塑性成型过程中，由于加热、变形、冷却不均匀，都会在工件内出现宏观级、微观级和原子级的附加应力。当外力消失后，在变形体内所留下来的附加应力——残余应力。电梯导轨在完成矫直变形后，由于矫直过程中弹塑性变形产生了新的应力变化，当矫直力消失后，在轧件内部残留下的附加应力即为矫后残余应力。当残余应力大到一定程度，会造成轧件翘曲(弯曲)等缺陷。
根据文献可知，轧件残余应力主要因素是压下量、矫直温度、矫直速度等，且压下量、矫直温度和矫直速度与残余应力大概呈线性关系，根据有限元模型模拟所确定的平均残余应力值和模型所用的矫直参数，用Origin软件进行多元线性回归，由此得到轧件平均残余应力的计算模型为:
σ=－23.1449+1.0256δ1+4.10562δ2+0.02395T+9.76071ε
式中，σ为平均残余应力/MPa；δ1为矫直机前两辊压下量/mm；δ2为矫直机后两辊压下量/mm；T为矫直温度/℃；ε为矫直速度/(rad·s－1)。
在ANSYS后处理软件中，提取两个模型的残余应力，得到的结果如图2所示。
图2 残余应力分布云图
通过观察图2可以看出:由于电梯导轨的头部、尾部矫直时为自由端，所受到的力矩较小，接触应力较小，导致电梯导轨头尾端残余应力也较小，而导轨中部受到较大的力矩作用，接触应力比较大，因此导致电梯导轨中部残余应力较大。在某一相同压下量条件下，提取矫直后等效应力曲线数据，图2a中不同位置点的残余应力为9.7～158MPa，图2b中的残余应力为9.8～171MPa。由此推出，两者相比，新型矫直模型具有较小的最大残余应力和最大最小残余应力的差值，且残余应力分布也较为均匀，矫直后发生弯曲的可能性较小，因此具有更好的矫直质量。
2.2 导轨端部矫直质量对比
图3是两种模型的电梯导轨轨端的局部放大图，该图截取自残余应力云图。
图3 导轨端部矫直质量
从图3中可以明显看出，有夹紧辊的矫直模型的端部矫直质量优于现行的矫直模型。虽然图3a中电梯导轨端部的残余应力比图3b中电梯导轨端部的残余应力大，但是从整根电梯导轨的残余应力分析可以知道，这并不能决定矫直质量。
3 辊径变化对矫直的影响
3.1 对残余应力的影响
以图1a的模型作为研究对象，矫直机的3#、4#辊径减少量分别为0.1%、0.075%和3#、4#辊径减少量分别为0.2%、0.15%时，电梯导轨残余应力的分布如图4所示。
图4 辊径变化后的残余应力分布云图
通过分析图4，可以发现与图2a具有相同的残余应力分布规律，导轨头尾两端残余应力较小，导轨中部的残余应力较大。在某一压下量条件下，经提取矫直后的残余应力等值曲线，图4a及图4b中的残余应力在9.7～170MPa之间。两者残余应力分布情况相似，残余应力值也没有明显的区别。根据以上情况，可以推测出这两种直径变化情况下对残余应力没有明显影响，但是不能推测出直径变化不会改变残余应力，因为与原模型相比，这两个模型的最大残余应力有一定程度的降低。
3.2 对导轨端部矫直质量的影响
图5是两种模型端部的局部放大图，该图截取图4中的自残余应力云图。
4 结果分析
通过以上模拟和分析，可以得到以下结论:
(1)设有夹紧辊的矫直模型与不设夹紧辊的矫直模型相比，无论是在残余应力还是导轨端部矫直质量方面，设有夹紧辊的矫直模型都具有很大的优势；
(2)在设有夹紧辊及其他条件不发生变化的前提下，通过改变3#、4#辊的辊径，对模拟结果的残余应力对比，三种情况下残余应力分布比较相近，最小残余力值也相差不大。但随着辊径变化增大，矫直平直度也降低；
(3)通过模拟分析，辊径变化并非对残余应力和矫直质量都有益，但辊径的减少还是会在某种程度上产生积极影响。因此我们要根据实际需要，具体问题具体分析，正确处理辊径磨损的问题。
5 结语
总之，通过对电梯导轨矫直技术的相关研究，我们可以得出，在运用辊式矫直法进行导轨矫直过程中，有关人员应该从矫直模型的客观实际进行模拟分析，关键留意辊径变化对矫直质量的影响，以此为重点关注因素，研究制定出最为符合实际的矫直方案，从而保证导轨的矫直精度及质量。
参考文献：
[1]李乐毅、王海澜、王效岗、黄庆学.辊式矫直过程中辊间张力对矫直力的影响[J].重型机械.2014(05).
[2]管奔、臧勇、曲为壮、吕智勇、冯伟.辊式矫直过程应力演变及其对反弯特性的影响[J].机械工程学报.2012(02).
论文作者:卢志能
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/20
标签：矫直论文; 应力论文; 导轨论文; 残余论文; 模型论文; 电梯论文; 质量论文; 《防护工程》2017年第18期论文;