矫直辊表面呈一定曲线形状，且与轧件成α角布置，如图1所示。在矫直辊的带动下，轧件既转动又轴向移动，作螺旋前进运动。轧件通过由交错布置的矫直辊所构成的几个弹塑性弯曲矫直单元，各个断面得到多次反弯，达到一定程度的矫直。同时，轧件在旋转中得到不同方向的反弯，也就能够矫直多方向的原始曲率。

轧件通过矫直辊时，每转半周弯曲一次，轧件容易得到多次弹塑性弯曲，所以一般斜辊矫直机的辊数不多，构成1～3个弹塑性弯曲单元，就能达到所要求的矫直精度。

对于管材，除沿长度方向上弯曲的曲率得到消除或减小外，断面形状也同时得到矫直。不仅由于管材弯曲使与辊子接触处断面被压扁，而且可将每对辊子之间的距离凋得比管材直径稍小些，使管材断面更加变扁，从而造成沿圆周方向管壁的应

力与变形分布的不同，即构成方向不同的弹塑性弯曲变形部分。随着管材的转动，沿断面圆周上的变形发生连续交变，形成反复弯曲过程，使椭圆度得到矫直。

斜辊矫直机用于矫直管材和圆棒材，使轧件在旋转前进过程中各断面受到多次弹塑性弯曲，最终消除各方向的弯曲和断面的椭圆度。对于圆断面的轧件，斜辊矫直是最有效的矫直方式，所以斜辊矫直机被广泛用于轧制、拉拔、焊管和其他车间。

为了保证矫直质量，矫直辊应和轧件表面呈线接触，因此，要求对不同直径的轧件采用不同形状的矫直辊。由于轧件的尺寸规格较多，在实际生产中很难满足上述要求。实践证明，采用一种矫直辊辊形曲线，当轧件尺寸改变时，适当改变矫直辊倾斜角度，即可改变轧件与矫直辊的接触情况，也能满足生产上的要求。因此，矫直辊倾斜角要求可调，同时，工艺上还要求随着轧件直径的变化，每对矫直辊之间的距离，也要相应地改变。

根据上述要求，斜辊式矫直机通常由机架、矫直辊、矫直辊升降装置、矫直辊倾角调整装置等组成。

斜辊矫直机按辊子数量可分为二辊（一为凸辊，一为凹辊）、三辊和多辊矫直机，其中2—2—2—1型七辊矫直机和2—2—2型六辊矫直机数量较多，应用较广。随着管材生产的发展，尤其石油用管的增多，二辊矫直机和3—1—3型七辊矫直机也得到了大量应用，有效地消除了管子接头部分的弯曲和椭圆度。

管材矫直机按结构特点制成四种型式：Ⅰ型为立柱式斜辊管材矫直机；Ⅱ型为开式斜辊管材矫直机；Ⅲ型为回转式管材矫直机；Ⅳ型为绞接式三辊组合管材矫直机。管材矫直机的结构型式与基本参数见表1。

传动系统与结构组成

由图2可见，机架是由底座l和上盖8用八个立柱7连接而成的。在机架底座与上盖之间，布置着上下两排共七个尺寸相同的矫直辊2。矫直辊两端装有双列圆锥滚子轴承，并固定在回转圆盘上（图2之6）。下排第一、三两个矫直辊的回转圆盘固定在机架底座上，其余五个（上排四个、下排一个）矫直辊的回转圆盘均固定在上下移动横梁3上，上下移动横梁连同其上的矫直辊的升降与回转机构都装在立柱7上。

由图3可见，矫直机的四个主动辊（顺钢管入口方向的第一对和第三对）分别由两台电机1（30kW）经减速机2和万向接轴3驱动，其余三个矫直辊是空转辊。

矫直辊的调整

所有的上矫直辊都是可以单独调整的，见图2，调整时由电动机5经蜗轮减速机4、压下螺母（蜗轮同时也是压下螺母），使移动横梁3沿立柱7升降，即可实现压下调整。下排中间辊装在下移动横梁上，同样可调整位置高度。矫直辊的位置高度用指示器6表示。

矫直辊在工作时都应调成同一倾斜角度，见图3。调整时首先松开矫直辊回转圆盘6上的切向长槽中的螺栓4，然后转动人口处的手轮8，经蜗杆7及蜗轮带动回转圆盘6，即可使矫直辊旋转至所需要的角度。各矫直辊倾角调整装置中的蜗杆7是用联轴器5联接在一起的。倾斜角度的大小，用装在回转圆盘上的刻度盘和移动横梁上的指针指示的。矫直辊倾角调整好后，仍用回转圆盘上的螺栓4固定。

矫直辊

斜辊式矫直机的矫直辊按结构可分为整体式和组合式的。组合式辊子的辊身是可拆卸的，一般用键联接。辊身的材质分锻钢、铸钢、铸铁和非金属材料。铸钢辊身的寿命高于锻钢辊身寿命，尤其是离心铸造的辊身寿命特别高。当矫直薄壁管和表面质量要求高的管子时，采用胶面辊身或胶木辊身。

斜辊矫直机的矫直质量在很大程度上决定于矫直辊的辊形，合理的辊形应该是在矫直过程中沿辊子整个工作段钢管与辊子完全接触，形成空间接触带。显然，精确地确定这种辊形曲线将是相当困难的。一种辊形曲线是按一种钢管尺寸制定的，但又必须适应一定尺寸范围的钢管矫直要求，这往往是通过调整辊子的倾角来满足。另一方面，随着辊子磨损，辊形也在不断变化。因此，在保证一定矫直质量的前提下，采用某种近似的简化曲线作为辊形曲线也是可以的。

按钢管的最大直径和选择较大的倾角设计辊形曲线，对于较小直径，可调整辊子，使倾角适当减小。一般矫直机的倾角范围为25°～35°。

斜辊矫直机用于矫直钢管与圆棒料，使轧件在螺旋前进过程中各断面受到多次弹塑性弯曲，最终改善轧件的弯曲度和断面的椭圆度。机架是斜辊矫直机的重要部件，也是矫直机中一个关键的、非更换的永久性部件，其结构、受力状况和使用工况都比较复杂，承受着矫直机工作时的全部载荷。

斜辊矫直机通常采用组合式预应力机架，由上、下横梁和立柱系统组成，其中上、下横梁是矫直机机架的关键组成部分，其强度与刚度直接影响着矫直机的寿命与矫直产品的质量。横梁的设计除要确保矫直机机架在使用过程中的安全性和合理的寿命外，还要考虑制造工艺的简化。鉴于此，如何合理可靠地计算横梁强度和刚度是矫直机机架设计时必须解决的重要问题。

以往的矫直机上、下横梁大多设计为铸件，铸件的制造周期长，单件生产成本高，又容易产生铸造缺陷。多采用铸焊结构，而因横梁内部有很多筋板，计算较为复杂。设计时机架力学分析的主要方法是应用简支梁简化模型， 将横梁的受力及截面进行简化，虽然能够得出横梁大约尺寸（如横梁厚度、上下板厚度等），但不能获得其内部受力与变形分布的细节；因此，要想从设计环节提高产品质量，对上、下横梁进行模拟仿真分析是十分必要的。

机架横梁矫直机机架

以一条不锈钢钢管六辊矫直机生产线的工程项目为例，通过有限元结构分析软件ANSYS对矫直机机架模型进行模拟仿真分析及优化。该项目矫直机机架如图3所示，其为立式结构，上横梁装有压下机构及上矫直辊组，下横梁装有反弯机构及下矫直辊组。根据结构需要，下横梁需设置地脚孔，使整个机架固定在地基上，故设计时其厚度比上横梁厚很多。在上、下横梁受力相同的前提下可以得出，该矫直机机架上横梁的刚度、强度比下横梁低；因此，本文只对上横梁进行优化分析。

机架横梁机架上横梁三维模型及分析

（1）三维建模

根据要矫直的管棒材规格、材质等性能参数及矫直精度等要求，首先确定辊系型式为对辊六辊结构，然后确定辊距和立柱位置等结构参数，再进一步计算出矫直力。利用大型通用的有限元结构分析软件ANSYS，根据结构的实际尺寸，建成如图4所示的矫直机机架上横梁模型。

（2）对模型进行加载及约束

在上横梁模型（图4）中，分别在中间3个大圆筒的圆环面向上加载矫直力2500 kN，并分别将周边安装立柱的8个圆环面约束固定。在将上横梁边界条件及各参数设定后，开始利用ANSYS软件进行单元格划分及计算。

（3）模型分析

矫直机机架的上横梁受力情况如图5所示，可以看出横梁在额定载荷条件下，最大等效应力为75.66 MPa（压应力状态）；因此，立柱孔附近的应力集中状况可以不作强度分析的重点。另外，从矫直机机架上横梁内部筋板受力情况（图6）可以看出，横梁中的部分筋板存在应力集中的情况，也有部分筋板基本上处于不受力的状态，如图6中标记的1、2筋板。虽然在设计的时候，对主要受力的筋板采用了较厚的钢板，但其平均应力为35～42 MPa，横梁的屈服强度为250 MPa，因此安全系数仅为6.0～7.1。通常设计要求安全系数为8.0～10.0，可见横梁偏弱。

机架横梁机架上横梁改进结构的模型及分析

（1）结构改进

从上述的计算结果可以看出， 矫直机机架上横梁受力偏大，安全系数不够，因此需要改进。

① 加强筋板厚度。从图6中可以看出，筋板3为主要受力板，将此板加厚10 mm，重新分析计算，结果显示筋板3的受力稍微减小，但改善效果不明显。可以得出结论：不改变筋板布置、仅加强筋板厚度的办法对横梁的受力改善不大。

② 改变筋板布置。根据横梁的受力与约束条件可以看出，当正常工作时，3个矫直辊全部受力，横梁中间部分以立柱孔为固定点整体向受力方向弯曲，因而筋板3受力很大，筋板1、2几乎不受力。改进措施：在不改变横梁筋板厚度的前提下，将不受力的筋板与受力点或固定点连接起来，于是在筋板1与固定点（立柱筒）之间增加筋板、在筋板2与中间受力筒之间增加筋板， 模型如图6所示。重新分析计算，结果是内部各筋板均受力，且受力更均匀，应力减小明显。

（2）强度分析

在同样的材料属性和同样的边界条件下，对改进后的模型进行分析。

上横梁改进之后的模型筋板受力状况有了很大程度的改善，各个筋板得到充分利用，应力分布比较均匀。根据计算结果，筋板上的最大等效应力都在25～30 MPa之间，所以其安全系数为8.3～10.0，改进后的结构完全满足设计要求的安全系数。

机架横梁机架上横梁改进前后性能对比

对矫直机机架上横梁的筋板进行重新布置、优化后，在额定载荷条件下，其受力由原来的35～42MPa减小为25～30 MPa，强度性能大约提高了25%，并且受力分布也更加均匀。

上横梁的筋板进行重新布置、优化后，横梁在额定载荷条件下，最大位移由原来的0.339 mm变为0.276 mm，整体刚度提高了18.6%。

上横梁的筋板进行重新布置、优化后，横梁内部筋板的安全系数由原来的6.0～7.1提高到8.3～10.0，安全系数大大提高。

1 绪论

1.1 金属条材的弯曲与矫直

1.2 金属条材弹塑性弯曲的几何与力学特性

1.3 金属条材的矫直设备

2 压力矫直机

2.1 压力敌直机的工作原理与参数计算

2.2 压力矫直机的分类与实例介绍

3 平行辊矫直机

3.1 平行辊矫直机的工作原理

3.2 平行辊矫直机的参数计算

3.3 平行辊矫直机的分类与实例

4 斜辊矫直机

4.1 斜辊矫直机的工作原理

4.2 斜辊矫直机的参数计算

4.3 斜辊矫直机的分类与实例介绍

5 旋转反弯式矫直机

5.1 旋转反弯式矫直机的工作原理

5.2 旋转反弯式矫直机的参数计算

5.3 旋转反弯式矫直机分类与实例介绍

6 拉伸与拉弯矫直机

6.1 工作原理

6.2 参数计算

6.3 实例介绍

7 相关参数的确定、重点课题的讨论及计算实例

7.1 主要弯曲参数与弯曲程度之间的数植关系

7.2 普通斜辊矫直机辊子斜角的调整原则

7.3 反弯辊形曲率半径与辊子斜角的确定方法

7.4 圆材与辊面间滚动摩擦系数的确定方法

7.5 扁钢矫直技术的理论探讨

7.6 浮动孔型矫直技术的讨论

7.7 矫直机计算实例

7.8 二辊矫直管材技术的讨论

7.9 数控压力矫直机的压弯量数学模型介绍

7.10 文字符号的说明

参考文献2100433B

全书共分7章。主要内容包括：矫直技术的基本概念及基础理论；重点介绍各类矫直机的结构与设计计算，如压力矫直机、平行辊矫直机、斜辊矫直机、旋转反弯矫直机（转毂工矫直机及平动式矫直机）、拉伸与拉弯矫直机等。