（机械电子工程专业论文）地下卷取机卷取过程的有限元动态仿真.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 地下卷取机工作过程是一个影响因素非常复杂的非线性变形过程，仅仅依靠人们的生 产经验或经过简化的解析研究，很难满足工艺设计的需要。采用实验研究的方法又难以多 次再现卷取过程中各种因素的影响规律，而实验结果往往只限于某一品种或某一条件，不 具各普遍性。本文以某厂主轧线卷取设备为研究对象，利用有限元软件对该套卷取设备卷 取某型号带钢工作过程进行动态仿真，主要研究内容包括： 1 、根据卷取设备工作原理对卷取工艺模型进行适当简化，结合现场测试的数据，利 用三维动力学有限元软件合理建立卷取机卷取过程的动态有限元模型； 2 、利用动态仿真分析结果，提取卷取机实际生产过程中不方便直接测量的数据，如 助卷辊、成型板、卷筒受到带钢反作用力，卷取过程中各个阶段带钢的应力应变情况，为 实际生产中卷取工艺参数的制定提供依据； 3 、利用有限元参数化设计语言编写卷取机卷取过程分析专用代码，从而方便工程师 对卷取机卷取带钢过程进行相关的分析； 4 、分别在不同带钢后张力情况下，对卷取带钢过程进行动态仿真模拟，分别提取不 同带钢后张力下1 # 助卷辊受到带钢的反作用力，通过反作用力时间曲线能够观察卷取稳定 时反作用力的大小和时间，由此比较得到带钢后张力较优的制定值。 利用有限元动态模拟仿真分析方法，能够清楚的观察到卷取过程中各个阶段带钢的应 力应变情况，通过对不同后张力下带钢卷取过程的分析比较，得到带钢后张力较优的制定 值，为卷取机的进一步发展提供新的研究方法。 关键词：卷取机；有限元；动态仿真；张力 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e f 酎o u n dc o i l e ri sa ni m p o r r t 锄te q u i p m e n ti ns t r i p e ds t e e lp r o d u c t i o nl i n e n l ep r o c e s s o fs 臼j p e ds t e e lc o i l i n gi sav e 巧c o m p l i c a t e d ，n o n - 1 i n e a rd e f o n n a t i o no n e o i l l yr e l y i n go nw e p e o p l e sp r o d u c t i o ne x p e r i e n c eo rs i m p l i f i e da 1 1 a l y t i c a ls t l l d yc o u l dn o tm e e tm en e e do fc 斌 d e s i 印e x p e r i m e n t a ls t u d yc o u l dn o tr e p r o d u c ee v e r ) re l e m e n t si n l p a c tl a wi nm ep r o c e s so f c o i l m g a n de x p e r i m e n t a lr e s u l ti sc o i i l 】【n o i l l yr e s m c t e di no n e 咖eo fp r o d u c t i o no rac e r t a i n c o n d i t i o n ，w h j c hi sn o tv e r yc o m m o n t l l i sm e s i st a ：k e so n ef a c t o 巧sm 血r o l l i n gl m ec o i l i i l g e q u i p m e n ta ss t u d yo b je c t ， d y n 鼬i c a l l ys i m u l a t i l l g 也ec o i l i l l ge q u i p m e n t so p e r a t i n gp r o c e s so fc o i l 试gac e r 嘶n 啪eo f s 仃i p e ds t e e l 谢t 1 1f l i l i t ee l e m e n ts o m a r e t h ec o n t e n tc o n s i s t so fm ef o l l o 讯n gp a r t s ： 1 c o i l i n gc m rm o d e lw a sp r o p e r l ys i i l l p l i f i e do nt 1 1 eb a s i so fc o i l i i l ge q u i p m e n to p e r a t i n g p r i n d p l e c o m b i l l e dw i t l lf i e l dt e s t i n gd a t a b u i l d i n gad y n 锄i cf i i l i t ee l e m e n tm o d e li nm e c o i l i i l ge q u i p m e n t sc o i l i n gp r o c e s s 谢m t l l r e ed i m e n s i o nd ) ，n 锄i cf i l l i t ee l e m e n ts o f h a r c ； 2 a c c o r d i l l gt od y n a r r l i cs i m u l a t i n ga n a l y t i c a lr e s u l t ，t l l ed a t ac o u l d n o tb et e s t e dd i r e c u yi i l m ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s sc o u l db ee ) 【仃a c t e d ，s u c ha sw r a p p e dr o l l ，m o l d i n gb o a r d ，r e e l s s 仃i p e ds t e e lr e a c t i o nf b r c e ，a n ds t r i p e ds t e e ls 仃e s ss i t u a t i o ni ne v e r ) ，s t e po fc o i l i l l gp r o c e s s ， 、h i c hc o u l dp r o v i d eb a s i s f o rc o i l i n gc r a rp a r 锄e t e r sf o n n u l a t i i l gi i lt l l ea c t u mp r o d u c i n g p r o c e s s ； 3 c o m p i l m gm es p e c i f i cc o d ew l l i c hi s0 1 1 l yf o r 廿l ea i l a l y s i so fc o i l e r s 。c o i l i n gp m c e s s ，a n d f a c i l 溉堍t l l ee n g i n e e r st oa d v a n c e 也er e l a t e da 1 1 山s i so fr e e i sd e f o n n a t i o n 世e rs 恤s s ，缸a l l y g u i d i n g t l l ea c t u a lp r o d u c t i o nb e t t e r ； 4 w i t l lf i n i t ee l e m e n ta i l a l y s i s ，i i ld i 虢r e n ts 仃i p e ds t e e lr e a rt e n s i o nf o r c es i t u a t i o n ，廿l e p r o c e s so fc o i l e rc o i l i l l gs 仃i p e ds t e e l c a nb ed y n a n l i c a l l ys i r r l u l a t e dt 0g e td i 丘e r e n tr e a c t i o n f o r c e st om a p p e dr o u 洫d i 舵r e n ts t r i p e ds t e e lr e a rt e n s i o ns i m a t i o n w i 也r e a c t i o nf o r c e st 妇e c u n ，e ，血er e a c t i o nf o r c e ss 仃e n g t l l 甜l dt i m ec o u l db eo b s e r v e dt og e t af o m u l a t i n gv a l u em a ti sa s 仃i p e ds t e e lr e a rt e n s i o nf o r c ei sb e 他r ； t h em e s i sd y n 锄i c a l l ys i m u l a t e so p e r a t i l l gp r o c e s so fc o i l e ro nt h eb 2 l s i so fb u i l d i i l gc o i l e r f i 血t ce l e r n e n tm o d e lr e a s o n a b l y w i 也f i n i t ed y n 删cs i i l l u l a t i o n ，m es 仃i p e ds t e e lf o r c eb e a r i n g c h a i l g e sc o u l db eo b s e n r e dc l e a r l yi ne v e 巧s t e po ft h ec o i l i n gp r o c e s s ，a 1 1 dm e d a _ t am a tc o u l d n o tb et e s t e de a s i l yi i lm ea c t u a lp r o d u c t i o nc o u l db ee x 仃a c t e d t h r o u 曲a n a l y s i sa n dc o i i l p a r i i l g o fs t r i p e ds t e e lc o i l i n gp r o c e s si nd i 鼢e n tr e a rt e n s i o nf o r c e ，m eo p t i i i l i z e dv a l u eo ft l l er e a r t e n s i o nf o r c ec o u l db ea c q u i r e d k e yw o r d s ：d o w n - c o i l e r ；f i n i t ee l e m e n tm e m o d ；t e n s i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景 现代热轧带钢的生产模式是连续化成卷生产，而且热轧主轧线中最后一步关键的工序 是由卷取机来完成带钢的卷取。将板带材卷绕成卷以及控制轧机出口张力是热轧带钢卷取 机两个主要的功能。在实际生产中，卷取机是在振动、高负载、高温、冲击、水及氧化铁 皮等恶劣复杂环境下工作，并且卷取机是一个集机械、电器、控制、传动为一体的系统。 所以如果卷取机发生故障，则会严重影响到产品的质量，例如所卷成的带卷会出现划伤、 松卷、头端压痕、边浪等严重质量问题。这些问题会导致热轧生产不能顺利进行，甚至还 会对整个生产线造成严重影响。经过长期带钢生产实践总结出的经验，各钢铁企业清楚地 认识到了轧机生产能力的发挥好坏跟卷取机的工作状态好坏有着直接的关系【l 2 】。 由于产能过剩目前国内钢铁产品的销售存在很大的压力，因此钢铁厂应该以当前的市 场结构为导向，提高市场上需求量比较大的钢铁产品的产量，比如集装箱板、抗酸洗的管 线钢、汽车板材( 高强度汽车大梁钢) 、低温高强的车轮钢等。此外，对抗拉强度在8 0 0 兆帕至1 0 0 0 兆帕之间的高强度板带材目前市场需求量越来越大，经济效益前景十分广阔。 随着大规格、高强度钢铁产品占有率的不断增加，目前主轧线上的卷取设备已经成为保障 正常生产、提高产品质量、提升产品产量、高强度新产品开发的制约瓶颈【3 4 】。 卷取机卷取过程是一个影响因素非常复杂的非线性变形过程，仅仅依靠人们的生产经 验或经过简化的解析研究，很难满足工艺设计的需要。采用实验研究的方法又难以多次再 现卷取过程中各种因素的影响规律，而实验结果往往只限于某一品种或某一条件，因此不 具备普遍性。利用计算机能够在设备制造之前或者在卷取生产之前模拟卷取过程的变形受 力，以代替物理模拟实验和现场试验，避免物理模拟实验的经费投入和现场试验的损失， 而且能够方便地再现各种工艺参数对卷取过程的影响，为优化卷取工艺和改进产品精度与 性能提供理论依据【5 】。 1 2 课题研究目的 地下卷取机主要用于高生产率的热轧宽带钢生产线上，生产实践说明，保证卷取机正 常工作对提高轧机的生产率有重要的意义。目前热轧带钢生产中采用得最多的方法是连续 化成卷生产，并且带钢的卷取也是由卷取机来完成的热连轧工艺中最后一道非常关键的工 序，因此在热连轧主轧线上卷取机是极为重要且必不可少的设备。 武汉钢铁集团热轧二分厂2 2 5 0 主轧线，机组设计单位是德国的德马克公司以及西马 克公司，是近年来国内最新投产运行的最先进设备之一。为充分利用设备的能力及发挥设 备潜能，二分厂积极开展高强度钢材品种的开发( 主要开发热连轧板材中抗拉强度大于6 5 0 兆帕的板材品种) ，不过由于卷取机组设计上的种种原因，生产上述品种板材有非常大的 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 困难，只有几千吨的年产量。从实践生产中渐渐发现，自动卷取模型的精度比较低并且其 覆盖面也不广，甚至一些参数的设置是错误的，没有能够用来借鉴或指导的钢铁产品规格， 选取参数的标准不统一，以至于卡钢现象常常发生，产量也相对普通钢铁产品降低了三成 左右。这些现象都己成为保障产品质量，提升钢厂产量以及高强度新产品开发的制约瓶颈。 因此针对这些现象，利用有限元软件对该套卷取设备卷取带钢进行动态仿真，动态有 限元分析方法能够清楚的观察到卷取过程中各个阶段带钢的应力应变情况，通过对不同后 张力下带钢卷取过程的分析比较，得到带钢后张力较优的制定值，为卷取机的进一步发展 提供新的研究方法。 1 3 仿真技术在冶金行业上的应用 近些年来由于计算机硬件发展迅猛，由此计算机仿真技术也得到很快的发展，当前计 算机仿真技术在许多行业上应用都十分广泛。计算机仿真技术在钢铁冶金行业上也有十分 广阔的应用，比如在钢铁制造过程的冶炼、精炼、轧制、矫直等工艺中，应力场、流场、 温度场、金属组织性能都应用到计算机仿真技术。钢铁生产过程的板形精确控制、新产品 开发也都都需要进行相应模拟与仿真。实际生产过程中利用计算机仿真技术不仅能够节省 新产品开发花费及时间，还能提高试验成功率【6 】。 在我国钢铁冶金领域中计算机仿真技术起步相对较晚，不过由于日益激烈的市场竞争 和迅猛发展的科学技术，目前很多高校及研究机构利用有限元分析软件对钢铁生产工艺过 程进行了研究分析。我国许多钢铁企业也利用模拟仿真技术对轧制过程、卷取过程以及矫 直过程开展了相关研究工作。 二十世纪七十年代计算机仿真技术就开始应用于板带材连轧的研究当中，日本学者这 一阶段在该方向进行了许多研究工作，他们对冷连轧过程仿真进行了一些深入探讨，学者 铃慕和镰田等利用线性动态模拟方法对连轧过程进行仿真，并通过相关实验验证得到模拟 结果是正确的。到了九十年代后期，轧制过程的计算机仿真开始了新的研究阶段。德国、 美国、日本一些电器设备公司研发部在设计制造连轧机时，运用仿真技术，通过计算机仿 真使设计更加完善，同时开发成本大大下斛7 ，8 】。国内在轧制方面计算机仿真研究起始予七 十年代末，北京钢铁研究院的张永光等人对冷连轧过程进行了计算机模拟，由于将张力模 型表示为差分方程形式的状态方程，因此得到了比线性化更高的计算精度。近年来，我国 有关学者将计算机仿真技术运用于轧制过程方向做了许多工作。东北大学潘学军在建立多 机架连轧机的工作线性化模型的基础上开发相应冷轧仿真软件，该软件比较全面，能够分 析连轧过程各机架相关参数的关系。太原机械学院的高慧敏开发了考虑动态影响的热连轧 仿真软件，将连轧机工作过程分成三个阶段穿带、正常连轧和抛钢，该软件可以对压 力和前馈自动增益控制进行仿真【9 】。燕山大学杜凤山，建立了三辊张力连轧过程的计算机 模拟系统，并成功开发了一套有限元模拟软件，应用于实际生产，取得了良好的结果和经 济效益。该软件采用空间解析和有限元结合，用空间解析法对张力减径过程的工艺进行分 析，揭示了在各种调节参数下孔型的几何特征，用有限元模拟分布，揭示应力应变分布变 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 化规律，从而优化了轧制工艺，大大缩短了模拟时间，同时保证了模拟精度i i u j 。 与此同时，国内许多学者对热连轧系统进行局部的仿真研究，取得了大量有意义的成 果。燕山大学的高英杰等人在轧机a g c 系统的动态仿真模型进行深入研究，作了大量的工 作，建立了比较完善的动态仿真模型。该模型由于同时考虑了轧机辊系及回油背压管道的 影响，因此利于用来分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度的影响。这些研究为进行热 连轧及其控制系统的仿真奠定了坚实的理论基础【l 。 关于利用有限元软件对矫直机工作过程进行模拟仿真分析方向也有一定的进展。日本 相关学者对矫直机工作过程矫直辊和板材接触位置进行了一定研究，得到结论为两者之间 的接触点在矫直过程之中处在矫直辊前方位置，且接触点的位置并不是固定不变的而是随 着板材的厚度不同而变化的，这种变化势必也会影响到矫直当中的弯曲曲率。较薄的板材 会使得超前接触时轧件倾斜度偏向咬入方向，这样很容易导致接触点前面过紧，而接触点 后面则太松出现缝隙等，最终会使得弯曲变形及矫直力计算精准度；而较厚的板材，由于 接触点一般处于矫直辊下方位置，在矫直过程对弯曲变形的影响微乎其微。周存龙等人 【1 2 1 3 ，1 4 】运用计算机仿真软件，根据板材厂引进德国第三代矫直机相关参数，和现实生产之 中对矫直辊的设置、相应板材几何尺寸以及力学参数，由此合理建立矫直机有限元动态仿 真模型，对矫直过程中的板材应变以及应力情况进行分析。通过仿真可以大致得出在矫直 过程中板材的变形规律，模拟还可以得到平时在现实生产中不容易检测出的一些性能参 数，比如矫直辊的位置会对板材的弯曲变形有何影响、测算出矫直机工作过程力能参数， 这些研究结果的得出可以不断改进已经建立起来了的矫直模型，使得模型能够跟现实矫直 过程中的板材变形状况相吻合【l5 1 。北京科技大学崔丽红，根据某厂矫直设备相关工艺参数， 合理建立矫直机矫直型钢过程的动态有限元仿真模型，通过仿真能够得到，矫直过程型钢 横截面上的应力是由于应力波从翼缘处由外向内、由两端向中心处的传递过程，中心位置 即腹板的应力最大【l6 | 。 近几年来我国相关专家学者在建立带钢卷取过程仿真方向做了许多行之有效的研究， 特别是对卷取机卷筒的仿真分析方面很多学者进行了相关工作。重庆大学沈寿荣，在多种 不同工况下，对带钢卷取机的卷筒轴，利用有限元软件a n s y s 进行了三维有限元分析。 分别获得不同轴径下的变形、不同轴间距情况下应力和轴承支反力，接着利用数学分析软 件拟合变形、应力和轴间距之间的曲线，在实际使用时达到了快捷方便，准确计算的目的， 从而有效指导实际生产i l7 1 。东北大学史锡强，分别在不同的载荷条件下，利用有限元分析 软件a n s y s 对卷取机卷筒进行静态，模态和动态应力变形分析。在进行卷筒动态分析研 究时，分析了卷筒在一定的卷重作用下，以不同的转速旋转时卷筒的应力变形情况，研究 结果表明卷筒所受应力随着转速的增加而增加，变形量也随之增加但变化相对较小【l8 】。燕 山大学焦时光，在清晰了解卷取机结构以及参数的基础之上，以三维制图分析软件p r 晚 为平台，依次建立卷取机模型、装配各部件以及模拟卷取机工作过程。然后经过推算能够 得出卷取设备主传动系统的弹性变形及传动误差计算公式，根据相关计算公式能够计算卷 取机的精度以及响应时间。再利用三维有限元仿真软件m a r c 校核卷取设备卷筒中的重要 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 部分扇形板的强度，分析其边界条件以及约束情况，建立卷筒中扇形板的有限元模型， 对其进行应力应变的有限元分析【l9 1 。西安科技大学王清亮，在合理建立卷取机卷筒的动力 学模型基础上，详细分析卷筒在卷取过程中的动力学行为，根据卷取过程中卷筒不同的受 力状情合理建立相应数学模型，通过分析找到在卷取过程中导致带钢卷取不合格的原因， 即卷取不良是由于卷筒的震动的幅度以及倾斜的程度引起的。指出了卷形不良的内在机 理，得出的结论是，卷取过程卷筒发生倾斜以及产生振动是导致带钢卷取不合格的主要原 因。为了确保建立起的模型的准确性还运用软件m a t l a b 模拟仿真了卷筒的动力学情况【2 0 1 。 关于卷取机的控制方面也有相关计算机仿真研究。北京科技大学尹忠俊，针对某钢厂 热轧1 7 0 0 生产线上卷取设备的特点，利用动力学分析软件a d a m s 进行动力学仿真，为 卷取机的设计和技术改造提供了一定的理论依据。仿真结果表明：卷取设备踏步系统采用 液压伺服控制系统，其响应时间和控制精度均是能够保障的。他的研究步骤是这样的：首 先合理建立该套卷取设备有限元模型，该模型能够成功实现控制与机械系统联合仿真分 析；然后在多机耦合模型基础上，计算液压缸的负载变化规律、助卷辊的踏步轨迹以及液 压缸的油压变化规律；最后分别分析不同参数对控制系统影响程度大小【2 l 】。东北大学崔建 江，建立了控制热轧卷取机张力的系统，这样能够便捷的分析探究热轧卷取机的运行过程， 得到比较准确的数据以及仿真效果。进行仿真模拟时可以设定好卷取机的张力，建立适当 的模型，可以对卷取机张力设定过程的控制策略、设定模型等进行仿真研究。既避免了现 实生产所需耗费的巨大财力物力及保证生产安全，还能够根据模拟不断改进系统。此次模 拟仿真系统的建立还能够为其他的热轧或冷轧卷取机系统起到借鉴作用。通过热轧卷取机 张力控制系统的建立，实现了对热轧卷取机的工作过程的分析研究，获得了理想的运行数 据和仿真效果。在此仿真平台上，可以对卷取机张力设定过程的控制策略、设定模型等进 行仿真研究。即保证了现场生产的安全进行，又能够对卷取机系统的改进提出科学依据。 该仿真系统的构建方法和控制策略研究方法，可为其他热轧或者冷轧卷取机的系统所参考 或借鉴【2 2 ，2 3 】。河北理工大学刘左东，利用动力学仿真软件a d m s 和实体建模软件p r o e 合理建立卷取机助卷系统模型，该模型能够为分析助卷辊系统中的运动学及静力学提供平 台，通入细致深入的分析研究得出卷取机助卷系统中的一系列相关数据，如压力补偿系数、 重力补偿系数，以及驱动油缸压力所遵循的规律。卷取机助卷辊踏步控制系统的控制模型 和数学模型的建立充分考虑到了液压伺服阀负载压力、油缸负载以及油缸的力平衡，而且 仿真分析了助卷辊踏步控制液压系统中各种性能，如在系统中位置控制以及压力控制的响 应速度以及稳定性等【2 4 j 。 总结比较上述仿真技术在冶金行业上的应用，综合分析上述专家学者利用各种仿真软 件对板带材生产过程的轧制、卷取、矫直进行的仿真模拟。考虑到带钢的卷取过程是反复 弹塑性变形的复杂过程，涉及到材料、几何和接触等多重非线性问题，选用 a n s y s l s d 寸a 作为有限元软件分析工具比较合适。利用动态有限元分析方法能够清楚 的观察到卷取过程中各个阶段带钢的应力应交情况，通过对不同后张力下带钢卷取过程的 分析比较，得到带钢后张力较优的制定值，为卷取机的进一步发展提供新的研究方法，同 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 时为实际生产中卷取工艺参数的制定提供依据。 1 4 本课题的研究内容 卷取机卷取过程是个影响因素非常复杂的非线性变形过程，仅仅依靠人们的生产经 验或经过简化的解析研究，很难满足工艺设计的需要。采用实验研究的方法又难以多次再 现卷取过程中各种因素的影响规律，而实验结果往往只限于某一品种或某一条件，不具备 普遍性。本文以某厂主轧线卷取设备为研究对象，利用动态有限元分析方法清楚的观察到 卷取过程中各个阶段带钢的应力应变情况，通过对不同后张力下带钢卷取过程的分析比 较，得到带钢后张力较优的制定值，为卷取机的进一步发展提供新的研究方法。本课题研 究的内容主要有以下几点主要研究内容包括： 1 、根据卷取设备工作原理对卷取工艺模型进行适当简化，结合现场测试的数据，利 用三维动力学有限元软件合理建立卷取机卷取过程的动态有限元模型； 2 、利用动态仿真分析结果，提取卷取机实际生产过程中不方便直接测量的数据，如 助卷辊、成型板、卷筒受到带钢反作用力，卷取过程中各个阶段带钢的应力应变情况，为 实际生产中卷取工艺参数的制定提供依据； 3 、利用有限元参数化设计语言编写卷取机卷取过程分析专用代码，从而方便工程师 对卷取机卷取带钢过程进行相关的分析。 4 、分别在不同带钢后张力情况下，对卷取带钢过程进行动态仿真模拟，提取1 # 助卷 辊受到带钢的反作用力，通过反作用力时间曲线能够观察卷取稳定时反作用力的大小和时 间，由此比较得到带钢后张力较优的制定值。 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 第二章卷取机工作原理及工作过程容易出现的问题 2 1 卷取机的结构 卷取机在带钢生产线上有各种各样不同的形式，将卷取机安置在车间地坪之下是最主 要的形式，故称之地下卷取机。卷取机的作用可以简述为用来将超长带钢收起，并将 其卷取成卷以便于运输和储存。卷取设备在线材和带材生产线中有十分广泛的应用，卷取 设备的好坏对轧制生产的质量和产量有直接影响。因此，广大冶金设备行业工作者对生产 速率高、卷取能力强卷取设备的研究一直广泛重视。 地下卷取机主要用于高生产率的热轧宽带钢生产线上。近年来，由于热带钢连轧的技 术发展，使其产量、品种、规格不断增加，轧制速度不断提高，从而相应地对卷取设备提 出了更高要求，如钢卷单重加大、卷出的钢卷要求紧密而整齐，咬入和卷取速度提高，卷 取的带钢宽度、品种范围变宽，停机时间缩短等【2 5 1 。 地下卷取机位于热连轧精轧组的出口处，一般依次布置三台。在轧机连续生产过程中， 两台卷取机相互交替工作，剩下的一台卷取机备用。卷取机主要由夹送辊系统、助卷辊系 统、卷筒及传动系统组成，其结构示意图如图2 1 所示。该卷取机为三辊式卷取机，由夹 送辊、导板、助卷辊、卷筒及卸卷装置等组成。下面以该卷取机为例介绍卷取机各部分结 构的功能。 夹 图2 1 卷取设备结构简图 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 夹送辊的功能：夹送辊是由上夹送辊、下夹送辊、辊缝调节装置及张力辊传动装置等 组成。在带钢离开轧机时保持卷取张力并在卷取开始时咬入带钢，迫使带钢头部向下弯曲， 沿导板方向进入卷筒与助卷辊的缝隙进行卷取。 助卷辊和助卷导板的功能：助卷辊和助卷导板的作用是引导带材使之弯曲而紧卷在卷 筒上。助卷辊一般是由辊子及其助卷系统、传动系统、多支臂、辊缝控制机构和驱动汽缸 组成。在卷取机工作过程中，层叠的带钢通过助卷辊辊缝时往往会造成强烈的冲击，所以 整个卷取机的薄弱环节往往是助卷辊。 卷筒的功能：卷筒是卷取机的核心部件，带钢借助助卷辊和助卷导板卷绕于卷简上， 使带钢卷取成卷。卷筒主要组成部分有主轴、扇形板、胀缩缸、芯轴等【2 6 】。 在卷取机的组成部分中卷筒与带钢是直接接触的，同时起到支撑带钢、承担载荷作用 的零部件。卷筒一般主要包括以下几个部分：一根心轴，四块扇形板，磨耗增强板，每个 扇形板都有四个楔形块，一根卷筒轴，中心胀缩杆，能测量钢卷内径的编码器，以及两个 圆锥轴承【2 7 1 。 卷筒是卷取机的核心部件，它要求在张力下高速卷取重达4 5 吨的带卷，要在较大的 带材压力作用下缩径卸卷；要有足够的强度与刚度。在卷取厚钢带时，由于带钢头部的弹 复作用，头几圈可能卷不紧，使带钢相对卷筒打滑，难以形成必要的张力，甚至出现事故。 为克服上述现象，可采用多级胀缩卷筒。 卷筒结构参数直接影响着卷取机的技术性能，应根据带材的品种规格和带卷的重量来 确定。为保证卷筒的强度和刚度，并减少弯曲带材的能量消耗，卷筒直不宜过小：为了避 免带卷自身刚度小，因自重会变扁，卷筒直径又不宜过大。卷筒长度略大于轧辊辊身长度。 卷筒结构形式各异，比较常用的卷筒结构有棱锥式、斜面柱塞式和连杆式。其中柱楔 式卷筒的扇形版与柱楔之间不是斜面接触，芯轴装在主轴中间，因而主轴与扇形板结构简 单、加工方便、便于更换【2 8 猡3 0 1 。 2 2 卷取机工作原理 带钢从层流冷却出来达到所需卷取温度后，经过夹送辊上下辊的弯曲作用及入口导板 的引导，开始插入到卷筒与助卷辊的间隙里面去，然后l # 助卷辊压下。带钢继续卷入，待 带钢头部进入到2 # 助卷辊与卷筒的缝隙后，2 # 助卷辊压下，与前两个助卷辊类似，3 # 助卷 辊也在带钢头部进入后压下。三个助卷辊依次压下，使得带钢发生弯曲并紧紧缠绕在卷筒 上。如此卷取三至四圈后，助卷辊松开，此时带钢依靠形成的卷取张力进行自动卷取，卷 取机进入正常卷取状态。带钢尾部快要离开轧机时，卷取机就进入了收卷状态，此时上夹 送辊下降使带钢被紧紧压住，夹送辊与卷筒之间建立了一定的张力，避免发生带尾跑偏。 等到带尾快要离开夹送辊时，为防止带钢外层发生松散，1 助卷辊紧紧压住带钢直至卷完。 以上就是卷取机卷取工艺过程【3 1 ，3 2 ，3 3 1 。卷取机的工作原理图如图2 2 所示。 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 图2 2 卷取机工作原理示意简图 根据卷取机实际生产过程中积累的经验，总结卷取工艺对卷取设备性能的要求，得到 卷取设备必须具备以下特点： 1 ) 、能够产生比较大的张力，用来改善带钢的机械性能以及质量( 要求卷取机自身具 有较高的强度和刚度) ； 2 ) 、能够处理吨位比较大的带卷，以提升带钢生产效率； 3 ) 、需要具有比较强的控制速度能力，以实现稳定的卷取过程以及稳定的张力； 4 ) 、需要具备较高卷取速度和咬入速度； 5 ) 、需要卷取较大厚度范围带材的能力，以扩大品种等等特点。 2 3 卷取机工作过程容易出现的问题 卷取机工作时时常会出现卷层间滑移现象。由于滑移结果使带钢表面刮伤，尤其是对 表面质量要求高的带钢。实践表明，改变开卷和卷取时胀缩液压缸的供油压力，可以防止 开卷完毕径向压力突然下降而出现带钢卷层间的滑移。应指出，不适当的改变胀缩液压缸 的供油压力，可能使带钢出现滑移。实践生产过程中发现，如果卷筒不圆度误差比较大， 比较容易出现带钢卷层间的滑移现象。 润滑好坏对于卷取设备能否正常工作影响极大，这一点在使用卷取设备时应特别重 视。卷取机卷筒斜楔摩擦配合表面，应定期加润滑脂进行润滑，如果在不加以润滑的情况 下长期使用，摩擦面的摩擦系数增加，将出现自锁现象，此时，在卷取机工作时上述摩擦 配合表面无相对运动，严重时会使弓形块与棱锥轴摩擦表面粘住，卷筒不能收缩1 3 4 3 5 j 。 一般来说卷筒承受压力很大，使上述配合表面在很大的压力下工作。特别是最近年来 卷径和张力都有很大的增加，因此出现了可控胀缩卷取机，在使用时，应按轧件宽度和张 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 应力值大小来调节胀缩液压缸的压力，从而使卷筒能够自动缩径减少卷筒径向压力。一般 来说，不宜在卷取宽带钢的卷筒上用大张力卷取窄带钢，这是因为卷取窄带钢时，卷筒上 总的径向压力小，而带钢下面的卷简单位压力很高。在这种情况下，往往卷筒没有达到缩 径所需的总压力，但带钢下的卷筒压力应力却达到很大值。实践证明，多数卷筒是在大张 力卷取窄带钢时产生的塑形变形【3 6 ，3 7 ，38 1 。 2 4 卷取机运动参数的确定 通过厂方提供的数据参数，将热连轧生产线地下卷取设备和某型号带钢运动参数列于 表2 1 所示； 表2 1 卷取设备和某型号带钢主要运动参数 在卷取过程中助卷辊施加给带钢的压力不能够直接得到，要通过支臂驱动油缸的油压 换算得到。下图2 3 是换算油缸驱动力与助卷力的分析图。 由图根据力矩平衡： 图2 3 换算油缸驱动力与助卷力的分析图 式中曩一支臂对油缸施加力 e 一支臂对助卷辊施加力 ( 2 1 ) 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 厶一油缸驱动力力臂 厶一助卷力力臂 某厂二热轧一号卷取机支臂驱动油缸为单杆活塞式液压缸，此种液压缸只能实现单向 运动，输出平稳、反应快，其工作腔为无杆腔，油缸油压记录曲线如图2 4 和图2 5 所示。 油缸施加力如下： 互= ( 阳l d 2 万4 ) 一 p 尺1 万4 ( d 2 一d 2 ) 】 ( 2 2 ) 式中朋1 一无杆腔油压，单位为m p a ； 朋1 一有杆腔油压，单位为m p a ： d 一油缸直径2 2 0 m m d 一活塞杆直径16 0 硼 ，。? 誉几，h 一。 l ，l 。r i h - “h 0 h m ，”i f” k ， 9 图2 4 无杆腔油压p h l ( i 旧a ) 记录曲线 【 m 。鼬咖删l 锄鳓蝴毋1 1 8 腑k 小叭 l 。胤凡啉小1 汕 i。 拈 f 图2 5 有杆腔油压p r l ( m p a ) 记录曲线 从油压记录曲线中可以读出卷取开始时刻朋1 = 1 2 a ，豫1 = 1 5m p a ，根据公式3 9 计算得到，e = 2 0 5 k n ，根据公式3 8 计算得到e = 3 8 2 k n 。由于模型属于轴对称结构，因 而计算时使用的模型可以只是取原结构的一半，同时油缸驱动力和助卷力也只取计算值的 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 一半。所以最总支臂对助卷辊施加的力取1 9 1 k n 。 总结卷取机运动参数，并画出示意图，如图2 6 所示。 图2 6 卷取运动参数示意图 f 2 = 1 9 】k n 2 5 本章小结 卷取机是带钢生产线上重要设备，本章介绍了热轧地下卷取机的结构，并清晰叙述了 卷取机的各个组成部分及其功能。还介绍了卷取机工作原理，完整讲述卷取机工作时各个 部件相互合作顺利卷取带钢的整个过程，并列举了卷取机在工作过程容易出现的一些问 题，发现卷取过程带钢的后张力制定是否合理对整个卷取质量的好坏有重要的影响，实际 生产中希望带钢在合理的后张力、带钢与卷筒及助卷辊间摩擦力共同作用下，能够及早进 入稳定的卷取状态，使带卷不紧和层移现象减少，因此定制合理的带钢后张力对提高带卷 质量影响很大。利用动态有限元分析方法清楚的观察到卷取过程中各个阶段带钢的应力应 变情况，通过对不同后张力下带钢卷取过程的分析比较，得到带钢后张力较优的制定值， 为卷取机的进一步发展提供新的研究方法，因此进行本次动态仿真分析非常有必要。 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 第三章建立卷取过程的动态有限元模型 3 1 弹塑性有限元理论概述 现代化制造业中金属加工的重要方法之一是金属塑性成形技术。它指的是金属材料在 机械设备作用下形状发生改变，从而得到所需求的尺寸、形状和功能的构件的这一加工过 程。跟据相关统计，金属塑性成形产品的产值在大部分发达国家的国民经济中所占比重居 行业第一位，而在我国所占的比重也处在前列。 应用塑性成形的数值模拟方法主要有：边界元法、上限元法和有限元法。温度计算和 模具设计分析常常用边界元法；简单的稳态变形问题用上限元法进行分析比较方便；有限 元法用于分析变形过程常呈非稳态的大变形体积成形。上述问题中模型材料性质、模型形 状、模型边界等都会有较大改变，根据理论和实验相结合方法得到本构关系、摩擦关系式、 边界条件，然后用有限元法推导方程，接着根据离散技术建立计算模型，最终实现对复杂 成形问题的数值模拟。 当前，有这些软件是基于有限元理论的：a n s y s 、h y p e m e s h 、n a s 仃a n 、a b a q u s 等 等，这些有限元软件都有自己所针对性的功能及特点。l s d y n a 最初是1 9 7 6 年在美国 l 嗣他n c el i v e 衄o r en a t i o n a ll a b ( 劳伦斯利弗莫尔国家实验室) 主持开发完成的，后来经 过不断的改进以及功能的扩充使功能变得更加强大。l s d 叮a 在广告中声称，各种三维 非线性结构的问题该软件都能够求解，比如：金属材料成型、物体高速碰撞、物体发生爆 炸等载荷非线性、材料非线性和接触非线性问题。美国能源部大力资助l s d y n a 软件同 时，该软件还得到许多世界著名的数值模拟软件公司加盟，例如a n s y s 、e t a 、m s c s o f 时a r e 等。著名软件公司的加盟，使l s d 叮a 的通用性和前后处理能力得到极大地加 强，因而该软件在全世界范围内得到广泛的使用【3 9 4 0 】。 l s d 、a 能够模拟现实世界的各类复杂问题，是世界上最著名的通用显式动力分析 程序，特别对于各种高速碰撞、金属成型和爆炸等非线性动力冲击问题，以及对于流体及 传热问题都比较适合用l s d y n a 求解。通过模拟结果与实验无数次对比相吻合，证实了 其计算的可靠性，故而在工程应用领域l s d 呵a 被评为优秀的分析软件。 因此根据实际情况，带钢的卷取过程是反复弹塑性变形且相当复杂的一个过程，涉及 到材料、几何和接触等多重非线性问题，选用a n s y s l s d y l 呵a 作为有限元软件分析工具 比较合适。 3 2 有限元法分析计算思路 有限元法分析计算思路如下h 1 ，4 2 ，4 3 】： ( 1 ) 物体离散化 离散化，就是将结构分成有限个单元体，单元与单元、单元与边界间仅在节点处相连。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 对模型进行网格划分时，要充分考虑分析对象的结构形状和实际的受载情况，可选的单元 种类繁多，如二维单元有三边形、四边形，三维单元有四面体、六面体等。合理地选择单 元的类型、数目和分布，可节约计算机资源，获得更好的计算精度。 ( 2 ) 选择位移模式 有限元法是以局部的近似解来求解整个问题的方法。其基本思想是用一个简单的 函数来构造单元的近似解。位移模式通常表示为： = 【n ( 3 1 ) 式中 ) 为单元的位移矩阵，【n 】为形函数矩阵， 万) 为单元的节点位移矩阵。由于多 项式运算简单、易于处理、便于微积分，沿给定方向的位移分布常用函数多项式表示： “2 q + 口2 x + 吗x + + + i ( 3 2 ) 式中p 为沿x 方向的位移，多项式( a 1 ，a 2 ，a n + 1 ) 为广义位移函数。 ( 3 ) 分析单元的力学性质 1 ) 单元应变与节点位移关系式： 斜2 吲 万) ( 3 3 ) 式中 e ) 为单元应变矩阵，【司为单元应变一位移关系矩阵。 2 ) 应力一应变的关系： 盯) 2 c 】柳 ( 3 4 ) 式中 盯) 为单元应力矩阵，【c 】为单元应力- 应变关系矩阵。 3 ) 节点力节点位移的关系： p ) 2 k 】 万) ( 3 5 ) 式中 p ) 为节点力矢量，【k 】为单元的刚度矩阵，可表示为： 七= i b 。 c b 】d y 多 ( 3 6 ) 式中 剀r 为 剀的转置矩阵，v 为单元的体积。 ( 4 ) 计算等效节点力 结构离散化后，单元间的力是通过节点传递的，所以所有力只采用节点力的形式。 因此，所有作用在单元体上的体积力、集中力与表面力等都必须移到节点上来，形成 等效节点力。 ( 5 ) 建立整体平衡方程。 建立整体方程主要工作是将各单元的等效节点力集合成总载荷，同时将单元刚度矩阵 集合成整体刚度矩阵。其主要依据有两点： 第1 4 页 武汉剥披大学硕士学位论文 1 ) 相邻的单元在共节点处的位移都相等； 2 ) 所有节点都满足平衡条件。 整体平衡方程为： 【k 】 r ) = r ) ( 3 7 ) 式中【k 】为总体刚度矩阵， r ) 为总位移矢量， r ) 为总的力矢量。 ( 6 ) 求解未知节点位移 通过求解上述方程组，可求出未知的节点位移及单元应力。 根据有限元基本过程和思想，主要分四个步骤对卷取过程进行有限元分析，分析流程 图如下图3 1 所示： 3 3 建立卷取几何模型 图3 1 有限元分析流程 实体建模有两种思路，分别是自底向上的构造模型和自顶向下的构造模型。 自底向上的建模方法是这样的：首先在构造几何模型时定义关键点( 几何模型中最低 级的图元) ，然后再利用这些关键点来定义线、面和体( 几何模型中较高级的图元) 。在使 用自底向上建模方法建立模型时，必须在当前所激活的坐标系内进行相关操作。自顶向下 的建模方法是这样的：能够首先通过在有限元软件中汇集线、面或者体等几何体素的方法 来构造模型，当一个几何体素生成后，所有从属于该体素的低级图元在有限元软件中都会 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 自动生成得到m 】。 根据实际情况用户可将自底向上和自顶向下建模方法自由组合使用。但应该注意的是 在自顶向下构造模型时，是在工作平面上创建几何体素的，所以对当前工作平面的状态在 任何时刻都要清楚的知道。还能够通过布尔运算对所建立的实体模型进行操作，从而生成 更为复杂的形体。在建立模型开始之前，就需要考虑到网格该如何划分，这跟所建立的几 何模型能否生最终成有限元网格有很大的关系，所建立的几何模型能否得到比较好的有限 元网格也有很大的关系。 实体建模除了以上两种方法之外，还有另外一种方法：有限元软件给用户提供了与c a d 等绘图软件间的数据接口，这样用户能够在绘图软件中绘制好较为复杂的实体模型，然后 将模型导入到有限元软件中再进行接下来的操作【4 5 4 6 1 。 文中主要是分析卷取过程中卷筒和带钢的受力情况，为了节约仿真时间，设仿真开始 时刻为带钢插入到卷筒与助卷辊的间隙里面，1 # 助卷辊刚刚压下，着重分析带钢在卷筒上 的卷取过程。 某厂2 2 5 0 热连轧生产线