（机械工程专业论文）卷取机助卷辊支臂有限元分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 在热轧带钢机组中，卷取机是负载率最高的设备之一，卷取机的设备水平和卷取工艺 的选取直接影响热连轧生产线的产量和带钢的质量。本文以武钢二热轧主轧线地下卷取机 为研究对象，分析卷取生产时宽厚带钢对设备的冲击，计算卷取机助卷辊支臂的受力情况， 从而对设备提出改进方案。本文主要研究内容包括： 1 ) 通过分析带钢卷取过程中助卷辊支臂的受力状态，建立其力学模型。运用力学知 识，推导出支臂工作时最大受力处及各关键部位受力大小。 2 ) 建立助卷辊支臂三维实体模型，利用受力分析结果，对支臂施加合理的边界条件 与载荷，进行有限元分析仿真，将仿真结果与现场测试数据比对，修正有限元模型。 3 ) 根据有限元分析结果对助卷辊支臂在卷取过程中各向应力特征、应力变化规律、 关键受力位置、危险点进行分析和强度校核。 4 ) 通过强度校核结果以及测试所得助卷辊支臂在实际工况下的应力数据，对支臂提 出改进建议。 关键词：卷取机；助卷辊；有限元法 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o i l e ri so n eo ft h eh i g h e s tl o a dr a t em e c h a n i c a le q u i p m e n t so f t h eh o ts t r i pr o l l i n gs e t t h eq u a l i t yo ft h ec o i l e ra n dt h ec o i l i n gp r o c e s si n f l u e n c e dt h ey i e l do ft h eh o tc o n t i n u o u sr o l l i n g l i n ea n dt h eq u a l i t yo ft h er o l l i n gs t e e rd i r e c t l y i nt h i sa r t i c l e ，w et a k et h em a i n u n d e r g r o u n d h o t s t r i pc o i l e ro fw i s c o a st h er e s e a r c ho b j e c t a n a l y s i st h el a s ho ft h ee q u i p m e n tw h e np r o d u c i n g t h ew i d e - h e a v ys t r i p c a l c u l a t i n gt h e ；s t r e s ss t a t eo ft h ec o i l e rw r a p p e rr o l l a i n p r o p o s i n ga n i m p r o v ec a s eo f p r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sa r t i c l ei n c l u d e ： ( 1 ) t h r o u g ht h ew r a p p e rr o l la r mm e c h a n i c a lm o d e lo fs t r e s ss t a t ew h e nc o i l i n g e s t a b l i s h t h ew r a p p e rr o l la r m sm e c h a n i c sm o d e l f i n d i n gt h em a x i m u ms t r e s sp o s i t i o na n dt h es t r e s so f t h ek e yp o i n t sb yf o r c ef o r m u l a s ( 2 ) e s t a b l i s ht h ew r a p p e rr o l la r l n st h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l ，u s i n gt h es t r e s s a n a l y s i s r e s u l t st oe x e r tr a t i o n a l b o u n d a r yc o n d i t i o n s，t h e l o a d ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s c o m p a r a t i v es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h em e a s u r e m e n tp o i n t sa c t u a lv a l u et of i xt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l ( 3 ) t h r o u g ht h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r e s s ，t h el a wo ft h ec h a n g eo ft h es t r e s sa n dt h es t r e s so ft h ek e yp o i n t so ft h ew r a p p e rr o l l a r i n ，t h e nd ot h es t r e n g t hc h e c k ( 4 ) u s i n gt h er e s u l to fs t r e n g t hc h e c ka n dt h es t r e s sd a t aw h i c hi sm e a s u r e df r o mt h e y i e l d i n g ，p r o p o s et h ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n so ft h ew r a p p e rr o l la l t n k e y w o r d s ：c o i l e r , w r a p p e rr o l l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题的研究背景 1 绪论 在当今社会，热轧带钢已经广泛应用于各行各业，在国民经济中有着不可取代的重要 地位。然而，由于国内钢铁产品产能过剩，材料市场细分不明确，导致钢材在销售上存在 一定的压力。 热轧带钢生产技术已经有八十多年的历史，但发展缓慢，直到上世纪六十年代将厚度 自动控制技术引入精轧机组，使得冷连轧机的原料带钢在厚度公差上得到了改善。自此， 提升带钢生产工艺成为了世界钢铁生产厂家的关注重点。六十年代至七十年代，在精轧机 组上首次采用了升速轧制技术，并为整个热轧厂带钢生产引入了计算机控制系统。自八十 年代开始，热轧生产厂家开始更加注重质量以及板形控制。九十年代以后，整个热轧带钢 技术趋于成熟。 在现代热带钢生产中，卷取机通常设置在热轧带钢连轧机组的尾部，将高速运行的热 轧带钢卷成钢卷，以方便运输和存放，是轧钢生产中的重要设备。 为了确保卷取机正常工作，要设置适宜的工艺参数，使得卷取机的工作性能达到要求。 1 2 课题来源 武钢热轧总厂二分厂主轧线机组是从d e m a g 公司引进的，该机组装备有3 台地下卷取 机。为了满足生产的要求，除了对设备的改进以外，还要对地下卷取机进行工艺技术改进 以及优化，这样不仅满足了一般钢种的要求，对于高强度的钢种也能满足。助卷辊是卷取 机的重要组成部分，需对助卷辊支臂进行受力分析，确保支臂的应力在承受范围，其分析 方法是利用有限元法软件进行力学分析，得出钢卷所能承受助卷辊施加的最大压力。其目 的在于：第一，缩短新钢种的研发周期；第二，降低板材的生产成本；第三，提高卷取机 的产量和性能。 1 3 文献综述 1 3 1 地下卷取机简介 在近代的轧钢生产中，采用连轧方式是提高生产率的重要措施，连轧出的产品主要由 卷取机卷绕成卷。在轧机连续生产过程中，一般在热带钢连轧机后面的运输辊道线下面安 装2 3 台地下卷取机，这几台卷取机交替工作。卷取机主要由机上辊道、侧导板、夹送辊、 送料导板、助卷辊、支臂、卷筒、推卷机和卸卷小车等组成。卷取机结构上的区别，主要 是助卷辊数量及其布置型式不同：由最初的八辊式变为四辊式、二辊式和三辊式。张力辊 的结构也有所改进。 最初设计的八辊式卷取机的特点是卷取机有八个助卷辊，能够稳定并且同步动作。但 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 当连杆系统稍有磨损时，就难于保证所有的助卷辊都能同时起作用，致使助卷辊与卷筒间 隙不均匀，压力不等，使钢卷呈塔形。同时其助卷辊和导板过多，使得缝隙多，容易发生 卡钢事故；结构复杂，安装调整、维修均不方便。它的移动方式有滑道式和连杆式，但当 辊架滑道磨损严重时，会使辊架卡住不能工作。对于二辊式卷取机，虽然该设备结构比较 简单，但在卷取厚带钢时，其助卷辊过少、成形导板过长，导致卷取比较困难。因此它适 用于卷取带钢厚度的范围为o 8 一l o m m 。综合以上卷取机的优点，就有了现在的卷取厚度为 卜2 0 r a mu 1 的三辊式卷取机。 图1 1 为卷取机结构简图，卷取过程主要由夹送辊、卷筒、助卷辊与成形板参与，下 面对这几个主要部件进行介绍： 夹送辊：夹送辊又称张力辊顾名思义其作用就是建立张力，夹送辊的功能是在开始卷 取时咬入带钢、向下弯曲带钢头部。夹送辊的传动方式有两种：一种是一台电动机通过联 合减速器与万向接轴同时传动上、下夹送辊。另一种是由两个电动机分别驱动，这较前者 简单，但电气设备造价较高。 助卷辊与成形板：为了使得钢板卷紧在卷筒上，之前应该有引导使之预变形的设各， 这就是助卷辊与成形板的作用。助卷辊的直径一般为3 0 0 4 0 0 r a m ，辊身和导板都应耐磨。每 个助卷辊及其传动系统一般都做成整体可移动的，必要时可以拖出检修。辊缝的调整方法 有很多，有的调整拉杆的正反螺丝；有的用调整偏心定位机构改变杠杆系统的位置；有的 是采用扇形齿轮转动偏心轴来改变气缸的位置；有的采用电液伺服控制系统控制辊缝。 卷筒：卷筒是热状态下卷取钢卷中卷取机的核心部件。在带钢卷紧和卸卷过程中，钢 卷压紧力较大，需要能够涨缩的卷筒，有的甚至要求能够实现二次甚至多次涨缩。卷筒的 结构形式很多，之前大多数采用连杆式或双点棱锥斜楔式卷筒，近年来随着卷重的增加、 卷取张力的提高、卷取板材厚度的加大，都要求卷筒有更大的强度，因而趋向于采用多支 点棱锥型卷筒。 为了减少卷取机的振动，在卷筒的非传动端还设有活动支承，卷取过程采用踏步控制 系统( a j c ) ，有效避免了带钢对卷取设备的冲击旧啕1 。 图1 1 三辊式地下卷取机结构示意图 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 当带钢进入卷取机入口后由槽型板导入助卷辊与卷筒形成的间隙，助卷辊作为整个卷 取机的重要工作部件是通过轴承座安装在助卷辊支臂上，因此通过研究助卷辊支臂的受 力，即可得出整个带钢卷取过程中设备的受力状态，分析工作状况。 1 3 2 有限元分析法发展 在工程技术领域应用最为广泛的数值模拟方法就是有限单元法。有限单元法的发展可 简要概括如下： 1 9 4 1 年a h r e n n i k o f f 首次在求解杆系结构弹性力学问题上用离散元素法。1 9 4 3 年r c o u r a n t 在研究扭矩问题时把截面划分成若干个三角形区域，并且在每个三角形区域内设 定一个线性翘曲函数。在1 9 4 5 1 9 5 5 年，a r g y r i s 等人主要研究了结构矩阵分析理论。1 9 5 6 年，t u r n e r 、c l o u g h 等人在弹性力学平面问题中使用刚架位移法。 2 0 世纪5 0 年代，由美国波音公司的专家在平面问题上第一次采用三节点三角形单元的 矩阵位移法。 1 9 6 0 年美国r w c l o u g h 教授在撰写其论文“平面应力分析的有限单元法”中将这种 解决结构力学的方法称作“有限元法 。并形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”。 2 0 世纪6 0 年代之后更多的数学家参与了有限单元法的研究，使有限元法的理论得到 扩充，为其发展奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代以后，工程领域之中开始广泛使用有限单元 法。 有限元法实际上是古典变分法( 能量法或r i t z 法) 的一种变体，可以说是对古典变 分法的改造与发展。 随着电子计算机行业的蓬勃发展，有限元法的发展有了新的平台，将有限元法与计算 机技术结合，出现了有限元通用程序。直至2 0 世纪8 0 年代初，这些有限元分析软件的种类 已经达到了几百种。由于这些软件的实用性较强，如今，大多数设计单位都不自行开发有 限元软件，而是直接购买商业有限元软件。 这些有限元软件的特点归纳起来有以下几点： ( 1 ) 可以进行多种物理场分析。例如结构分析、流场分析、电磁场分析和温度分析等。 ( 2 ) 可以处理多种材料。例如金属、土壤以及塑料复合材料等。 ( 3 ) 可以自动划分网格，并检查和修正单元形态、求解精度。 ( 4 ) 可以和多种c a d 系统直接进行连接。 如今，有限元分析软件与c a d 软件集成使用已经成为软件发展的大方向。为提高设计 效率，设计者通常使用c a d 软件对目标建立实体模型，然后将模型导入有限元软件中分析 计算，若分析结果不符合设计要求则修改设计模型并重复之前的步骤，直到得出最优解。 这些可以与有限元软件实现对接的c a d 软件有：p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 、和a u t o c a d 等。 ( 5 ) 可以允许用户自行开发环境。软件开发商通常会设立一个开放的环境到有限元软 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 件中，用以满足不同用户对各自问题所需要的不同要求，即允许用户对软件自行扩充。 如今应用较广的有限元软件有：a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 等n 0 。1 7 。 有限元设计就是把限元理论与方法用计算机加以实现，其基本大致步骤为： ( 1 ) 确定求解域； ( 2 ) 将求解域离散成单元； ( 3 ) 用包含设计准则的微分方程表示问题； ( 4 ) 求解单元的近似解，建立单元矩阵，以及单元矩阵之间的传递函数； ( 5 ) 将所有单元矩阵总装成离散域的总矩阵方程即近似于求解域的总矩阵方程； ( 6 ) 求解总矩阵比对结果。 如今越来越多的企业和技术人员开始应用有限元技术到自己产品的研发和生产中。它 提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。不久的将来，随着有 限元法的发展必将为社会创造更大的经济效益n h 4 | 。 1 3 3 国内外热带钢卷取机的研究和发展 目前，在卷取机制造的三大巨头是德国的s m s d e m a g 公司、石川岛播磨公司和日本的 三菱重工业公司，这些公司不仅将机电液结合在一起，还拥有整套的自动化设计制造生产 系统。如今，大多数钢铁厂都在其轧制生产线末端设置地下卷取机完成其卷取环节，其中 油压式地下卷取机由于设计油压缸的存在，减少了带钢通过槽型板进入助卷辊与成形板间 隙时对设备的冲击；与此同时，缓振框架大大降低了冲击能力。此外，踏步控制系统( a 3 c ) 的应用，使得带钢表面的压痕尤其是头几圈的带钢得到消除。为了削弱助卷辊框架上的振 动，在助卷辊框架和小框架之间增设缓冲器凹5 i 。在卷取机方面处于领先水平的公司还有： 意大$ 1 j a s t 公司特尔尼厂、德罗伊斯帕特公司以及韩国韩宝公司新投产的卷取设备。这些 公司所生产的卷取机设备的工作原理有一个共同的特点，在精轧机组后，热带钢经过冷却， 温度控制在5 0 0 - 7 0 0 。c 的范围内，进入到卷取机区域中开始进行钢板的卷取。带钢在夹送 辊和槽型板的导向下进入到成形辊和卷筒所设定的辊缝中，各个助卷辊依次在电液伺服控 制系统的控制下将带钢压紧在卷筒上，建立张力后卷筒涨径，加速卷取。以上公司所生产 的卷取机设备基本都是由液压驱动，并且在设备中增加了侧导板，以较小的力接触带钢边 部，使得带钢在卷取时能够更好的定位引。 国外学者的研究重点如下： ( 1 ) 卷取温度方面的研究 卷取温度的控制 为了能够精确的反映带钢在水冷区的冷却速度与冷却程度的关系，国外学者进行了很 多的研究。如控制系统流量精度，通过流量开口度曲线对水比进行调整；其次就是冷却过 程中参数的优化，如冷却水喷射的速度、喷射角度等；最关键的就是带钢层流冷却模型的 建立，需要将模型设置在控冷后板形换热机理的条件下，如何达到带钢温度需求瞳卜2 8 3 。 卷取温度与带钢性能的关系。目前国外学者研究表明，卷取温度可以作为卷取过程 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 中温度的模拟与仿真的s l s u 参数之一。主要原因是随着温度的变化，带钢的金相组织也会 发生变化，为了研究这种变化对产品性能的影响，国外学者做了大量的工作比9 i 。 ( 2 ) 带钢变形机理的研究 国外学者为了提高带钢的机械性能，对卷取过程中带钢的微观金相组织形变做出了较 多的探讨，开发出了热轧带钢生产线的机械特性模型并将其应用到实际生产中d 0 1 。 ( 3 ) 卷取控制方面的研究 国外于五十年代初期广泛采用蛇形套冷却、立式卷取的工艺。即将成品机座出口的带 钢翻转9 0 。，并振荡成蛇形套，竖立于平板运输机上，由平板运输机送至立式卷取机进行 卷取。这种卷取方式不仅缩短了机组长度，而且由于带钢的一边是贴在底板上进行卷取的， 因而卷边整齐，卷取质量好。 由于在卷取时，钢带头部位与助卷辊会发生冲撞，产生较大冲击载荷，致使助卷辊支 臂产生裂纹，对产品质量有很严重的影响。为了消除这种冲击，必须让助卷辊对钢带头部 的台阶实现自动回避。国外学者在研发现代卷取机中，开发出了带有压力调节和位置调节 的踏步式电液伺服自动控制系统，其中每个助卷辊是单独的系统，各自配置驱动液压缸( 1 个) 、压力调节器( 1 个) 、位置传感器( 1 个) 、电液伺服阀( 1 个) 和压力传感器( 2 个) 。 该系统的基本原理是：当带钢头部，到达其中一个助卷辊前，此辊会自动进行位置调节， 当带钢头部越过助卷辊后，该辊又会自动进行压力调节。这样一来，带钢头部对设备冲击 所造成的破坏得以避免，卷取质量得到提高。 现阶段，国内的钢铁行业生产能力和规模不一样，各自热轧生产线上所配置的生产设 各先进水平也不一样，因此卷取的生产性能也不一样。近几年随着国内经济的高速发展， 国家大力支持的基础设施建设，以及汽车行业的兴盛，各大钢铁企业的经济形势也随之一 片大好。为了满足市场要求，这些钢铁厂又相继投产了一批新的或改造的生产线，用以扩 大自身的实力。扩建以求发展的同时引进不少卷取机设备并通过自身的努力对这些设备进 行改良用以满足自身的生产需求，在摸索的同时也缩短了我国同国外在卷取机技术领域上 的差距。不过从总体上来看，我国的卷取机技术还是比较落后的n 川。 国内带钢卷取机的发展 早期的带钢卷取机采用的是四辊道八辊式结构，卷取机的四个辊架在气缸的作用下由 辊道引导做往复运动。经过长期的生产实践发现，辊架在长时间的往复运行中会对辊道造 成磨损，增大辊道的间隙，致使助卷辊倾斜。由于助卷辊对卷筒的压力不均匀，会使带钢 产生塔型，严重情况下，甚至会使辊架卡在滑道中无法移动，严重地影响生产。 事实也证明四辊道八辊式结构的卷取机，结构过于复杂，难以控制，精度更是无法得 到保证。我国原有一台八辊滑道式卷取机，现已改为四辊式。每个助卷辊单独驱动，结构 简单，工作可靠。但随着钢卷直径加大，成形板将限制助卷辊对钢卷的压紧。故这种结构 的四辊卷取机不能卷大直径钢卷。 随着对卷取机研究的深入，二辊式卷取机慢慢取代了八辊式、四辊式卷取机。因为减 少了助卷辊的数目，二辊式卷取机便能够达到较高的控制精度，成型板的使用又弥补了助 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 卷辊数目少的缺点。在结构上由助卷辊和成型板形成的楔形间隙以及同心间隙，让带钢卷 取过程的能够正常进行。当然二辊式卷取机也有它的不足之处，由于助卷辊数目较少，所 以卷取时的压力较小，并且作用于带钢表面的压力分布也不均匀，所以在卷取大卷径、宽 带钢时二辊式卷取机就不适用了。 当前，三辊式卷取机是国内钢厂应用最为广泛的卷取机形式，其使用效果也最为良好。 它不仅适合卷取l o m m 以上的带钢，实践证明在卷取t o m m y 下的带钢时其使用效果也相当优 异。三辊式卷取机的助卷辊装置采用电液伺服控制，在卷曲不同厚度的带钢时，通过控制 液压缸两端压力差和活塞杆位移来调节压紧力及助卷辊与卷筒的间隙。三辊式卷取机可以 在很大范围内对助卷辊的压紧力、卷筒转速以及扭矩进行无级调节，同时通过在助卷辊框 架与助卷辊支承臂之间安装缓冲弹簧，有效降低带钢对卷筒以及助卷辊的冲击力以保证带 钢卷曲质量和助卷辊寿命。本文主要是对三辊式卷取机的助卷辊支臂进行建模与有限元分 析3 2 3 3 1 。 目前国内外研究者对卷取控制做出了深入的探讨，总结如下： 1 ) 卷取控制、仿真分析 ( 1 ) 卷取温度的控制 控制带钢的冷却温度一直是国内外学者的研究重点，也是带钢卷取中非常重要的一 环，层流冷却的强度、速度、终冷温度的精度都会影响到产品的质量。热轧带钢层流冷却 系统的基本原理是让最佳厚度的水量覆盖在欲轧带钢表面，利用冷却换热机理使带钢在很 短时间内冷却到最为合适的卷取温度。具体说来就是让大量的压力较低的冷却水冲破热轧 带钢外表面的蒸汽膜以贴附到带钢的表面，并且这些喷出的冷却水具有一定的方向性，当 其吸收到一定热量后，安装在辊道两侧的侧喷嘴又喷出高压水让冷却水得到补充，这样便 带走了热带钢的大量热量。 冷流冷却温度控制的精度主要是由所建立的流场以及热场的数学模型的精度所影响 的。由于目前国内各大钢厂对新产品的不断研发，更使得卷取温度控制成为了带钢生产过 程中的研究重点，经济效益十分可观。对于国外钢厂的一些较为先进的热轧带钢生产线， 在卷取这一环节上对带钢全长的温度控制精度能够达到2 0 ，对带钢全长的7 0 温度控 制精度甚至可以达到4 1 0 。 热轧带钢的冷却是一个极为复杂过程，国内学者一直致力于这方面的研究，通过一大 批老中青学者数十年的不懈努力，已经在带钢冷却过程模型的建立上取得了显著的成果， 通过对带钢冷却换热机理的研究，对现有生产线上所使用的控制系统进行改造，可以使控 制精度得到进一步的提高，并且开发出一些新的适用于生产的温度控制模型。这些研究的 方向主要集中在层流冷却系统模型的建立上，并且通过对该系统温度控制的数学模型分析 改进以及带钢冷却换热机理的进一步研究，使得层流冷却系统温度控制的数学模型能够更 加准确地反映出带钢在水冷区的温降变化规律。通过对热轧带钢卷取温度控制的研究，不 但可以提高卷取过程的冷却效率，更有助于对带钢金相组织结构的研究口4 啪1 。 ( 2 ) 卷取系统的自动控制 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 国内学者对卷取系统的自动控制进行了深入的研究，建立了许多卷取机的仿真模型， 通过这些仿真模型以及控制算法，对卷取机的控制系统进行研究得出理想的控制效果。这 当中包含带钢速度控制、带钢位置控制、带钢张力控制、卷筒的转速及位置控制、踏步控 制等。实践证明，在使用新的控制算法后，系统响应速度、稳定性、控制精度都得到了提 高3 7 4 3 3 。 2 ) 结构设计、参数确定 对于卷取机结构上的优化设计主要集中在四个方面：助卷辊分布、卷筒结构、卷筒力 能参数、助卷辊力能参数。国内研制的卷取机中性能较好的卷筒结构是由衡阳有色冶金属 机械厂和西安重型机械研究所联合研制的，采用连杆式和斜面柱塞式两种卷筒复合构成， 这种复合结构的卷筒具有两种卷筒的优点工作可靠、冲击小、卸卷速度快、生产效率高。 实际生产中控制精度、参数的选择对卷取效果有着非常重要的影响，在合理的控制程序以 及力能参数的作用下，带钢卷取质量明显提升、缺陷率显著下降。 我国钢铁厂大部分是首先引进国外卷取设备，对设备熟悉并了解其夹送辊的偏转角、 助卷辊的压力、卷取张力等其工作参数之后，再对卷取设备进行改造和优化以适应本厂的 生产。同时相关设计人员也在不断地对卷取力能、卷取系统、卷取设备动力行为进行仿真 分析和研究，优化卷取的工艺，减少故障。 通过科研工作者长时间的摸索逐步创建了以实体建模软件、多刚体软件、系统仿真软 件相结合来仿真出整个卷取机的模型系统、。控制策略等h 4 6 3 。 i 4 本课题的研究内容 i ) 通过分析和测试整个带钢卷取过程中助卷辊支臂的受力状态，推导出支臂工作时所 承受的最大力以及各个关键部位的受力。 2 ) 利用c a d 软件对助卷辊支臂进行实体建模，再通过有限元分析软件对实体模型进行 有限元分析和仿真研究。并将仿真结果与现场测试得到的实际结果进行比对，对模型进行 修正。以此研究助卷辊支臂在带钢卷取过程中的所受各向应力特征、应力变化规律以及关 键点受力的变化规律。 3 ) 根据分析结果对生产其他规格带钢时助卷辊支臂的受力进行预期。 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 卷取机工艺参数及助卷辊支臂载荷确定 2 1 卷取机工作原理概述、工艺参数的选择及应力测量点的布置 武钢二热轧带钢生产线上有三台地下卷取机，按生产周期计算，一般两台卷取机交替 工作就能够满足带钢生产的要求。由于卷取机会出现偶然事故，为保证生产顺利进行，留 一台卷取机备用。带钢卷取机主要由卷取装置和传动装置两大部分组成，根据不同的卷取 要求，尚附有必要的配套辅助部件。 卷取装置是使带钢生产过程中使带钢成卷的装置。带钢的成卷，有空心成卷和实心成 卷两种方式。由于空心成卷具有钢卷卷取不紧、不齐，卷取速度较低等缺陷，因此热带钢 卷取机基本都采用实心成卷的卷取方式。实心成卷的卷取装置的主要部件是卷筒。四棱锥 式是热轧带钢卷取机的卷筒的主要型式。卷筒的中心是一根四棱锥心轴，在心轴外有空心 套轴，通过双电枢直流电机、双挡变速齿轮及减速器驱动，并由t 型键与扇形块联接以传 递扭矩。卷取时，带钢即缠卷在扇形板上。 卷筒的涨缩动作是通过给油器给油，推动旋转液压缸的活塞杆，使心轴作轴向移动。 此时由于心轴上的上、下、左、右十六个斜面的作用，推动十六个衬板作径向运动，从而 使四块扇形板沿径向涨开或收缩。 为提高心轴在热状态下的寿命，在柱塞滑动的心轴棱锥面上安装有用合金钢材料制成 的衬板。此外，在卷筒心轴的工作侧端有干油润滑管，由此注入润滑油脂，通过心轴的中 心孔进入各滑动面上。为了提高扇形板的寿命，卷筒内部有水冷进行降温。为了提高卷筒 的刚度，卷筒一端装载减速器的箱体中，另一端由轴承套来进行支撑。由于卷取时速度较 高，板厚较大，同时也考虑到操作上的方便，热带卷取机的卷取装置尚配有帮助带钢缠在 卷筒上的助卷装置。助卷辊、支臂、成型板、辊缝调整装置等是助卷装置主要组成部分。 通过层流冷却后的带钢依次经过侧导板、夹送辊、斜溜板进入地下卷取机，带钢的头部通 过卷取机的1 号助卷辊与卷筒形成的间隙后，l 号助卷辊立刻转换为压力控制将钢卷以一 定压力压在卷取机的卷筒上。其后当带钢头部分别经过卷取机的2 、3 号助卷辊时，它们 都以同样的方式压紧钢卷。进入第二圈，当带钢头部即将到达l 号助卷辊时，由工控机对 l 号助卷辊进行位置控制，使控制1 号助卷辊位置的液压缸回缩一段距离，这个距离等于 带钢的厚度加上辊缝的距离，避开带钢头部，以免带钢头部撞到助卷辊，对其造成冲击。 一旦带钢头部经过l 号助卷辊后，工控机再次发出位置指令让1 号助卷辊转为压力控制再 次使助卷辊将带钢压紧在卷筒上，对于2 、3 号助卷辊也是同样的控制，每次动作间隔大 约在2 m s 。这种踏步控制的主要特点在于当带钢头部即将到达助卷辊时进行跳跃控制 ( c p c ) ，在带钢头部经过助卷辊后立即进行压力控制( c p r ) ，在整个卷曲过程中两种控 制交替进行。当卷完三到五圈则带钢被卷紧而建立稳定的张力，然后夹送辊和助卷辊打开， 成品机座与卷取机直接建立张力，轧机与卷取机一同开始升速。当带钢尾部即将离开成品 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 机座时，夹送辊重新压下，夹送辊与卷筒建立张力。带钢即将脱离夹送辊，卷取过程将要 结束前，助卷辊又重新压下，保证钢卷成型直至整个卷取过程结束。四棱锥卷筒结构简单， 强度、刚度大，控制方便，卷筒简体有对称的结构、启动、制动时的平衡效果好，为获得 高的轧制速度提供了有利的条件。 为了改善咬入条件和使带钢头部往下弯曲，上夹送辊直径比下夹送辊大，同时上夹送 辊相对于下夹送辊向带钢前进方向偏移一定距离。通常情况下，上夹送辊与下夹送辊相比 在直径上约大一倍。偏移值e 的范围比较大，一般取5 0 3 0 0 m m 。在实际使用中，e 的大小 应根据卷取带钢的厚度、材质以及夹送辊、导板、助卷辊和卷筒的集合位置来确定。e 值 选择太大，则会造成夹送辊难以咬入带钢的情况出现。e 值选择过小，会造成带钢头部撞 击到上导板，而使卷取不能顺利进行。 热轧带钢要求在一定的温度范围内进行卷取。这是因为精轧机组成品机座轧出的带钢， 其终轧温度一般在8 0 0 左右，此时若立即卷取，则带卷形成高温缓冷，使金属晶粒粗大， 机械性能下降。特别是含有较多合金元素的钢种，若不能使其温度降至相变完成温度以下， 则卷取后带钢的冷却速度会随着带钢在钢卷内的位置不同而又差异，导致一卷带钢各段在 机械性能上的不均匀。反之，卷取温度过低，则带钢的抗拉强度增加很小而加工性能变坏， 将造成冷轧时轧制能耗的增加和卷取的困难。因此，卷取温度和终轧温度一样，也是决定 带钢成品使用性能的主要因素之一。通常，卷取温度限制在相变临界温度以下，约为 5 0 0 - 7 0 0 之间。 。 卷取机传动装置的型式与卷筒所要求的调速有关。整个卷取的过程分为准备阶段、正 常卷取阶段、收卷阶段，当带钢头部快进入卷取机以前，卷筒会比精轧机组速度快一点运 转。卷取机建立张力后精轧机组、输送辊道、夹送辊以及卷简进入同步速度状态。随着钢 带的卷径不断增大、周长变长，在恒张力卷取要求下，就必须保证线速度一定。卷取机根 据单位张力计算输出力矩，并接受加减速转矩、弯曲转矩和机械损耗转矩作为电机转矩 补偿，转速逐渐降低，保证张力平稳，从而使得卷取正常进行。当热带钢尾部从精轧机组 抛出时，卷取进入收卷阶段。由于失去张力，输出辊道、下夹送辊、助卷辊以及卷筒都要 在同步速度的基础上加上一个速度滞后值。当带尾达到减速结束点时，各设备进入带钢卷 取的最后恒低速卷取同时助卷辊压紧钢卷。卷取机调速的方法有机械、电动和液压调速三 种方式。 机械方式的调速是利用卷取机传动装置中的摩擦片、摩擦锥、皮带轮等零部件的摩擦 传动来实现的。这种方式的调速由于张力不能保证完全恒定，因此目前只在国内老式的中 小型不可逆四辊冷轧带轧机上尚可看到。 电动方式的调速是由卷取机的直流电机采用弱磁恒功率调速法实现的。电动调速法在 国内、外冷、热轧带钢轧机的卷取机上得到了广泛的应用。这是因为它技能保证张力的恒 定，有使传动部分的机械设备变得十分简单。 工作时三个助卷辊的位置及踏步控制过程如图2 1 、图2 2 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 膏菩芽爱二 i 一羁 待卷 图2 1 三个助卷辊工作时的位置 c p c c p r c p c c p c 第一次跳跃提前量 图2 2 踏步控制过程示意图 在确定卷取机的主要参数之前，应从轧钢工艺方面取得以下数据和依据： ( 1 ) 卷取机所卷取各种带钢的尺寸。 ( 2 ) 所卷带钢的材质。 ( 3 ) 带钢的张力值。 对热轧带钢卷取机的主要参数讨论如下： ( 1 ) 卷筒的径向压力 由于张力的作用，卷于卷筒上的带钢对卷筒参数巨大的径向压力。它是决定卷筒强度 与刚度的依据，也是确定卷筒工艺参数( 卷筒直径) 的主要依据。 ( 2 ) 卷筒外径 卷筒外径是卷取机的工艺参数之一，也是它的主设备参数。整个卷取机的尺寸和结构 都与卷筒的外径密切相关。在确定卷筒外径时，需综合考虑卷取力矩，卷取机主轴强度与 刚度，卷取机的电机调速范围以及带卷卸卷后出现塌卷的可能性等诸方面的因素。 ( 3 ) 卷筒的有效宽度 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 卷筒的有效宽度系指卷筒筒体上涨缩部分的最大长度，即卷筒涨径后直接支承带卷的 最大长度：若有推板装置，则从推板以外算起。卷筒的有效宽度取决于被卷带钢的最大宽 度。 ( 4 ) 卷筒的涨缩量 卷筒的涨缩量是指其直径上的收缩量。涨缩量的大小以便于操作和卸卷为原则，由生 产实践所得之经验确定。 ( 5 ) 卷筒棱锥角的选择 棱锥角是实现卷筒涨缩所必须的。选择棱锥角时需考虑棱锥角与摩擦角的关系以及摩 擦面的润滑。 ( 6 ) 热带卷取机助卷辊数目及其配置 助卷辊的布置主要考虑带钢在卷筒上的成形。1 号助卷辊是最先接触带钢并首先使带钢 弯曲变形的辊子，在卷取过程中，带钢开始变形较困难，因而头一个助卷辊是主要成形辊， 通常将它布置成与垂直线成3 0 。 - 3 8 。第2 个助卷辊继续起弯曲变形作用，根据经验依 布置在距头一个助卷辊约8 2 。- - - 1 0 0 。的位置。第3 个助卷辊主要起客服带钢弹复变形的作 用，并对带钢导向，实践表明它宜布置在距第二个助卷辊约1 0 0 。之处。 本文主要分析的是武钢二热轧1 号地下卷取机，该卷取机有三个助卷辊，咬入以及卷 取速度都很高，能够卷取较大吨位的带材；控速能力较强，能够保持卷筒在线速度一定的 情况下进行卷取。 助卷辊与卷筒之间的辊缝值6 均可以调节，且有一定的设定原则：若6 值太大，则钢 卷不容易卷紧，头几圈甚至会出现打滑的现象；若6 值太小，则带钢咬入时会撞击助卷辊， 使助卷辊发生跳跃，也会导致钢卷不易卷紧、打滑。一般是根据带钢厚度、材质以及助卷 辊的压力来确定6 的大小，6 的取值略小于带钢的厚度h ，即6 = h 一( 0 5 1 ) m i l l 。三个助 卷辊的开合分别是由三个液压缸控制助卷辊支臂的转动完成的，将其简化后其布置图如图 2 3 。 三辊式卷取机当中，随着卷取带钢的厚度不同，l 号助卷辊可以有不同的工作方式。 卷取较薄带钢时，当卷3 - 5 圈后，1 号助卷辊一直处于打开状态；卷取中等厚度带钢时，前 几圈处于闭合中间打开，带带钢尾部出夹送辊时，l 号助卷辊再次压向带钢；卷取较厚带 钢时，1 号助卷辊一直压住带钢，直到卷取结束。因此，l 号助卷辊承受的载荷是最大的， 控制是最困难的，对系统响应要求也是最高的，我们主要来研究1 号助卷辊。 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 l # 支臂旋转中心 图2 3 助卷辊布置图 转中心 根据设计图纸，使用p r o e n g i n e e r 创建出支臂的实体模型，同时在测试时为了验证 有限元模型的正确性，在支臂结构上选取两个测点进行应力测试，利用测试结果与计算结 果对比，使计算模型接近于实际状况。应力测量原理实际上就是先测得受力物体的变形量， 然后根据胡克定律来计算出待测力的大小。又因为应变片是粘贴在构件表面的，所受到的 是构件表面的拉应变或者压应变，所以它的应用被局限于单向或双向应力状态下的构件的 受力研究。 根据1 号助卷辊支臂的结构及其受力特点可知，支臂受力近似于梁弯曲变形，因此在 梁受弯曲应力最大的外表面沿受力方向采用半桥桥路布置应力传感器，测点位置如图2 4 所示。 澳9 点 测点1 + 图2 4 测点位置 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 2 2 测试标定 试验是机械工程基础研究、产品设计以及产品研发的重要环节。在工程试验中，需要 进行各种物理量的测量，以便得到精确的定量结果。在产品开发或其他目的的试验中，一 般要在被测对象运行过程中或试验激励下，测量或记录各种随时间变化的物理量，通过随 后的进一步处理或分析，得到所要求的定量的试验结果。在运行监测或控制系统中，通过 随后的进一步处理或分析，得到所要求的定量的试验结果。在运行监测或控制系统中，实 时测量的各种时间变量则用于过程参数监视、故障诊断或作为控制系统的控制、反馈变量。 测量系统的一般构成如图2 5 。 图2 5 产品检测框图 一一! 一一一一一一一一一一一一一l 一一一一 产品设计 其中被测物理量( 信号) 作为测量系统的输入，它经过传感器变成可作进一步处理的 电量，经信号调理( 放大、滤波、调制解调等) 后，可以通过模数转换变成数字信号， 从而得到数字化的测量值，将其送入计算机( 或仪器控制系统) 进行分析与储存，用于各 种用途。 本次测试的目的主要是为了分析卷取机支臂受力情况。为了获得较大的测量灵敏度， 采用贴应变片桥式力传感器进行应力的标定。 第1 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 1 号助卷辊支臂应力测试方法及其标定 1 号助卷辊支臂横梁跨中腹板焊缝是薄弱环节，腹板上的应力是通过焊缝来传递的。 因此在支臂横梁跨中腹板上选择两个位置作为1 号、2 号应力测点( 图2 4 所示) 。由于 支臂处温度较高，各测点除贴一工作片外再各加贴一个温度补偿片消除温度对工作片阻值 造成的影响。工作片沿支臂纵向方向布置，温度补偿片沿工作片垂直方向布置如( 图2 6 所示) ，按图2 7 所示，将工作片与温度补偿片组成半桥测试电路。 图2 6 应变片分布示意图图2 7 半桥测试电路图 该应力在实验室同样采用等强度梁进行标定，其标定值分别为2 9 2 3 m p a v ， 2 9 1 9 m p a v 。 2 2 2 机械信号的标定值 ( 1 ) 两个个机械信号的标定值如表2 1 所示。 表2 1 机械信号标定值 信号 标定值 支臂应力12 9 2 3 m p a v 支臂应力22 9 1 9 m p a v ( 2 ) 电信号的测试方法及其标定 电信号直接由热轧总厂二分厂电气室引出，其标定值由电气室工作人员提供，其标定 值如表2 2 所示。 表2 2 电信号标定值 信号标定值 助卷辊油腔压力2 3 b a r v 1 、3 号助卷辊辊缝1 2 0 m m v 2 号助卷辊辊缝 1 4 0 m l n v 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 2 3 支臂结构相对位置及受力分析 由于助卷辊只参与卷取带钢的头部和尾部，并且在实际生产中由于卷取机采用a j c 踏 步控制系统，使带钢头部对支臂的冲击大幅减小，再根据现场测试所得的支臂应力信号与 实际生产情况比对可知，在卷尾时助卷辊施加力最大，所以采用卷尾时油缸驱动力和助卷 辊施加力为其实际载荷。带钢在进入卷取时，带钢头部在1 号助卷辊作用下弯曲，此时受 到一个垂直方向以及带钢长度方向上的两个力，后者可以忽略不计。 带钢头部弯曲一般分为弹性弯曲阶段、塑性弯曲阶段、稳定咬入阶段三个阶段。弹性 屈服阶段处于带钢在进入成型板与卷筒之间的间隙，并且到达助卷辊之前，这时头部开始 弯曲；而后夹送辊送进到助卷辊与卷筒组成的辊缝中，带钢弯曲的曲率逐渐增大，如果作 用在带钢上的弯矩大于其屈服极限时，带钢就会发生弯曲变形进入塑性弯曲阶段，由于助 卷辊压紧带钢在卷筒上，此时头部曲率近似等于卷筒的曲率。带钢张力建立之后，当助卷 辊与卷筒接触处的曲率达到1 r 时，如果助卷辊中心和卷筒中心连线及卷筒中心连线和带 钢头部连线的夹角( q ) 满足 等糍等= 厮【5 - ( 3 圳瓜 嘉 时，带钢头部的曲率半径已经和卷筒的半径相同， q 角的增大，轧件的弯曲程度和压力将保持不变。 不同卷径需要分别计算它们之间的力臂比值， 力与油缸施加的力相对于固定销轴的力臂将不同。 带钢开始进入稳定咬入阶段。同时随着 这是因为钢卷卷径不同，助卷辊施加的 为确定相对位置关系，首先需知卷取特定钢卷时的辊缝值、油缸旋转中心、助卷辊中 心、支臂旋转中心等位置分布。根据设计资料及现场测定，由图2 8 厂方提供的设备在线 监测数据可知选取的钢卷卷筒中心到助卷辊外侧距离为9 0 8 7 4 r a m ，根据设计图纸助卷辊直 径为3 8 0 r a m ，因而卷筒中心到助卷辊中心距离为1 0 6 8 7 4 r a m 。 第1 6 页 武汉科技大学硕士学位论文 图2 8 卷取钢卷时的辊缝值 计算载荷是采用卷取1 3 8 8 1 8 0 8 m m 钢卷时的卷尾实际载荷，成卷后直径为巾 1 7 5 7 m m 。此时支臂位置及其受力图如图2 9 所示，其中f 为支臂对油缸施加力，f 为支臂 对助卷辊施加力；厶为助卷力力臂其值为1 1 3 0 o m m ，l ：为油缸驱动力力臂其值为 1 3 2 9 6 m m ，比值为1 1 7 7 。 图2 9 卷径为由1 7 5 7 m m 时支臂受力 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 2 4 支臂油缸施加力计算 武钢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，油缸施加力如下： f = ( p h i d 2x n 4 ) 一 p r l x z 4 x ( d 2 一d 2 ) ( 2 1 ) 式中p h i 一无杆腔油压，单位为m p a ； p r l 一有杆腔油压，单位为d p a ： d 一油缸直径2 2 0 r a m d 一活塞杆直径1 6 0 m m 图2 1 0 测点1 应力记录曲线 柑 1 图2 1 1 测点2 应力记录曲线 图2 1 2 无杆腔油压引7 1 记录曲线 n i 。o卜|l 。矿 f 龄- 一 ，。r 一 ， 柚1 图2 1 3 有杆腔油压朋1 记录曲线 图2 1 0 2 1 3 为现场测试信号记录曲线。由图中可以看出，助卷力最大时刻为卷尾 时刻，此时对应测点1 应力值为2 8 2 3 m p a ，测点2 应力值为1 0 4 1 m p a ；无杆腔油压 朋1 = 8 1 5 8 m p a ，有杆腔油压m 1 = 6 8 m p a ，根据( 2 1 ) 式计算出油缸驱动力： f = 1 8 8 2 4