（机械工程专业论文）卷取机核心零部件变形分析与结构改进.pdf

中文摘要 目前，随着我国制造业由大变强的步伐，各种现代设计方法越来越广泛地 应用到了制造装备的优化设计上。为了更好地推进我国工业化进程，积极推广 和应用新技术来优化生产，本文通过各种途径查阅了大量相关的文献资料，分 析了钢铁企业中冷轧生产线上的冷轧带材卷取机在轧钢生产中的重要作用，研 究分析了二十辊轧机卷取机卷筒关键性零部件在实际钢带生产过程中的常常因 为结构不合理导致的受力状态不好，从而造成弯曲应力过大，导致了零件局部 破坏以及卷取机剧烈振动。其中，扇形板的弯曲变形过大导致了卷取机涨缩的 卡阻，钳口的弯曲变形过大导致钢带咬合不紧。 针对这些问题，理论分析了其受力状态，计算了相关设计参数，重点应用 比较经典的有限元软件a n s y s 对扇形板和钳口进行了静力、模态、瞬态动力分 析，并根据分析结果结合实际生产中的破坏形式对其进行了优化设计，最后对 优化结构进行对比验证分析，主要研究内容如下： 首先，根据实际生产中的二十辊轧机卷取机的相关参数，计算卷筒所受到 的径向压力，并将卷筒整体简化成一根轴，对其进行理论受力分析，分析其不 同位置的弯矩和扭矩，最后由弯扭合成，确定其强度是否足够。 其次，根据卷取机相关c a d 图纸，利用u g 三维软件建立其扇形板以及大固 定钳口的准确三维模型。由于此模型将要导入a n s y s 软件中，故要对其进行必 要的简化，建立起扇形板和大固定钳口的简化模型。扇形板结构比较大而且较 复杂，根据其基本对称的特点，建立其二分之一的三维模型，这样能更好地在 a n s y s 软件中进行有限元分析。 然后，将建立好的三维模型导入到a n s y s 软件中，选择合适的单元类型和 划分网格精度，结合零件实际的工况，对零件正确加载求解，对其进行静态、 模态以及瞬态动力分析。针对扇形板的结构，只需对其二分之一模型进行分析， 设置对称约束，最后扩展。针对大固定钳口的受力状况，对其一段进行分析， 这样精度可以更高。同时大固定钳口的长度尺寸比较大，故其可以简化成平面 应变问题的有限元分析。 最后，根据有限元分析结果，结合实际生产中的破坏情况，对受力变形大 的地方进行结构优化，并针对优化后的模型进行有限元分析，对比未优化前的 应力和变形，确定是否达到优化的效果。针对大固定钳口的平面分析，对其进 行拓扑优化设计。 关键字：卷取机，有限元，应力，变形，平面应变，拓扑优化 i i a b s t r a c t n o w , w i t ht h ep a c eo fc h i n a sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yg r o w i n gs t r o n g e r , a v a r i e t yo fm o d e md e s i g nm e t h o d sm o r ea n dm o r ew i d e l ya r ea p p l i e d t oo p t i m i z et h e d e s i g no ft h em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t i no r d e rt ob e t t e rp r o m o t et h ec o u n t r y 。s i n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s ，t h ea c t i v ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g i e s a r ea p p l i e dt oo p t i m i z ep r o d u c t i o n t h r o u g hav a r i e t yo fw a y st oa c c e s sal a r g e n u m b e ro fr e l a t e dd o c u m e n t s ，a n a l y s i st h ei m p o r t a n tr o l eo ft h ec o l d r o l l e ds t r i p w i n d e ra n dr e e li nt h er o l l i n gp r o d u c t i o n ，r e s e a r c ha n da n a l y s i st h ek e yp a r t sa n d c o m p o n e n t ss e c t o rp l a t eo ft h ep o o rr o l l sa n dj a ws t r e s s s t a t ei nt h ea c t u a ls t r i p p r o d u c t i o np r o c e s sb e c a u s eo ft h es t r u c t u r e i si r r a t i o n a l ，r e s u l t i n gi nt h eb e n d i n g s t r e s si st o ol a r g e ，r e s u l t i n gi np a r to fl o c a li sd a m a g e da n dt h ec o i l e r s s e v e r e v i b r a t i o n b e n d i n gd e f o r m a t i o no fs e c t o rp l a t e i st o ol a r g el e a dt ot h ec o i l e r s j a m m i n gi nt h ep r o c e s so fs h r i n k t h eb e n d i n gd e f o r m a t i o no ft h ej a wi st o ol a r g et o r e s u l ti nt h es t r i pb i t ei sn o tt i g h t s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，w eh a v et h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h es t r e s ss t a t ea n d c a l c u l a t i o no ft h er e l e v a n td e s i g np a r a m e t e r s ，f o c u so na p p l i c a t i o no ft h ec l a s s i c a l f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa r ep l a y e dt ot h es t a t i c ，m o d a l ，t r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i so ff a n s h a p e dp l a t ea n dj a w , a n do p t i m i z e dc o m p a r a t i v ev a l i d a t i o na n a l y s i s w i t ht h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sc o m b i n i n go ff a i l u r em o d e si nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n f i n a l l yo p t i m i z et h es t r u c t u r e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t , a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h e a c t u a lp r o d u c t i o ni nt h e2 0 一r o l lm i l l c o i l e r , c a l c u l a t et h er a d i a lp r e s s u r eo ft h er o l l ，a n dm a k et h er o l ls i m p l i f i e d i n t oa s h a f ta n do b t a i ni t st h e o r e t i c a ls t r e s sa n a l y s i s a n a l y z et h eb e n d i n gm o m e n ta n d t o r q u eo ft h ed i f f e r e n tl o c a t i o n s ，a n df i n a l l ys y n t h e s i z e t h eb e n d i n ga n dt o r s i o nt o d e t e r m i n et h ea d e q u a c yo fi t ss t r e n g t h s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h et o i l e r sc a dd r a w i n g s ，u s eu gs o f t w a r et oc r e a t e a c c u r a t et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ef a n - s h a p e dp l a t ea n dt h ef i x e dj a w b e c a u s e t h i sm o d e li s i m p o r t e dt ot h ea n s y ss o f t w a r e ，s os i m p l i f i c a t i o nt o e s t a b l i s ha s i m p l i f i e dm o d e lo ft h ef h s h a p e dp l a t ea n dt h ef i x e dj a wi sn e c e s s a r y s e c t o rp l a t e s t r u c t u r ei sr e l a t i v e l yl a r g ea n dm o r ec o m p l e x ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e i i i b a s i cs y m m e t r y , e s t a b l i s h e st h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es e c o n do n e s om a t c a nb ea n a l y z e dw e l li nt h ea n s y ss o f t w a r e t h e ni m p o r tt h eg o o dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lt oa n s y ss o t t w a r e ，s e l e c tt h e a p p r o p r i a t ee l e m e n tt y p ea n dm e s h i n ga c c u r a c y , c o m b i n i n gw i t ht h ep a r t sa c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n s ，l o a dp r o p e r l ya n ds o l v ei t ss t a t i c ，m o d a la n dt r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i s s o l v i n gf a n - s h a p e ds t r u c t u r eo ft h eb o a r d ，w ej u s ta n a l y z et h eh a l fm o d e l s e tt h es y m m e t r yc o n s t r a i n t sa n dt h ef i n a le x t e n s i o n f o r c es t a t u so ft h ef i x e dja w , w e ju s ta n a l y z et h ep e r i o d ，s ot h a ta c c u r a c yc a l lb eh i g h e r a tt h es a m et i m e ，t h el e n g t ho f t h ef i x e dj a ws i z ei sr e l a t i v e l yl a r g e ，a n dt h e r e f o r ec a r lb es i m p l i f i e di n t oap l a n e s t r a i nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t s ，c o m b i n gw i t ht h e d e s t r u c t i o no ft h ea c t u a lp r o d u c t i o n , o p t i m i z et h el a r g el o c a ld e f o r m a t i o n ，a n dm a k e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h eo p t i m i z e dm o d e l d e t e r m i n ew h e t h e rt h eo p t i m a l r e s u l t sa leg a i n e db yt h ec o n t r a s to ft h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n m a k et h et o p o l o g y o p t i m i z a t i o nd e s i g no fl a r g ef i x e dj a wp l a n e sa n a l y s i s k e yw o r d s ：c o i l i n gm a c h i n e s ，f i n i t ee l e m e n t ，s t r e s s ，d e f o r m a t i o n ，p l a n es t r a i n ，t h e t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 本课题来源于某公司转改项目“改造二十辊轧机卷取机 。 随着我国经济快速发展，环境污染和能源危机问题日益突出，节能减排、 优化生产已经成为迫在眉睫。为了更好地推进我国工业化进程，加大科技创新 力度，积极推广和应用新技术来优化生产，广大研究所、高校、企业纷纷从节 能减排、优化设计入手，运用现代科技手段，为是我国产业升级添砖加瓦。 在这种大背景下，各种先进的设计方法也应用到了机械制造领域。机械制 造业是一个国家最基础的行业，也决定了一个国家制造业的整体水平。在冶金 机械中，卷取机是热轧、冷轧、涂层、退火、纵剪和重卷等生产线中必不可少 的生产设备。卷取机的卷筒是卷取机的主要部件，卷筒的核心零件是扇形板、 棱锥轴和钳口，这些零件材料比较好，故加工制造起来比较难，成本相比一般 材质的零件花费得多些。故在企业中，该考虑其经济和使用性，就要在保证零 件的生产功能的要求前提下，尽量减少成本，需要优化这些零件的结构，保证 零件重量尽量的轻。在工程领域中，一般的方法是用运用材料力学中的理论方 法计算出分析轴的受力和变形的，通常是按弯扭合成应力来校核轴的强度，还 会计算轴承和键的寿命。但是运用此种方法时设定的假设比较多，一般将实际 中比较复杂的结构和受力尽量的简化，这样就会造成与实际相差比较远，往往 计算出来的危险截面的应力与并不是十分接近于实际情况，有时候还根本相差 很远。卷取机中的扇形板的结构属于板类实体结构，钳口的结构属于平面应变 问题，材料力学、结构力学和弹性力学虽然能研究，但是由于研究对象的应力 和变形状态比较复杂，而且相关理论侧重点不同。比如弹性力学有其自身的弱 点，处理的方法要求较严谨，因而在求解问题时，通常需要冗长的数学运算。 而选择有限元分析的方法，运用有限元软件对扇形板和钳口的结构进行静力分 析、模态分析。瞬态动力分析等，得出的等效应力分布云图和总体变形情况与 实际工作情况比较接近。从而能比较准确地计算出卷筒在不同钢卷重力作用下 以及不同的卷曲速度下，这些零件的应力分布和变形情况。这样我们才能准确 武汉理工大学硕士学位论文 地对所研究的卷筒核心零部件结构提出优化改进意见，才能达到零件满足生产 要求的情况下，节约成本。 1 2 卷取机的分类和应用 用来将钢带卷成带团或线团的卷取机是钢铁企业轧钢生产线上的主要设备 之一。热轧及冷轧生产中，经过轧机轧制后得到的钢带或线材的长度会达数十 米、数百米或者更长，为了方便储存和运输，就需要在轧制完成后对其进行卷 取成钢卷。卷取机不仅安装在主轧制生产线上，在现代化的冷轧带钢车间，卷 取机还普遍用于纵剪、酸洗、退火、涂镀层等机组中。卷取机的种类比较多， 按其用途可分为三类：线材卷取机、热带钢卷取机和冷带钢卷取机l l j 。 线材卷取机是将直径为中9 m m 以下的线材卷绕成卷，有时也可卷取1 5 r a m 的圆钢，以便贮存和运输。使用最普遍的是轴向进料的钟罩式卷取机。该卷取 机工作时，沿送线管送来的线材，由转动着的钟罩传动轴的中心送入并沿钟 罩顶端切向送入储线槽中。由于钟罩不断旋转，其外缘线速度应与轧件的线速 度一致。吐出的线卷在储线槽中是不动的，这就使卷取机可以卷取速度高达 2 5 m m s 以上的线材。线材卷好后，下面的活动底板打开，线卷落在传送带上运 走。由于是轴向送料故在卷取时，钟罩每转一周，线材将扭转一次【2 j - 【3 1 。 热带钢卷取机是分布在热连轧机之后的设备，热钢坯在加热炉中运送至去 鳞机除鳞，然后导入到轧机中轧制，经过万能轧机和连轧机扎制好的钢带，会 在辊道上一遍输送一边冷却，冷却到一定温度就有尾部的卷取机将其卷取起来， 最后翻转到辊道运走。根据卷取机分布位置将其分类，在运输辊道的上面分布 的称为地上式卷取机，在辊道下面的称为地下式卷取机。这两种卷取机，前者 主要是卷取窄带钢，后者卷取的带钢宽度范围比较大。随着社会发展，对卷取 机的要求也越来越高，要求卷取机能高速卷取，大张力卷取，卷取的带钢厚度、 宽度以及温度范围增大，达到高效、高质量和高范围卷取【5 】。 冷轧带钢卷取机是将冷状态下的、很长的带钢卷成钢卷的机械设备。在冷 轧带钢轧机上安装卷取机，不但可以轧制很长的带钢，有利于提高轧制速度和 成品率。同时还可以实现带张力轧制，以达到降低轧制负荷减少带钢翘曲现象， 提高带钢表面质量的目的。常用的冷轧带钢卷取机是卷筒式卷取机，它通常是 在一定的张力下卷取冷轧带钢，故又称张力卷取机。在可逆式单机座冷轧带钢 轧机上，卷取机安装在轧机前后两端( 如图1 1 ) ，在不可逆式和连续式带钢冷 2 武汉理工大学硕士学位论文 轧机上，卷取机则安装在轧机的后面。此外还有安装在连续退火、酸洗、涂镀 层及纵剪、重卷等机组中的卷取机，这类卷取机有时叫精整卷取机。如图卜2 为某公司卷取机成品，如图卜3 所示为工作中的平整机卷取机。 1 一开卷机；2 一卷眦：3 一导向空转辊；4 一压概5 一轧钢机 图1 - 1 可逆式单机座冷轧带钢轧机 图1 - 2 某公司卷取机成品 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 3 平整机卷取机 筒式卷取机一般由卷筒、传动装置、压紧辊、活动支承和推卷机等部件组 成。压紧辊是在卷取终了时，用来将带钢尾部压住防止松卷以便捆扎。 目前，冷带卷取机按用途可分为大张力卷取机和精整卷取机两类。大张力 卷取机主要用于可逆轧机、连轧机、单机架轧机及平整机。精整卷取机主要用 在连续退火、酸洗、涂镀层及纵剪、重卷等生产机组。冷带卷取机按卷筒的结 构特点可分为实心卷筒卷取机、四棱锥卷筒卷取机、八棱锥卷筒卷取机及四斜 楔和弓形块卷取机。前三种强度好，径向刚度大，常用于轧制线大张力卷取： 后两种结构简单，易于制造，常用于低张力各种精整线。实心卷筒卷取机的卷 筒呈实心圆柱形，结构简单，卷筒具有很大的强度和刚度，但是卷筒直径不能 胀缩。为了卸卷就要增设一台具有可胀缩卷筒的重卷机，轧制终了时，带钢从 实心卷筒往重卷机上重卷并卸卷。弓形块卷筒卷取机的卷简直径能胀缩，钳口 ( 夹紧带钢头部防止钢卷在卷筒上打滑) 能夹紧和松开。夹紧带钢头部和卸卷均 比较方便。它的主要缺点是卷筒不对称，质量分布不均匀，因此不能在高速、 大负荷下工作。多用在剪切、酸洗、热处理及涂层等精整机组中。在现代化冷 轧车间，由于轧机向高速化、大卷重和自动化方向发展，故为保证钢卷质量， 而采用四棱锥卷筒卷取机1 4 j 。 1 3 二十辊轧机卷取机 本课题研究的卷取机为二十辊冷轧可逆式轧机卷取机( 森吉米尔轧机卷取 机) ，其属于可胀缩扇形板卷筒卷取机。二十世纪后期，武钢硅钢厂引进了日本 武汉理工大学硕士学位论文 新日铁的森吉米尔轧机，在当时，它是我国国内唯一一条生产冷轧硅钢的设备。 其中，大张力卷取机是森吉米尔轧机的核心设备，国内经过多次技术改造，有 效的解决了国外同类设备存在的折断、压痕等难题，对卷取机实现了国产化。 其卷筒采用四棱锥结构，实心的四棱锥铀在液压缸活塞杆推动下作铀向移动时， 卷筒被胀开或收缩。四棱锥的锥面倾斜角一般为7 7 5 0 。根据卷筒的长度不同， 四棱锥铀分为几段( 即几个四棱锥面) ，卷筒越长，则分段越多。钳口亦采用液 压控制，用几个小液压缸来带动钳口的活动卡板【6 j - 【9 1 。 卷取机卷筒直径的大小与张力的大小有关，并受其强度和生产工艺的限 制。一般采用的规格为5 1 0 r a m 和6 1 0 r a m ，也有采用5 5 8 m m 的。一般轧制窄 带材和轧制卷重小的轧机，卷取机卷筒为悬臂式的( 见图卜4 ) ；面对于轧制宽带 材和大卷重的轧机，为了提高卷筒在卷取工作时的刚度，在其卷筒悬臂端需设 卷筒活动支座。在进行卷取时卷筒活动支座支撑卷筒悬臂端，这时卷筒有了两 个支点。在卸卷时，可将活动支座移开，移开动作由液压缸完成1 1 0 | 。 图1 - 4 悬臂式卷筒 四棱锥卷筒的棱锥轴有正锥式和倒锥式两种。这种卷取机卷筒结构简单， 构件少，主要是由扇形板和棱锥周以及钳口组成。棱锥轴的横截面积比较大， 武汉理工大学硕士学位论文 故其强度相应的比较高，可承受较大的张力和较重的钢卷。在可逆式2 0 辊冷轧 机卷取机中的卷筒就属于四棱锥卷筒。正锥形式的卷筒，棱锥轴的传递给扇形 板的轴向分力主要作用于扇形板端部的钩头上。由于钩头端面比较小，故会产 生相当高的剪切应力和弯曲应力。因此，钩头危险截面成为扇形板的薄弱环节， 它限制了卷简的卷取张力，缩短了扇形板的使用寿命。倒锥式卷筒，取消了扇 形板钩头，显著地改善了扇形板工作条件，延长了使用寿命。但由于胀缩缸于 胀径状态时活塞的有杆侧受力，环形面积小，因而要求胀缩缸的直径大o j 【l 。 图1 - 5 为1 1 8 0 二十辊轧机的卷取机卷简；由棱锥袖、扇形板、钳口以及胀 缩缸等组成。卷筒钳口由六个径向柱塞缸夹紧，由弹簧松开，开口度为5 m m 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 卜扇形板；2 一棱锥轴；3 一钳口；4 一径向柱塞缸 图1 5 11 8 0 二十辊轧机的卷取机卷筒 卷筒经过使用发生过以下问题： 1 ) 扇形板钩头断裂； 2 ) 棱锥轴退缩且过大( l o m m ) ； 3 ) 钢卷卸下后产生过塌卷。 扇形板钩头断裂是正锥式卷筒的弊病，钩头承受较大的棱锥轴轴向分力， 钩头尺寸受限制，弯曲应力和剪切应力过耐1 2 】【1 4 1 。 棱锥轴的退缩量过大，主要是胀缩缸工作压力设计的太低( 0 5 m p a ) ，不能 平衡在卷取过程中所产生的径向压力作用于棱锥轴上的轴向力。 塌卷的原因是多方面的，但其主要原因还是卷简直径在卷取过程中产生过 分径缩引起的。棱链轴的退缩量过大，卷简直径收缩量大，则引起钢卷内层切 向应力过高，再加上钳口凹陷处卷筒无径向力支承，造成钢卷内层在此处的应 力失去平衡，则产生塌陷。此塌陷的深度随卷取层数的增多，棱锥轴不断退缩， 卷简直径进一步减小，塌卷在增长，最后将导致塌卷事故。目前解决塌卷的办 法，对于现有卷取机只能降低最后道次的卷取张力，减少卷简直径的收缩量。 当然，在可能条件下提高胀缩缸的能力是有益的。对于新设计的卷取机，一是 7 武汉理工大学硕士学位论文 显著提高胀缩缸的能力，使卷筒的径缩量不大于l m m ，二是改善钳i z l 结构，减少 内层带钢的凹陷条件。对于随之而来的其他构件强度问题也必须同时解决1 5 】【1 6 】。 目前使用的卷取机多为倒锥式卷筒，本课题研究的卷取机就属于这种，棱 锥轴如下图卜6 所示。 图1 - 6 二十辊轧机卷取机棱锥轴 1 4 提高卷筒关键零部件使用寿命的重要性 根据轧钢生产的实际状况分析，卷筒作为整体，受到整体破坏的可能性不 大，对其整体有限元分析实际意义并不大。冷轧卷取机中容易破坏的往往是扇 形板的变形、钳口磨损和压溃、棱锥轴的断裂。如图卜7 、卜8 和卜9 所示。 图1 - 7 棱锥轴断口的宏观照片 武汉理工大学硕士学位论文 图卜8 扇形板外表面损伤 图1 - 9 扇形板斜面破坏 在实际钢材生产中，卷筒里面的零件受力是比较复杂的，扇形板受到的载 荷包括自重，钢卷卷重引起的压力，径向压力，自身转动产生的离心力，燕尾 键对其燕尾槽的压力，以及活动钳口对其固定钳口的压力。棱锥轴受到的载荷 包括自重，钢卷卷重引起的压力，四块扇形板对其的径向压力，自身转动产生 9 武汉理工大学硕士学位论文 的离心力等。这些零件的受力状态是否稳定和良好，直接影响着这些零件的变 形和寿命，也直接影响着整个卷取机和整个生产线的生产状态和正常运转。在 生产实际中也常有由于这些零件的故障导致停产的事故发生，比如有些厂由于 扇形板受力变形，导致胀缩卡阻，卸卷不能正常进行，某些厂由于棱锥轴断裂 事故。因此如何改善这些关键性零件的材料、加工工艺以及结构，使其受力更 加合理，使用寿命延长是一项很有实际意义的任务7 1 - 1 2 5 1 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章卷筒主要参数的确定 2 1 卷简直径和卷取张力的确定 由于卷取机所应用的工况条件比较复杂，故其类型比较多。由于本课题研 究的是二十辊冷轧可逆式轧机卷取机，考虑到冷轧带材卷取机工艺的特点，其 卷筒直径通常以卷取过程中内层带材不产生塑性变形为设计原则来选择。依据 弹塑性弯曲理论，冷轧带材卷取机的卷筒直径与其所卷带材的厚度以及带材的 机械性能之间应满足下面所示关系： d 坠o r ( 2 1 ) j 、- ， 式中仃。卷取温度下带材的屈服极限，m p a ； 卜带材的弹性模量，m p a ； 7 k 带材的最大厚度，m m ； 卜卷筒直径，m m 。 此外，卷取机直径不能选取过大或过小，其受卷取机卷筒强度和生产流程 及工艺流程的限制。有时候卷简直径也可以参照经验来选取：卷取有色金属带 材时选取d = ( 1 2 0 1 7 0 ) h m 戤；卷取冷轧带材时选取d = ( 1 5 0 2 0 0 ) h 。比较 常见的的卷筒的直径系列有：中3 0 5 r a m ，中4 5 0 r a m ，中5 1 0 m m ，中6 1 0 m m 。若卷取 机所卷取的带材的厚度范围很大，那么方案就要发生变化，结构上要采用卷筒 可变换形式或者能加套筒的结构方案，这样就能根据不同的厚度来选择不同直 径的卷筒，可以防止较厚钢带在直径比较小的卷筒上出现塑性变形或者比较薄 的钢带卸卷后应为内孔比较大从而出现钢卷塌卷的现象。卷筒上卷取钢卷的工 作部分的长度尺寸应选择等于或者稍微大于所s l $ , j 的钢带的宽度尺寸，卷简直 径的胀缩量应选择在大概1 5 4 9 r a m ，热轧卷取机卷简中应该取较大值。本课题 研究的二十辊冷轧可逆式轧机卷取机卷简直径为d ) 5 1 0 r a m 2 6 】。 卷取机在绕带钢时须有一定的卷取张力。卷取张力的大小取决于卷取机的 工作状态和产品规格，其过大或过小还会影响产品质量。过大时会影响产品内 部金相组织，并使设备电机容量增大；过小时会使带钢跑偏。设计时，卷取张 力t 可按下列经验公式初步计算，然后根据生产实践确定。 武汉理工大学硕士学位论文 丁= 仃o 6 h ( 2 2 ) 式中：仃。单位张力，m p a ； b 带钢宽度，m m ； h 带钢厚度，m m 。 对于冷轧带钢，当带钢厚度分别为o 3 l m m 、1 2 r a m 、2 4 r a m 时，单位 张力分别为0 5 0 8 0 。m p a 、o 2 一o 5 c r ，m p a 、0 1 0 2 0 ，m p a ，其中仃，为带 钢屈服极限。本课题研究的二十辊冷轧可逆式轧机卷取机的张力为以下表2 1 所示，在理论分析中应当取最大值进行研究。 表2 。1二十辊轧机卷取机张力表 卷取速度张力 5 4 0 m m in m a x2 9 4 k n 8 0 0m m i nm a x1 9 6 k n 8 0 0m m i nm i n1 1 8 k n 2 2 卷筒径向压力计算 2 2 1 四棱锥卷筒卷取机工作原理 p 卜扇形快；2 一棱锥轴；3 一胀缩缸 图2 - 1 卷筒的工作原理 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 所示，大张力四棱锥卷筒由棱锥轴和扇形板等组成，各扇形板的受力 通过斜面传递给棱锥袖，由液压缸平衡。液压缸的操作为溢流阀限压回路，当 液压缸工作压力达到溢流阀的限定压力之后则溢流，因而缸内容积减少；棱锥 轴后退，各扇形板产生径向位移，带卷内径随之减小。于是缠绕于卷筒上的带 材出现层间相对滑移或滑动趋势，在带材层间压力作用下引起层间摩擦阻力， 这一阻力起着内层支持外层作用。从而限制了卷筒径向压力的增长速度。所以 径缩对于卷筒工作来说是必要的。但过分径缩是导致带卷塌陷的因素之一。在 一定张力，一定摩擦系数( 包括胀缩斜面和带材层间摩擦系数) 条件下，卷筒径向 压力决定卷筒的径缩量，亦即卷筒刚度。通过调节减流阀的限定压力，可改变 卷简的刚度，因此径缩卷筒为刚度可控卷筒。武钢森吉米尔轧机卷取机卷筒棱 锥轴退缩量原设计为3 5 m m ，而实测结果比原设计大2 3 倍，甚至导致塌卷。 由于这一卷筒刚度受胀缩缸能力限制，所以其刚度无法提高。卷筒的工作状态 决定了卷筒受力是复杂的，多方面的。因而它的力参数完全靠一理论性数学模 型来表达是比较困难的。例如某些公式计算四棱锥卷筒时引入一卷简的“当量 内半径”，而这一当量半径不是取之于棱锥轴的内孔，而是“相当 于厚壁圆筒 的内半径。实质上这一半径的大小有修正压力计算值，使之符合试验曲线的作 用。在工程上尽管它不是力参数的作用机理，也是常见的，甚至是必要的【2 。 根据上述观点，对于大张力四棱锥卷筒的径向压力作以下假定； 1 ) 卷筒为一组合的可径缩的刚性体( 忽略组合件和液压油的弹性模数影 响) ； 2 ) 卷筒径缩引起的带卷层间摩擦阻力，内层有支持外层的作用， 3 ) 作用于卷筒上的径向压力为带卷层间压力的总和； 4 ) 带材为完全柔性的材质； 5 ) 径向压力在卷筒上的分布足均匀的。 2 2 2 卷筒径向压力计算方法 卷取机卷筒径向压力计算的公式很多，这个与卷取机卷筒的类型和侧重点 有关。一部分侧重理论方面的推导，一部分侧重于应用方面的研究。而且这些 公式通常情况下都具有一定的假定条件，所以这些公式各自用在对应的卷筒相 关设计计算中。卷筒主要的参数有直径、径向压力和涨缩缸平衡力等，其中卷 筒径向压力的是很重要的参数，它的计算直接与所卷取得钢卷直径有关系，也 武汉理工大学硕士学位论文 影响着钢卷的卷取质量。而且在零件的强度校核和液压胀缩油缸平衡力计算中 都需要首先知道卷筒所受径向压力。通常人们认为卷取机卷筒所受的径向压力 与实际工况中卷取张力和钢卷直径、钢卷和卷筒的径向刚度( 包括钢卷的卷层之 间的变形效应和卷筒的胀缩性能) 、钢卷的卷层之间的介质及表面状态、层与层 之间滑动与摩擦及钢卷的宽度等因素有关i j u j 。 卷筒的类型不同，其径向压力计算所选取的方法也不同。一般根据其棱锥 轴的锥面锥角的大小将其分为自动缩径式卷筒或可控刚度卷筒和不可自动缩径 式卷筒。以前设计的可逆式冷轧机卷取机的卷筒的棱锥面倾斜角( 即楔角) a = 6 0 即倾斜角小于摩擦角，故此种四棱锥卷筒在卷取钢带生产中，棱锥面往往 会卡紧自锁。在这种状态下，卷取机卷筒上所受的径向压力有时可高达 4 0 0 7 0 0 n , ( m m 2 1 。对比扇形板和棱锥轴所选的材质，在此种较高的径向压 力下卷筒的扇形板和棱锥轴往往会产生塑性变形，变形过大的话就会使涨缩过 程卡阻，造成钢卷难从卷筒上卸载下来。而且卡阻后温度升高，棱锥面的磨损 加快。随着生产的发展，四棱锥卷筒的结构逐渐改进，棱锥斜角加大到a = 7 0 ， 其目的在于创造卷筒在卷取过程中产生自动缩径的条件。实践表明、在润滑不 良的情况下、仍然出现自锁现象。因此，目前新设计的大张力卷筒的棱锥斜角 多采用7 0 3 0 、7 * 4 5 、8 0 ( a 8 0 时，胀缩缸尺寸过大) 。卷筒胀缩肛回路采用 常开式并装了溢流阀。调整溢流阀的压力就可控制卷筒的自动缩径量( 可控刚度 卷筒) 。图2 - 2 以对比的形式表示出了自动缩径卷筒与不可缩径卷筒实测径向压 力的变化规律p 2 。 e z 工之 h 鱼 土兰 瓣 m m 0 55 0 5 6 0 s 7 0 58 0 5 ，己 1 - 1 1 图2 - 2 卷取机卷筒所受径向压力实测曲线 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 目前，卷取机卷筒径向压力的计算方法比较多，但是在很多计算公式中往 往都将卷筒看做成个厚璧弹性圆筒，往往不怎么考虑扇形板与棱锥轴在卷取 钢卷的过程中的自动缩径和钢卷卷层之间的摩擦，但是会考虑卷筒的自动缩径 和带层之间的摩擦力，还研究分析零件所受应力和其变形的关系。英格利斯 ( c e i n g l i s ) 公式是比较经典的径向压力计算公式，很多公式不程度地借鉴 了这个方法。英格利斯( c e i n g l i s ) 公式中，把卷取的多层钢卷和卷筒都简 化看成是弹性厚壁筒来。在轧机与卷筒之间的形成的张力的作用下，简化的厚 璧筒的次外层受到外层一均匀的径向压力p i 。此压力通过一层一层的钢卷向卷 筒表面传递，这样就使卷简的表面产生了一径向压力增量p i 。在整个卷取钢 带的过程中，钢带每卷取多一层，此径向压力就会相应得到一个增量。最后卷 筒的径向压力就是各层压力增量的总和。其公式如下： 尼= 三仃( 1 - 争) i n 爱 3 ， 只卷筒外表面的径向压力( 培c m 2 ) ； 盯卷取张应力( k g a m ) ； 尺带卷外径( e r a ) ； 卷筒外径( c m ) ； 飞卷筒内当量半径( a m ) ，它是将四棱锥卷筒或扇形快的卷筒看作当量弹性 厚壁圆筒时的内半径的，飞= o 4 2 r o 。 目前，各种书籍以及文献中关于卷取机卷筒所受径向压力的计算往往都比 较繁杂，而且很多系数的设定缺少实际经验，没有合适的系数选择。鉴于此， 我国设计工作者，根据国内外发表的缩径与不缩径卷简径向压力实测结果，推 导出了适用于自锁状态( 包括实心卷筒) 、缩径状态的四位锥卷简和弓形块卷筒 的径向压力计算的半经验公式，且方法简单易于运算。该公式为：此径向压 力就会相应得到一个增量。最后卷简的径向压力就是各层压力增量的总和。其 公式如下： p ：丝qz r o 1 + 豇2 r ( 2 4 ) 式中尸径向压力； 风带卷外半径； 武汉理工大学硕士学位论文 r 卷筒半径； 仃o 作用于带材上的张应力( 单位张力) ； ，摩擦系数，其值按下列选用： 对冷轧带钢： 表面有s l n 油或乳化液f = 0 1 ； 表面有少量s l n 油或乳化液f - - 0 1 2 ： 表面无轧制油或乳化液f - - 0 1 5 ： 对常温热轧带钢( 无油、冷态卷取)f - - 0 2 ； 对温度为6 0 0 有的热轧带钢f - - 0 3 5 。 k 压力系数，其值与卷筒类型有关： 对四棱锥卷筒缩径工作时 k = c l0 1 5 + 式中c - - l - 4 5 2 5 ，大张力卷筒选用较小值 对弓形块卷筒： k = c 10 1 + 式中c - - - 1 3 1 6 ，选用原则与前同。 对自锁状态下工作的四棱锥卷筒或实心卷筒： k = 1 7 5 10 5 + ( 2 - 5 ) 小张力卷筒选用较大值。 此时由于没有摩擦阻力影响，式( 2 4 ) 中有一项等于零， 1 6 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 径向压力计算公式为： 商 商 商 武汉理工大学硕士学位论文 p 出沁 ( 2 8 ) 应当指出，由于公式推导中使用实测数值的局限值，这一公式在生产实际 中的适用范围尚待进一步验证。本课题研究的二十辊冷轧可逆式轧机卷取机的 相关参数如下： 钢卷最大质量m 懈= 2 5 0 0 0 k g ； 钢卷厚度h = 0 1 7 0 8 5 m m ； 钢卷宽度b = 7 5 0 1 3 0 0 m m ； 钢卷外径e o = 4 5 0 1 0 5 0 m m ； 卷筒半径r = 2 5 5 m m ； 速比f = 1 2 9 5 2 ： 电机速度最大速度v = 12 0 0 r p m 。 计卷筒径向压力时选取最大钢卷外径为2 1 0 0 m m ，卷筒直径为5 1 0 m m ，其工作 时为表面有少量乳化液，故f 选o 1 2 ，大张力卷筒c 值选择1 5 ，其中单位张 力由公式： t = o o 6 h ( 2 9 ) ， 得到，其中厚度选择0 8 5 m m ，宽度选择1 3 0 0 m m 。最后得出卷筒径向压应力 为3 9 9 4 m p a 。 2 3 卷筒整体的受力分析 将棱锥轴以及扇形板看成一个卷筒整体，对其进行受力分析，这样能运用 材料力学的内容对其理论分析，从而初步了解整体受力状况，得到受力最大部 位以及容易破坏的地方。 一、卷简的材料 棱锥轴的材料为4 0 r n i m o ，扇形板为3 4 c r n i 3 m o ，作为整体研究，其材质 与4 2 c r m o 类似，查相关机械手册得其屈服强度仃。= 1 0 8 0 m p a 。 二、卷筒的强度计算 先做出卷筒的受力简图( 即力学模型) ，取分布载荷作用于卷取钢卷段，由 于卷取机主要支撑部位为靠近钢卷左端的轴承位以及右端的活动支撑位置，故 截取这一段进行分析。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 转矩：删5 5 1 0 3 鲁= 9 5 5 1 0 3 等= 1 0 6 9 6 1 0 3 ( 2 - 1 0 )刀z ) u 重力：g = m g = 2 5 0 0 0 x 9 8 n = 2 4 5 0 0 0 n ( 2 11 ) 周胁r = 吾= 筹= 4 1 9 4 5 1 ( 2 )轴承以及活动支撑所受的支反力 由于轴承和活动支撑相对卷取钢板的卷筒来说，位置基本对称，故在此将 其假设为对称分析，这样受力比较简单，而且对结果影响不大。 e y 水平支反力：f a r = 瓦= 等= 2 0 9 7 2 5 5 ( 2 1 3 ) 二 门 垂直支反力：碌= 已= 詈= 1 2 2 5 0 0 n ( 2 - 1 4 ) z ( 3 )建立剪力方程与弯矩方程 以e 1 为原点建立x 坐标轴，在坐标轴为x 的截面m - m 处将轴截开。考察轴 左段的平衡，轴的剪力方程和弯矩方程为： 水平面剪力： 垂直面剪力： 水平面弯矩： 垂直面弯矩： q ( ，) = 2 0 9 7 2 5 5 n = 一n 面( x - 4 8 5 ) q ，( ，) = 一2 0 9 7 2 5 5 n q ( ，) = 1 2 2 5 0 0 n ( ( o x 4 8 5 ) ) ( 4 8 5 x 1 7 6 5 ) ( 1 7 6 5 x 2 2 5 0 ) ( 0 x 4 8 5 ) = 已一g 面( x - 4 8 5 ) ( 4 8 5 x 1 7 6 5 ) q ( ，) = 一1 2 2 5 0 0 n ( 1 7 6 5 x 2 2 5 0 ) 朋r o ) 2 ，甜x 2 2 0 9 7 2 5 5 n 坍 【usx 4 8 5 ) m ( ，) ：x i 黑( 4 8 5 ) x - 4 8 5 ) 2 ( 4 8 5 x 1 7 6 5 ) m 2 x 一云蒜( 2 哆( ，) - f a r x - f t ( x - 11 2 5 ) 2 ( 1 7 6 5 x 2 2 5 0 ) m y “) = ，x = 1 2 2 5 0 0 ( o x 4 8 5 ) m 巾) 2l x 一云( x 一4 8 5 ) 2 ( 4 8 5 x 1 7 6 5 ) 1 8 ( 2 1 5 ) ( 2 -