（机械工程专业论文）特大型四棍卷板机的研制.pdf

摘要 重型卷板机是高压厚壁压力容器制造中的关键设备。本课题的研究是针对山东齐鲁 石化机械制造有限公司在重型压力容器制造中所需的w 1 2 n c 2 6 0 x 3 5 0 0 特大型四辊卷 板机进行研制，其目的是提升企业的装备水平和市场竞争能力，同时也填补我国大型弯 曲成型机械中的相关空白。 对卷板的基础理论和工艺过程进行分析表明，金属板料的弯曲过程即为板材的塑性 弯曲变形过程，板材在弯曲时处于立体应力与平面应变状念，弯曲精度、最小弯曲半径、 弯曲力和弯曲力矩是板材弯曲的主要工艺指标。卷板是根据三点成圆原理，利用卷板机 对板材进行连续三点弯曲的过程。四辊卷板机虽然存在结构复杂、重量大等缺点，但也 具有对中方便、可使剩余直边很小的预弯功能以及矫圆精度高等诸多优点，因而在厚壁 筒节的卷制中应用广泛。 在充分论证的基础上，结合企业自身特点，确定了型号为w 1 2 n c 一2 6 0 3 5 0 0 的特 大型四辊卷板机的总体设计方案：采用四辊结构；主运动采用机械传动，其传动链上的 开放齿轮副由三个主动小齿轮和一个被动大齿轮组成，减小了卷板机的总体外形尺寸； 辅助运动采用液压传动，液压系统以比例伺服阀为控制核心，使卷板机下、侧辊升降具 有较高的同步精度；卷板机左、右机架采用全焊接式，降低了设备整机重量；电控系统 采用以西门子s 7 3 0 0 系列p l c 为控制核心的工业计算机作为主操作界面，具有微机操 作和按钮操作两种功能。 为确保卷板机功能的j 下确性和设计结构的安全性，进行了卷板机的工艺参数计算、 工作辊强度和刚度校核计算。利用w o r k b e n c h 软件对由经验和类比进行结构设计的 卷板机机架进行了有限元分析，校核了其强度和刚度。计算结果表明，卷板机满载时强 度和刚度均处在安全范围之内。 机架制造、工作辊及传动齿轮制造、油缸加工、设备总装配是w 1 2 n c 2 6 0 3 5 0 0 卷板机制造过程中的几个技术难点。防止焊接变形和采用大型落地铣镗床加工是机架制 造成功的关键；设计专用工装在大型卧式车床上进行加工是大型油缸制造的关键；滚动 轴承装配、油缸装配、工作辊和大小齿轮的装配是设备总装的关键；确保材料性能和化 学成分满足标准要求是工作辊、传动齿轮和油缸缸体等大型外协铸锻件质量控制的关 键。 设备的研制成功表明，该特大型卷板机具有性能可靠、技术先进等优点。因其对中 方便、具备预弯功能、矫圆精度高，从而可提高生产率、降低生产成本。冷卷能力为2 6 0 ( 厚) x 3 5 0 0 ( 宽) m m ，处于世界第三、亚洲第一的地位。 关键词：卷板机，研制，设计校核，有限元，制造工艺 r e s e a r c ho nt h eo v e r s i z e df o u rr o l l e r sb e n d i n gm a c h i n e s u nt i n gb o ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy o n g a b s t r a c t a h e a v y - d u t yp l a t eb e n d i n gm a c h i n ei st h ek e ye q u i p m e n ti nt h em a k i n go ft h i c kw a l la n d h i g hp r e s s u r ev e s s e l s s o m er e s e a r c h i n gw o r kh a sb e e nd o n ei nt h es t u d y i n g a n d m a k i n go f t h ew 12 n c 一2 6 0x3 5 0 0o v e r s i z e df o u rr o l l sb e n d i n gm a c h i n e s o m er e s e a r c ha n a l y s i sh a sb e e nd o n ei nt h eg e n e r a lc o n d i t i o n so fd e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ho nd o m e s t i ca n df o r e i g ns t a t u s t h ec o l dr o l l i n gc a p a c i t yo ft h em a c h i n et h a ti s s t u d i e da n dm a d eb ym y s e l fa n dm yf a c t o r yi si nt h ef i r s tp l a c ei na s i aa n dt h i r dp l a c ei n w o r l d i no r d e rt od e s i g nt h ep l a t eb e n d i n gm a c h i n es c i e n t i f i c a l l ya n dr a t i o n a l l y , s o m ee s s e n t i a l r e s e a r c hw o r kh a sb e e np u tu pi nt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep l a t er o l l i n gt e c h n i c s t h eb e n d i n g p r o c e s so fm e n t a lp l a t ei st h ep l a s t i cb e n d i n gd e f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h r e e p o i n t sm a k i n gac i r c l e ，t h ep l a t eb e n d i n gi st h ep r o c e s so ft h r e ep o i n t ss e q u e n c eb e n d i n go f p l a t es t u f f i ng e n e r a l l y , t h em a k i n go fc y l i n d r i c a ls h e l ls e c t i o ni sm a d eu po ft h ew o r k i n g p r o c e d u r e so fc e n t e r i n g ，p r e - b e n d i n g ，c o i l i n gb l o c ka n ds e t t i n gr o u n d w h e nt h ec a p a c i t y p l a t eb e n d i n gi sd e f i c i e n c y , t h eh o tr o l l i n gc a nb ec o n s i d e r e d t h eh o tr o l l i n gh a sm a n y l i m i t a t i o n s s o m ec o m m o nf a l l a c i e sa n dt h e i rc a u s a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e da n da n a l y z e da n d t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sh a v eb e e np u ti nt h ep a p e r t h es p e c i a l t yo fd i f f e r e n tk i n d so fp l a t eb e n d i n gm a c h i n eh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e r p l a t eb e n d i n gm a c h i n e si sf e l li n t ot w or o l l s ，t h r e er o l l sa n df o u rr o l l sa c c o r d i n gt ot h en u m b e r o fr o l l sa n di t sd i s t r i b u t i o n a l t h o u g ht h ef o u rr o l l sm a c h i n eh a st h ed e f e c t so f c o m p l e xa n d h e a v y , i th a sm a n yv i r t u e s ，s u c ha se a s yc e n t e r i n g ，p r e - b e n d i n gi ns m a l lm a r g i n ，a n dh i g h p r e c i s i o ni nt h es e t t i n gr o u n d i ti su s e db r o a d l yi nt h eb e n d i n go ft h i c kp l a t e i no r d e rt og i v e f u l lp l a yt ot h ev i r t u e so ft h em a c h i n e ，r i g h tm a n i p u l a t ea p p r o a c hi sg i v e ni nt h e p a p e r t h ed e s i g np r o p o s a lo ft h ew 12 n c 一2 6 0 3 5 0 0o v e r s i z e df o u r - r o l lb e n d i n gm a c h i n ei s c o n f o r m e d ，a c c o r d i n g t ot h ef o u n d a t i o n o fs u f f i c i e n c yr e a s o n i n ga n dc o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c si nc o r p o r a t i o n t h ei n i t i a t i v er o l li st h et o pr o l l m a i nd r i v ec h a i ni sm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n t h er i s ea n dd r o po fl o wa n ds i d er o l l sa r ea s s i s t i v ef l u i dd r i v em o v e m e n t i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fr o l l i n gf u n c t i o n a la n dt h es a f e t yo ft h es t r u c t u r ea n d d e s i g n ，t h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nh a db e e nd o n ei nt h eb e n d i n gp r o c e s s ，t h ew o r k i n gr o l l s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fc h e c k i n g ，h y d r a u l i cs y s t e md e s i g n af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h e r o l l i n gm a c h i n ef r a m eh a sb e e nd o n ew i t ht h es o f t w a r eo fw o r k b e n c h ，w h i c h i sd e s i g n e d b yt h es t r u c t u r a ld e s i g ne x p e r i e n c ea n dt h ea n a l o g y t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sh a v eb e e n c h e c k e di nt h ep a p e r t h em a n u f a c t u r i n go fl a r g ep l a t eb e n d i n gm a c h i n eh a sb e e nc o n c e r n e dw i t hm a n y m e t h o d so fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，s u c ha st h ec a s t i n g ，p r e s s u r ep r o c e s s i n g ，w e l d i n g ， m a c h i n i n g ，h e a tt r e a t m e n t ，a s s e m b l y s e v e r a lk e yl i n k s ，s u c ha sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h e r a c km a n u f a c t u r i n g ，w o r kr o l la n dt h em a n u f a c t u r eo ft r a n s m i s s i o ng e a r , p r o c e s s i n go ft a n k s a n df i n a la s s e m b l yo fe q u i p m e n t s ，a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ep r o g r a mo p t i m i z a t i o n p r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o lp o i n t sa r ea l s og i v e n a tl a s tt h er e s e a r c hw o r ko fo v e r s i z e dp l a t eb e n d i n gm a c h i n eh a sb e e ns u m m e du pa n d s o m ep r o p o s ei m p r o v e m e n t sa r eg i v e n k e y w o r d s ：p l a t eb e n d i n gm a c h i n e ，d e v e l o p m e n t ，d e s i g nv e r i f i c a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t ， m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：一生耋叁盐里垄垂鲞垄鱼! 垡丝亟复i 毕业院校： ! 茔! 塑丕迪叁翌 毕业时间：2 旦旦! ( 2f 论文类型：博士论文 口 硕士论文 博士后研究报告 口 同等学力论文 惑 口 授权人签字：孑d 、妇乏 日期：2 0 0 9 年72 月p 2 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数掘是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 同期： 日期： 年月r 年月日 中国石油人学( 华东) 工程硕j ：论文 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 作者所在单位山东齐鲁石化机械制造有限公司是我国压力容器制造行业内实力较 为雄厚的企业，近几年来装备水平发展迅猛，目前己成为中石化系统压力容器制造能力 的五强之一。随着科学技术的进步和工业生产的发展，特别是国民经济持续稳定的发展， 广泛应用于化工、石油化工、冶金、国防等诸多工业领域内的压力容器，在其数量不断 增加的情况下，厚壁、高压设备也越来越多。我公司为适应这种急剧变化的市场形势， 决定自主研制壁厚容器制造中的关键设备w 1 2 n c 一2 6 0x3 5 0 0 特大型卷板机，以提升 企业的装备水平和市场竞争能力，同时也填补我国弯曲成型机械中的相关空白。该卷板 机将处于亚洲第一、世界第三的地位。 众所周知，筒体为压力容器的主要部件，在我国，少部分压力容器可以直接采用管 子，对于多数压力容器筒体主要由两种方法成型，即锻造成型和卷制焊接成型，分别称 为锻焊式压力容器和板焊式压力容器。 锻造成型是采用锻造压力机( 水压或油压) 将钢锭锻成空心锻坯再) j 口- r 成圆筒体或 带有法兰( 或支座) 的筒节，还可将实心锻坯通过钻孔加工制成承受各种压力等级的管 式压力容器。这类压力容器的优点是简体没有纵焊缝，安全性得到加大提高。但缺点是 除需要较大吨位的锻压机，还需要供应及时、重量足够的钢锭，使得一般工厂难以制造。 同时，锻件的加工余量较大，筒体材料的内部质量难以控制，超声波检测工作量大，而 且必须在锻件内外表面加工后才能进行，一旦检测不合格则会造成较大的损失。 板焊式压力容器的壳体成形制造工艺由于受到制造厂的卷板机能力和焊接设备的 制约，有着不同的路线和方法。其中筒节成形方面主要有以下几种途径： a ) 板( 包括薄板) 冷卷焊接n d e ( 指无损探伤，下同) 消除应力热 处理n d e - 机械性能试验加工环缝坡口组焊。 b ) 板热卷焊接n d e 正火+ 回火或调质热处理n d e 机械性能 试验加工环缝坡口组焊。 c ) 温卷( 加热温度弋 1 l 。 l i 、 2 006 08 d1 0 01 2 0 l 厶0 1 一三辊机，- - - - 4 5 0 r a m ：2 一三辊机，- - - - - 6 0 0 r a m ；3 一四辊机，z = 1 4 0 0 m m 图3 5 弯曲半径r o 与辊子相对位置h 的关系 f i g 3 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e n dr a d i u sr oa n dt h er e l a t i v ep o s i t i o n so fr o l l a h 图3 5 示出弯曲半径的变化与上辊侧辊相对位置之间的关系。辊间距离越大，曲线 就越平缓，也就是当辊子相对位置作同样的改变时，在侧辊中心距较大的机器上，弯曲 半径较小( 即对于同时在三辊机上矫圆时，侧辊中心距大的矫圆精度高) 。而在侧辊中 心距为三辊机的2 - - - 3 倍的四辊机( 四辊机矫圆时，下辊不参与工作) 上，得到的弯曲 半径数值要比三辊机精确得多。 例如( 见图3 5 ) ，同样是辊子相对位置改变l m m ，四辊机上的弯曲半径变化是5 m m ， 而三辊机却要变化2 0 r a m ，是前者的四倍。试验研究表明，如果变形区占了筒节周长的 1 0 - - - 2 0 ，只要正确选择矫圆规范，剩余椭圆度就能减到非常小的数值。由此可知，在 选用卷板机时，侧辊间距与筒节直径之比有重大意义。考虑到在生产中，同一台机器要 矫圆不同直径的筒节，故侧辊中心距可变的机器最为适用。显然四辊卷板机比三辊卷板 机更能满足此要求。多年来，包括作者所在工厂的很多企业广泛使用四辊机来矫圆，以 获得高精度筒节。 事物总有它的两面性，由于增添了一条辊子，四辊机显然比三辊机的重量要大，同 时也使结构变得更复杂，这是四辊卷板机不可避免的缺点。 2 0 o o o o o 阳 曲 讣 蚰 审 中国石油大学( 华东) 工程硕：l ? 论文 3 5 特大型卷板机总体设计方案的确定 3 5 1 企业对特大型卷板机的基本要求 作者所在单位隶属压力容器制造行业，为进军高端市场，要求研制出的卷板机能够 冷卷规程所允许的所有压力容器板材。由于企业尚无大吨位的压力机，因此要求卷板机 具备预弯功能。对于厚板筒节，由于其刚性较大，为保证组对时的错边量不超标，要求 卷板机具有较高的矫圆精度，在操作时自动