（机械工程专业论文）铝带冷轧卷筒径向压力仿真与实验研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特, g j j j 口以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书面使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：丑色亟日期：弛年l 月巴日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储躲雌导师签名弛期：沙上月早日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着人们对铝材产量和质量要求的日益提高，铝加工生产过程的 工艺优化变得越来越重要。在铝带冷轧卷取机结构设计中，卷筒径向 压力是计算胀缩缸的首要考虑条件，它直接影响着芯杆和空心主轴的 强度，准确计算出卷筒径向压力值对卷取机的设计以及生产具有重要 意义。现有的各种计算卷筒径向压力的公式都不能准确反映铝带卷取 机实际工作中卷筒所受径向压力大小。为了准确反映铝带卷取过程中 卷筒径向压力的变化并探讨其对卷取过程的影响，本文运用有限元仿 真和实验的方法，研究了卷筒在卷取过程中径向压力的变化规律、固 有频率及胀径过程特征，主要内容与研究结果如下： 1 、运用有限元方法分析了卷筒进行张力卷取时扇形块所受的径 向压力变化及斜楔等主要零件所受的应力和应变。并在生产现场对胀 缩缸的工作压力进行了测试，发现测试与仿真结果基本相符，表明所 建数学模型与仿真方法的均正确。 2 、计算了卷筒固有频率与共振时的临界转速，为有效避免卷筒 工作在共振频率区提供设计依据。 3 、利用a n s y s 软件对卷筒初始胀径过程进行了模拟，计算了 卷筒在卷取不同层数带材，经历二次胀径后，带卷沿其表面位移的变 化规律，得出卷筒建立稳定张力时卷取带材的最少层数为4 5 层，为 现场操作提供了参考。 关键词：铝带，卷取机，卷筒径向压力，有限元仿真 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp e o p l e sr e q u i r e m e n to nt h ep r o d u c t i o na n d q u a l i t yo fa l u m i n u ms t r i p ，t h et e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o n sb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n tf o rt h ea l u m i n u mp r o c e s s i n g i nm e c h a n i c a ld e s i g no ft h e c o i l e rf o rc o l dr o l l i n go fa l u m i n u ms t r i p ，t h er a d i a lp r e s s u r eo fd r a mi st h e p r i m a r yc o n s i d e r a t i o nf o rt h ec a l c u l a t i o no fe x p a n s i o nc y l i n d e rb e c a u s ei t d i r e c t l ya f f e c t st h es t r e n g t ho fc o r er o da n dh o l l o wm a n d r e l t h e r e f o r e ， t h ep r e c i s ec a l c u l a t i o no fr a d i a lp r e s s u r ei sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fc o i l e r t h e e x i s t i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l a sc a nn o t r e f l e c tt h er e a lr a d i a lp r e s s u r ei np r a c t i c a lw o r k i n gc o i l e r i no r d e rt o c a l c u l a t er a d i a l p r e s s u r ea c c u r a t e l ya n de x p l o r ei t se f f e c to nc o i l i n g ， n u m e r i c a s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r ea p p l i e dt os t u d yt h er a d i a l p r e s s u r ec h a n g i n gl a w s ，n a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ef o r c ev a r i a t i o n so f e x p a n s i o ni n s t i t u t i o ni nc o i l i n gp r o c e s s t h em a i ns t u d ya n dr e s u l t sa r e s h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h er a d i a lp r e s s u r ec h a n g eo ft h es e g m e n ta n dt h ed i s t r i b u t i o n o fs t r e s s - s t r a i ni nt h em a i np a r t sl i k e w e d g ei nc o i l i n gp r o c e s sw e r e a n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a l s ot h et e s t so fe x p a n d i n gc y l i n d e r p r e s s u r ew e r em a d ei nf a c t o r y r e s u l t so b t a i n e df r o ms i m u l a t i o na n dt e s t s a r eb a s i c a l l ys a m e ，w h i c hs h o wt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a l y s i s m e t h o da r ec o r r e c t s e c o n d l y , n a t u r a lf r e q u e n c ya n dc r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e do ft h ed r u m u n d e rr e s o n a n c ec o n d i t i o nw e r ew o r k e do u t t h e s er e s u l t sc a np r o v i d et h e d e s i g nb a s i so np r e v e n t i n gt h ed r u mw o r k i n gi nt h er e s o n a n t z o n e t h i r d l y , t h ep r o c e s so fi n i t i a le x p a n s i o nw a ss i m u l a t e db yu s i n gt h e s o f t w a r eo fa n s y s t h ed i s p l a c e m e n tc h a n g i n gl a w so ft h er o l ls u r f a c e w e r ec a l c u l a t e da i d e rt h ed r u ms e c o n de x p a n d i n gw i md i f f e r e n tl a y e r so f s t r i p i ti sf o u n dt h a tt h em i n i m u mn u m b e ro fs t r i pl a y e ri s4t o5w h e n t h et e n s i o no ft h ed r u mb e c o m e ss t a b l e t h i sp r o v i d e sa ni m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rp r a c t i c a lo p e r a t i o n k e yw o r d sa l u m i n u ms t r i p ，c o i l e r , r a d i a lp r e s s u r eo ft h ed r u m ， 矗血t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源和课题背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景1 i 1 3 研究意义i 1 2 国内铝带轧制的发展状况2 1 2 。1 铝的发展及应用2 1 2 2 国内铝带的发展状况3 1 2 3 铝带冷轧机的发展特点3 1 3 国内外卷筒径向压力计算发展状况4 1 4 论文研究内容、路线与方法5 1 4 1 论文研究内容5 1 4 2 论文研究路线与结构安排5 第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析7 2 1 铝带冷轧的工艺过程7 2 】。1 上卷工艺过程一7 2 1 2 穿带工艺过程7 2 1 3 自动轧制工艺过程8 2 1 4 卸卷工艺过程8 2 ，2 冷轧机的机组组成8 2 3 冷轧铝带卷取机的工艺特点一8 2 4 卷取机的工作原理及结构分析11 2 ，5 卷取过程卷筒径向压力的计算1 6 2 6 卷筒径向压力计算公式的分析2 0 2 7 本章小结2 1 第三章卷取过程有限元仿真分析2 2 3 ，1 有限元方法及a n s y s 软件简介2 2 3 2 卷取机卷筒的固有频率分析2 3 3 2 1 模态求解过程简介2 3 3 2 2 卷筒有限元模型的建立2 3 3 2 3 卷筒固有频率分析2 5 i i i 中南大学硕士学位论文 目录 3 3 卷筒径向压力的计算及应力应变分析2 7 3 4 空心主轴的应力应变分析3 0 3 5 轴向斜楔的应力应变分析3 3 3 6 实验验证与分析3 6 3 7 本章小结4 2 第四章卷筒初始胀径有限元仿真分析4 3 4 1 卷筒胀径过程分析4 3 4 2 卷筒初始胀径模型的建立4 3 4 3 结果分析4 5 4 4 本章小结4 6 第五章总结4 7 5 1 主要研究工作与结论4 7 5 2 存在问题与展望4 7 参考文献4 8 致谢。51 攻读硕士学位期间主要的研究成果5 2 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源和课题背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 随着铝带冷轧机组正朝着高速度、大张力、大宽度、大卷径方向发展，卷取 机越来越受到人们的关注。实践证明，卷取机工作的好坏，直接影响到机组的工 作性能、带材的厚度精度和板形精度以及卷材的卷取质量，因此其在铝带冷轧机 组设计中一直受到特别重视。本课题来源于洛阳有色金属加工设计研究院所列课 题铝带冷轧卷筒径向压力仿真与实验研究。 1 。1 2 研究背景 卷取机【1 1 2 】是轧制、连续退火、平整、精整等生产线上用来收集超长带材成品 或半成品以便于储存和运输的重要辅助设备，在金属加工行业中被称为三大主机 之一。鉴于用户以及后续工序对成品板形的严格要求，卷取工艺己成为带材生产 过程中不可缺少的重要环节。铝带的卷取过程是一个相当复杂的变形过程，料卷 内部应力分布的求解也相当复杂，需要考虑板形、带宽、带厚、板廓凸度、带层 间摩擦力、带材机械性能等许多因素。而且在卷取过程中，随着卷取层数的增加， 径向紧密程度随之发生变化，其内部应力场也会发生变化【3 训。因此，为了保证良 好的板形，研究卷取过程中带材板形缺陷的形成机理，找到抑制甚至消除板形缺 陷的技术措施和相应解决方案( 5 吲，具有重要理论意义和实际应用价值。 1 1 3 研究意义 卷取机的径向压力是带材在张力作用下对卷筒的箍紧力。带张力卷取带材时， 带卷将对卷筒产生很大的径向压力，卷取机设计需要计算径向压力值，用以核算 卷筒零件的强度，计算液压缸直径等，准确计算卷筒压力是卷取机设计人员首要 考虑的问题。在设计过程中，径向压力值估计偏小可能导致实际生产中卷筒在卷 取时自动缩径或造成拉杆强度不够等一系列严重后果。 目前，国内外学者给出多种计算卷筒径肉压力的公式，如特列基雅拇夫公式 1 7 、英格利斯公式、周国盈公式【2 】和武钢编写的有关公式【8 】等。通过计算，这些公 式适合计算小张力，料卷卷径小于16 0 0 r a m 的卷取机，现代铝轧机正向大张力、 大卷径的方向发展，张力可达2 5 吨，最大卷径2 5 0 0 m m ，用这些公式得出的径向 压力值差别较大。因此，卷筒在设计过程中，如何计算出准确的径向压力值是一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 个急需解决的问题。 近年来，基于数值分析基础的有限元方法因为计算机的快速发展而广泛用于 各行各业，它对一些利用公式难于求解的非线性问题非常有效。本文根据卷取机 的实际工作情况，分析了卷筒径向压力和各个主要零件的应力、应变值，通过生 产现场实测的数据来验证有限元法模拟的准确性，这为卷筒设计提供有效且适用 的方法；同时，利用软件模拟出在二次胀径下带材需要缠绕的最小圈数，以此来 确定施加的给定张力，对编制轧机的工艺流程、降低生产成本和提高生产率都具 有非常重要的意义。 1 2 国内铝带轧制的发展状况 1 2 1 铝的发展及应用 铝【9 d 1 1 是一种年轻的金属，从发现到现在不过2 0 0 年历史。由于它具有一系列 无可比拟的优点，且在地壳中资源丰富，因此获得十分迅猛地发展【1 1 。1 9 4 0 年全 球铝产量仅1 0 0 万吨，1 9 7 0 年猛增至1 0 0 0 万吨，1 9 8 5 年达2 0 0 0 万吨。2 0 0 5 年 世界铝( 含再生铝) 的产、销量已近4 0 0 0 万吨，2 0 1 0 年全球铝产、销量逾4 5 0 0 万吨。 4 5 舞4 鬻斗2 0 万吨 豳袱鼎虹顿 净进l t 甄面两 隧蒌卜1 童 鬯1 2 涩籍l 劐篷黧i l 籀鞠瀚 、器 匿逮霾黼金璧蠹 供坯料约： ( ) 万吨 净进口 露豳5 4 8 ) j r，肉吨 豳壹壶 圈变 皇! 图1 - 12 0 0 9 年我国铝的流通用量图 注：1 、氧化铝、原铝产量来自国家统计局。2 、图中所有进出口数据来自海关总署3 、国内 废铝回收量为安泰科估计。4 、铝材产量来自有色金属工业协会，铝箔坯料供应量为估值。 铝及铝合金具有很多优良的性能【9 1 1 1 ，可加工成板、带、箔、管、棒、型、线 和锻件等( 我国2 0 0 9 年铝流通情况见图1 1 ) ，广泛应用于国民经济的各个领域。 由于它具有密度小、耐腐蚀等特点，被广泛用于汽车行业、航空行业、铁路行业 2 | 嚏一 彘。塑一鎏 蠹釜 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 等交通运输领域，起到了减重、节能的效果；同时也大量被用在食品包装行业； 由于它既有一定强度，且具有塑性好、成形性好，可进行表面处理等优点，被大 量用于建筑和包装行业；此外，由于铝具有优良的导电性和导热性，因此在电子、 机械和石油化工等工业上都有广泛应用。它不仅是一种结构、装饰材料，也是一 种功能材料。 1 2 2 国内铝带的发展状况 1 9 3 2 年，中国的铝板、带、箔轧制开始在上海华铝钢精制品厂投产。它是瑞 士铝业和加铝共同投资建设的，除了生产铝箔外，还生产少量板带材。华铝钢精 制品厂拥有熔炼、热轧、冷轧、铝箔轧机及精整等整套生产设备，所需用的铝锭 全部进口l 比j 。 上世纪6 0 年代，第一重型机器厂为西南铝加工厂设计并制造的 中7 5 0 巾1 4 0 0 ( 2 8 0 0 m m 四辊可逆式热轧机和1 台中6 5 0 巾1 4 0 0 x 2 8 0 0 冷轧机，这 两台生产线在1 9 6 9 年投产。产品的质量和产量在满足国内市场的需求外，部分 还销往世界各地，获得了较大的社会效益【1 3 1 。 上世纪8 0 年代中后期，由洛阳有色金属加工设计研究院研发并设计，洛阳矿 山机器厂为洛阳铜加工集团公司制造了国内首台巾3 6 0 巾1 0 0 0 x 1 4 0 0 m m 四辊不可 逆铝带全液压冷轧机，此台轧机设计速度3 6 0 m m i n ，年产量3 万吨。不可逆铝带 全液压冷轧机的问世，具有八十年代初期的世界先进水平，它开创了我国自行设 计、制造现代化全液压冷轧机的先例。 此后，中国以洛阳有色金属加工设计研究院为首开始自主研制开发铝板带热 轧、冷轧、箔轧及配套设备，同时与英国奥钢联和德国西马克公司合作设计及制 造，设计水平得到很大的提升，一部分项目还出口到印度、泰国、委内瑞拉等国 家。西南铝加工厂成为铝行业中加工的龙头，目前可生产4 3 0 0 m m 的厚板。铝带 最宽可达2 3 0 0 m m ，从2 0 0 0 年后，各个铝加工厂蓬勃兴起，各个铝加工厂由“粗 狂”加工生产半成品往高精度产品转型，要求机电一体化，自动控制系统更加完善， 对误差能快速响应。铝带质量要求与国际接轨，产量逐年呈上升势头，这些都将 有力促进我国铝及铝合金轧制装备水平的整体提升。 1 2 3 铝带冷轧机的发展特点 我国铝带冷轧机从上世纪八十年代设计出第一台四辊冷轧机以来。经过3 0 年 的发展，国内外设计研发的轧机得到长足的进步，截至目前，国外如西马克公司 设计的六辊轧机，奥刚联设计的连续可变凸度轧机在国内占领先地位外，我国与 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 国外的差距不断减小，已能自主设计宽幅六辊冷轧，1 + 4 冷连轧。这些轧机主要 呈现以下几方面特点： 1 、向板形控制精度高的方向发展。为了更好地控制板形，提高轧制速度，各 个设计公司推出了各种控制辊形的设施。如研制了中间辊可以窜动的6 辊h c 轧 机，可变凸度的v c 轧机，法国c l e c i m ( 克莱西姆) 连续可变凸度的c v c 轧机，拥 有独立的d s r 辊，近几年来，西南铝加工厂引进了英国奥钢联公司2 0 0 0 m m 的 d s r 轧机和西马克的六辊轧机，能生产o 1 5 m m 的罐料，大大降低了易拉罐的进 口成本。 2 、减小冷轧机的出口最小厚度。由于厚控和板形水平的提高，冷轧机的出口 最小厚度由0 2 r a m 减d , no 1 5 m m ，甚至达到0 1 m m 。 3 、减少辅助时间。为了减少轧制时的辅助时间，现代化铝带冷轧机一般都设 置了开卷准备站，甚至卷材检查站，节省辅助时间。在进入在线开卷机之前就进 行切头、直头工作，开卷机卸套筒和卷取机上套筒有专门的机械手。线外设置有 自动称重和喷码机。 4 、厚度自动控制系统精确化【1 4 】。通过对轧机的辊缝控制、测厚仪的前馈控制、 板形辊的闭环控制、质量流控制来精确控制带材厚度，生产出高质量的成品。 5 、向大卷重、高速度方向发展。过去的冷轧机的卷重都在1 0 吨左右，但近 年来正在向高速、宽幅轧制，卷重在2 5 吨左右，轧制速度最高可达2 0 0 0 m m i n 卷径可达2 5 0 0 m r n 。 1 3 国内外卷筒径向压力计算发展状况 径向压力计算很早引起国内外学者的重视【1 5 以6 。，许多国外学者对径向压力进 行深入的研究，如特列基雅柯夫、英格利斯、阿曼等人把卷筒和料卷整体看作弹 性厚壁套简来处理，认为层与层之间没有相对滑移，得出一系列公式，这些公式 在以轧钢为理论基础分析的，在以往的小卷径和小张力的条件下是适用的；在国 内许多人对卷取的研究针对卷筒压力的计算都做了一些研究工作，他们借鉴和发 展了国外的一些研究成果。把卷简单位压力的计算当作弹性理论平面问题进行求 解，得出考虑带卷各向异性的卷简单位压力计算公式，此间由上海冶金设计院周 国盈编著的带钢卷取设备对卷取设备进行了系统的介绍【2 】，书中认为料卷是 各向同性的连续多环组合弹性套筒，是层层缠绕在卷筒上。还有蒋昭公式1 1 7 将带 卷看成径向压紧程度连续可变的圆筒，但对于k = 7 和k = 1 0 取值得出的结果相差还 很大，燕山大学的连家创教授【】s - 1 9 】提出了也对卷取过程中的径向压力进行了研究， 连教授根据料卷各向异性的特性，提出了带钢紧密系数和钢卷径向压缩系数，对 带材紧密系数的取值m = 2 5 5 0 ，同样计算的结果相差很大。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，由于对板形提出了越来越高的要求，而作为保证板形的一个重要环 节，轧制工艺也引起了越来越多学者的关注，径向压力计算不仅是卷筒零件强度 和胀缩缸推力计算的先决条件，而且与卷取质量直接相关【2 0 1 。如果胀缩缸选的过 大，不但造成成本上的浪费，还影响芯杆和空心主轴的强度校核，胀缩缸选的过 小，就不能承受住径向压力的分力，严重时引起内层塌卷，造成不合格料。由于 料卷应力场在理论分析和实验研究方面都具有较大的难度，多年来国内外学者做 了大量的研究工作，至今仍不能精确计算卷筒径向压力，但他们采用的分析方法 及结论，可以作为卷筒设计的参考。 1 4 论文研究内容、路线与方法 1 4 1 论文研究内容 由于卷取机卷筒径向压力的计算具有非常重要的意义，它影响到带材的卷取 质量和卷筒的使用寿命，但是到目前为止，计算卷筒径向压力还没有一个令人满 意的公式，这直困扰着设计人员计算卷筒零件的强度校核和胀缩缸的直径【2 1 2 2 1 。 本文介绍了目前计算卷筒径向压力的常用公式。由于这些公式在推导过程中以一 系列假设为前提，公式中的卷筒当量半径对于不同的卷筒型式取值也不能确定， 计算出来的的径向压力值与实际工作情况差别较大。因此，本论文做了如下工作： 通过卷筒实体模型，运用a n s y s 软件，分析了卷筒在张力作用下的径向压力及 主要零部件的应力应变。 l 、建立卷取机卷筒的数学模型。本文利用有限元a n s y s 软件，对卷筒进行 了模态分析及零部件的结构静力分析，计算了卷取带材时，卷筒在张力作用下径 向压力值及各主要零部件的应力、位移的变化，分析是否满足设计要求。对于模 拟所得出的结果进行分析，与现场所测得的数据进行比较，验证此模型的准确性。 2 、计算了卷筒固有频率与共振时的临界转速，为有效避免卷筒工作在固有频 率区而导致共振提供设计依据。 3 、运用有限元模拟出卷筒的初始胀径模型。工作时卷取机在咬入钳口后胀径， 在轧制速度可以升速到额定速度之前，得出卷筒二次胀径已卷取带材的最少圈数。 为现场操作提供理论依据。 1 4 2 论文研究路线与结构安排 本论文是在研究卷筒基础上，首先介绍了现有的径向压力公式所存在的弊端， 通过对卷筒零部件进行有限元分析，模拟卷筒表面的应力、应变值，然后通过现 己投产的项目测量得出胀缩缸在卷取不同厚度的带材时所显示的工作压力，将其 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 与仿真结果进行比较，验证模拟的准确性，最后得出结论。论文的具体章节结构 安排如下： 第一章：简要介绍本课题的来源及研究意义，铝带冷轧目前的发展特点以及 论文的研究内容、研究方法以及研究路线。 第二章：介绍铝带冷轧机的工艺流程、特点及组成，重点介绍卷取机的作用、 特点，胀缩原理以及卷筒对带材表面质量的影响；介绍现有的计算卷筒径向压力 的公式，以及各个公式推导，分析现有公式的假设条件，以及其适用局限性； 第三章：利用有限元软件，模拟卷筒胀径过程中径向压力值及各主要零部件 所受应力应变，卷筒固有频率与共振时的i 临界转速，通过采集现场的实测参数，运 用材料力学的理论知识对扇形块表面应力进行推导计算，得出的结果用来验证有 限元应力分析的结果。 第四章：通过对胀径过程的有限元模拟，针对卷筒的实际情况，对卷筒初始 胀径过程进行模拟分析，得出二次胀径后带材不松卷的最小层数。 第五章：对全文研究工作及成果进行概括总结与展望。 中南大学硕士学位论文 第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 2 1 铝带冷轧的工艺过程 2 1 1 上卷工艺过程 将铸轧或热轧带卷用天车吊放在开卷机侧的储料架上，此时上卷车己停在储 料架下面，上卷车托座升起，将料卷托起，上卷车沿轨道运行至开卷机卷筒处， 此时开卷机侧支撑已退回至非工作位置，开卷机卷筒己缩径，压辊摆起。人工高 度对中卷筒中心。小车继续前进，将带卷套在开卷机卷筒上。开卷机胀径，侧支 撑进入工作位置，开卷机压辊摆下压住带卷，上卷车托座下降，上卷车反向运行 回至储料架下等待，完成一次上卷工作。 2 1 2 穿带工艺过程 带卷套在开卷机卷筒上后，轧机入口侧刮板直头装置中的刮板升起、摆动， 将刮板压在带卷表面上。开卷机点动，刮板将带卷头部刮起，带卷头部沿活动导 板前进至固定导板。此时可根据带材头部情况启动直头辊对带材进行直头，然后 带材继续沿固定导板前进直至送往入口装置。刮板摆起缩回至非工作位置完成开 卷刮板直头工作。 带头被送入夹送辊装置，此时，夹送辊上辊抬至最上位置，侧导辊处于打开 位置，当头部通过侧导辊后，由设置在下面的传感器发出带材到达信号，侧导辊 快速闭合，导正带材，夹送辊上辊自动压下，侧导辊快速打开，夹送辊上辊启动 旋转，夹持带材继续向前运送，此时入口装置的液压剪上剪刃及展平辊升降辊己 升至最上位置( 展平辊升降辊最下位己根据带材厚度要求调整好位置) 。带材头部 通过液压剪( 带材通过液压剪时可根据带材情况，决定是否带材停止，进行切头) 、 展平辊、轧机入口导板、工艺润滑喷射梁，送入轧机辊缝。此时轧机己具备轧制 条件，并己摆好辊缝按穿带速度运转( 在穿带前轧机在有工艺润滑的条件下以穿 带速度运转3 0 分钟，以便预热轧辊) 。 带材咬入轧辊后，开卷机压紧辊及夹送辊上辊抬起，展平辊升降辊压下，开 卷机开始建立初张力。带材咬入后开卷机开始建立张力，纠偏检测装置己进入工 作位置，至此机前部分己全部完成了正常轧制的准备工作。 带材通过轧机后经机后导板、测厚装置、圆盘剪( 在非切边道次，圆盘剪处 于打开位置) 、偏导辊到达卷取机卷筒位置，此时皮带助卷器工作，抱紧卷取机卷 筒停在合适位置上。将带材缠在卷取机卷轴上几圈后卷取机建立初张力，机后测 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压在兰主堑 厚装置进入工作。机后吹扫投入工作，工艺润滑喷射装置投入工作，轧机完成穿 带工作。 2 1 3 自动轧制工艺过程 轧机升速及稳定轧制：轧机按工艺规程要求升速，并保持在该速度下稳定轧 制，此时，机后测厚仪将出口带材厚差信号反馈给a g c 系统实现监控，以确保带 材的厚度精度。 在稳定轧制剩下最后几圈时轧机自动降速到穿带速度。当带尾脱离开卷的卷 筒时，开卷张力消失，入口装置压辊压下、展平辊上辊抬起，机后测厚仪退出工 作，卷取机压辊压下，带材尾部通过轧机缠绕在卷取机卷简上，机后吹扫停止工 作，工艺润滑喷射停止工作，轧机完成了一个道次的轧制。 2 1 ，4 卸卷工艺过程 卸卷车在卷取机卷筒下位，托座从最下位升起托住带卷，卷取机压辊摆起， 侧支撑退出工作位置，卷筒缩径，卸卷器与卸卷车配合将带卷从卷筒上卸下。卸 卷器退回原位，卸卷车托座升起向远离卷取机反方向前进，运至卷取机侧坑道储 料架位时停止，托座下降，料卷放置在储料架位，邹卷车返回卷取杌卷筒下位， 完成卸卷工作。 2 2 冷轧机的机组组成 机组主要由机械设备、辅助系统、电控系统、油雾净化系统及主要生产工具 组成。 机械设备组成有；上卷小车。开卷机。开卷直头装置，轧机入口侧装置。轧 机，测厚仪，板型辊，液压剪，卷取机，皮带助卷器，卸卷小车，上卸套筒装置 及套筒返回装置和换辊装置； 辅助系统有工艺润滑系统，稀油润滑系统，油雾或油气润滑系统，液压压下 和正负弯辊系统，液压辅助操作系统和c 0 2 自动灭火系统。 2 3 冷轧铝带卷取机的工艺特点 随着技术的进步，在铝带轧机和连轧中，由于轧制速度高，轧制的带材必须 用卷取机卷成卷便于储存和运输。而张力卷取机广泛用于铝带冷轧机组，张力轧 制可以提高表面质量，带卷密实、整齐，带材不易有划伤等优点。现代铝热轧也 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 开始使用张力卷取机，在热轧上使用仅在最后一个道次卷取，主要是卷紧带材， 便于运输和存放，为冷轧开卷作准备。在现代化的冷轧车间，卷取机除了用于冷 轧机组外，还普遍用于精整中的重卷、剪切和矫直等机组中【1 5 】。 卷取机在每次卷取时，一般在钳口咬入后先以穿带速度在卷筒上缠绕几圈， 然后加速并建立张力。升至机组正常的轧制速度和卷取张力后，开始稳定轧制， 直至开卷机上料卷剩下最后3 4 圈时，机组手动或自动降速到穿带速度，带材尾 部通过轧机缠绕在卷取机卷轴上，轧机完成一个道次轧制。 为了适应轧制不同品种规格的带材，实际生产中，卷取张力根据轧制道次表 计算出的张力是一个范围值，为此设计出最合适的卷筒结构，发挥出卷取机的最 高效率，就必须求出带材对卷筒表面所产生的作用力，在影响卷篱性能发挥的因 素中，除了带材的运转速度、振动和扭矩外，最重要的是带材对卷筒的径向压力 7 2 5 2 6 】 j 口 如前面所述，国内外有很多学者给出了计算卷筒径向压力的公式，如特列基 雅柯夫公式、英格利斯公式、周国盈公式等；这些公式在推导过程中假定或限定 了某些条件，每个公式适用于的卷筒型式也不同，因此在相同条件下所得出的计 算结果差别很大，有些甚至超过了六倍以上。一些公式中还不能如实反映卷取机 的实际工作情况，因此，若按其最大值来进行设计，就会导致某些机构变得过分 庞大，从而增加了设备的额外造价，并降低卷取机的动态特性和增加不必要的能 源消耗。必然会给卷筒和胀缩机构设计带来诸多不合理性。若结构设计的过小， 胀缩缸的力不能支承卷材对卷筒的径向压力，导致卷筒过量缩卷，引起内层带卷 的切向压应力大幅度增加，甚至出现铝卷的内层塌卷或层间滑动，带材表面划伤。 对于冷轧铝带生产的特殊性，卷取具有以下特点： 1 张力设定 在铝带实际生产中，为了卷紧带材，需要给定合适的卷取张力。特别是对于 轧制薄的铝带时，必须采用张力轧制。当在轧制薄带，尤其是0 m m 以下时，因 轧机的弹跳关系，轧辊间已无辊缝，进行预压靠轧制，即所谓的极限轧制，这时 通过位置控制或压力控制手段已不能减薄带材厚度，只能通过张力控制和速度控 制来调节带材厚度，而采用张力轧制才能轧制出箔材。生产o 0 0 7 m m 以下厚度箔 材时，甚至会采用叠轧【2 7 圆】。调节张力的大小还可改善带材板形。采用张力轧制 可以有以下作用【1 5 j ： ( 1 ) 实现轧制过程的稳定，防止轧件跑偏； ( 2 ) 调节带材厚度公差、改善板形； ( 3 ) 降低轧制压力，减少能量消耗，有助于获得较大的压下量，便于轧制更薄 的产品： 9 中南大学硕士学位论文 第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 ( 4 ) 有利于提高速度，从而提高轧机生产率； 因此，张力轧制己经成为现代冷轧铝带生产中一个重要的工艺参数，它将直接 影响到卷取的质量。卷取张力的取值与材料的屈服极限有关，卷取张力数值过小 或过大，均会直接影响到卷取机的工作性能及带材板形质量，卷取张力选的过大 时，容易造成断带，带材卷得过紧，特别是需要进行中间退火的最后道次，卷得 太紧时，会出现退火时不均匀和局部粘结等现象；反之，过小的卷取张力值会出 现带材跑偏，料卷边部不齐影响卷材质量甚至松卷。卷取张力值大小取决于客户 提供的轧制品种、轧制的厚度和规格。设计时，一般可以按下列公式进行初步计 算，最小张力必须保证带材卷紧卷齐，不致导致产生波浪和厚度不均匀【1 5 】。 卷取张力t 为：t = o o b h ，n ( 2 - 1 ) 式中：瓯单位张应力，n m m 2 h 带材厚度，r i k r n 卜带材宽度，l l l r n 铝带冷轧机设计的张应力一般为0 2 0 4 莎，厚带往下限取，薄带往上限取。 上世纪九十年代至今，国内外都侧重于对卷取张力的控制，分别提出了卷取 恒张力控制新方法、建立和探讨卷取张力的交参数控制、设定卷取过程中张力曲 线等方法。在对卷取过程中的张力控制系统进行了研究，提出开卷张力和卷取张 力最佳匹配值，不合适的卷取张力工艺设定和不合理的卷筒设计导致卷筒刚性不 好，致使出现卷形不良等情况。然而，这些文献对带材卷取过程中径向压力的分 布及其张力对它的影响和要求未作详细研究。近年来，工业发展对铝带卷的板形 提出了越来越严格的要求，有人把它作为考核带材质量的一个重要环节。卷取工 艺也引起了越来越多人士的关注，在一些期刊杂志上常常会出现一些关于卷取过 程中带卷内部应力的变化和单位径向压力计算及其张力选择的参考文献i 粥3 钔。其 中有许多实际操作人员对卷取过程中根据料卷来料不同通过实践经验提高成品质 量而采取的一些措施。鉴于对带材板形质量越来越高的要求私越来越激烈的市场 竞争，卷取张力已作为带材生产工序当中的重要一环。越来越多的人会去关注和 研究它。 2 表面质量 铝带常常应用于空调箔、汽车板特别是铝加工行业所说的制罐料( 5 x x x 合 金) 要求有良好的表面质量，它除了要求轧机除油效果好外。对卷筒几何形状及 结构刚性的要求也相应提高【1 5 】。在进行卷筒设计时，应充分考虑到卷筒自身的动 平衡性；四斜楔和四棱锥卷筒由于结构对称，动平衡性能好，对宽幅带材卷取时， 端部增加活动支撑，完全能满足制罐料。 3 带卷的稳定性 1 0 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 铝带因为密度小，在相同质量下，外径尺寸比其他金属大的多，因此卸卷时 充分考虑其特点保证带卷的稳定性，冷轧的薄带如果不带套筒卷取，卸卷后带卷 的内层料由于失去支撑而会出现塌卷，出现废料等现象。因此，卷筒直径一般应 以卷取过程中不致产生塑性弯曲为原则。小直径的卷筒用来卷取较薄带。一般来 讲，铝带厚度小于1 5 m m 2 m m 时，需带套筒卷取，防止出现塌卷。 4 纠偏控制 要求带材在卷取时严格对中，使带卷边部整齐。为此，常常采用自动纠偏控 制装置【3 5 j 。纠偏装置的工作原理如图2 1 所示； 图2 - 1 卷取机对边纠偏控制系统示意图 1 带材，2 对中光头，3 信号处理器，4 电液伺服阀，5 对中油缸，6 位移传感器，7 卷筒 此系统为精度高，动态性能较好的光电液伺服系统。如图2 1 所示，它的原 理是：对中光头检测出带材的跑偏信号时，先输入给信号处理器，经信号处理器 放大处理后，信号再输入给电液伺服阀， 感器可检测出油缸带动卷筒的移动距离， 电液伺服阀控制对中油缸动作，位移传 从而对卷取机卷筒进行纠偏。位移传感 器通过检测出距离，再将信号反馈给输入控制器，继续纠偏控制，这样有效的控制 带材的塔形度和边部错层。 2 4 卷取机的工作原理及结构分析 卷取机主要由卷筒、传动系统、卸卷器、活动支撑等传统的部分组成。有一 些卷取机还带有减速器底座、维护平台等非传统部分。卷筒的胀缩一般是通过卷 筒尾部的胀缩油缸带动芯杆实现。胀缩量在2 0 m m 左右，电机( 目前常采用交流变 频电机) 通过齿式联轴器、高低速档的减速机带动卷筒转动，不但将轧制后的带材 卷成料卷。还为带材提供张力和速度，卷筒缩径后，卸卷器和卸卷小车同步移动， 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 把料卷卸下，从而实现卷取机卷取和卸卷工作。 卷筒是卷取机的关键部件。一般有以下几种结构形式：实心卷筒式、四棱锥 式、八棱锥式、弓形块式、四斜楔式等【2 5 】。在铝带冷轧机组中的卷筒主要有两种： 倒四棱锥卷筒和闭式四斜楔卷筒。 现代铝带高速冷轧机组中的卷取机卷筒采用了无钳口的闭式四斜楔卷筒。闭 式卷筒胀开后表面不产生缝隙，对较薄的带材不会产生压痕，并可以降低胀缩油 缸的作用力，该卷筒直径为巾6 1 0 m m ，结构的几何形状对称，动平衡性能好，刚 度大，完全满足最大速度为2 2 0 0 m m i n ，成品最大卷重为2 5 t 的要求。 闭式四斜楔卷筒是卷取机的核心部件，它直接影响卷取机的工作状况及带卷 的卷取质量。主要由卷筒空心主轴、芯杆、扇形块、径向斜楔、轴向斜楔、扇形 块、轴头、胀缩缸及回转接头等组成。卷筒的结构如图2 2 所示。卷取机卷筒的 装配体实体模型如图2 3 所示。卷筒中心的芯杆一端与卷筒尾部胀缩缸相连，胀 缩缸由回转接头供油，胀缩缸的活塞杆移动时带动芯杆作轴向移动，同时固定在 芯杆端的十字叉头同步带动4 个轴向斜楔轴向移动。而轴向斜楔和径向斜楔的相 对移动将与之相接触的4 块扇形块顶起，4 个扇形块可在径向斜楔和轴向斜楔的作 用下产生径向位移，使卷筒胀径，胀径时扇形块和径向斜楔顶面构成一个整圆。这 样在径向压力的作用卷取薄料不会出现压痕，扇形块的缩回是在胀缩缸和碟形弹 簧的共同作用下实现的。 图2 2 卷筒结构图 1 液压螺母，2 十字叉头，3 空心主轴，4 轴向斜楔，5 径向斜楔，6 芯杆，7 扇形块，8 弹簧 1 2 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 图2 - 3 卷筒实体模型 如前所述，闭式四斜楔卷筒主要由空心主轴、芯杆、扇形块、径向斜楔、轴 向斜楔、胀缩缸以及回转接头等零件组成。各零件的详细结构简介如下： ( 1 ) 卷筒空心主轴结构如图2 - 4 所示。空心主轴外表面上开有用于放置轴向 斜楔和径向斜楔成相互垂直的的四个轴向长槽。在主轴头部的十字槽内安装十字 叉头，十字叉头靠卡槽固定在4 个轴向斜楔端部，从而带动轴向斜楔做轴向运动。 空心主轴的中部和后部由减速器的轴承支撑，主轴上还装有齿轮和键。传递电机 扭矩，形成一定的的卷取张力。 图2 _ 4 卷筒空心主轴结构图 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 ( 2 ) 芯杆一端与胀缩缸的活塞杆相联，另一端通过螺母( 或液压螺母) 与十 字叉头相联，起到联接和传递运动的作用，如图2 5 所示。 图2 - 5 芯杆结构图 ( 3 ) 扇形块也是卷筒的主要零部件之一。卷筒的胀径和缩径过程主要靠环形 分布的四块扇形块来呈现。卷筒芯杆驱动四个轴向斜楔作轴向移动，扇形块产生 径向位移，卷筒胀径，扇形块结构的好坏、加工精度及强度的高低，直接影响卷 筒的工作性能和工作质量。结构如图2 - 6 所示。 图2 - 6 扇形块结构图 1 4 中南大学硕士学位论文第二章铝带冷轧卷取机结构和径向压力分析 ( 4 ) 径向斜楔和轴向斜楔相互配合工作，实现卷筒的胀径和缩径。当胀缩缸 活塞杆移动时，通过芯杆、十字叉头，带动轴向斜楔( 结构如图2 7 所示) 实现 轴向移动，由于同时安装于空心主轴长槽中的一对轴向斜楔与径向斜楔是相互接 触配合的。且径向斜楔两端设计有定位环限制其轴向移动。因此，径向斜楔( 结 构如图2 8 所示) 只能沿着径向移动，带动扇形块沿它的中心线径向移动，并支 持着扇形块的两翼，胀径时也作径向位移而向外伸出，从而实现卷筒的胀径和缩 径。 图2 7 轴向斜楔结构图图2 8 径向斜楔结构图 ( 5 ) 十字叉头实现转接功能，将芯杆与轴向斜楔进行联接，从而实现芯杆和 4 个轴向斜楔的同