（机械工程专业论文）地下卷取机助卷辊支臂强度分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 在现代热连轧带钢生产中，卷取机是十分重要的辅助设备，而助卷辊是地下卷取机的 重要组成部分之一，是钢卷质量好坏的关键所在。本文以武钢二热轧主轧线地下卷取机为 研究对象，在生产实践过程中，我们发现当卷取的厚板头部翘曲时，带钢头部将助卷辊冲 开，导致钢卷内圈不圆。针对此现状，分析助卷辊系统各主要零部件的受力及驱动油缸油 压与助卷辊载荷的关系，确定保证卷取质量所需的油压，并找出助卷辊系统的薄弱环节， 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的受力状态，将卷取过程中的助卷辊支撑臂简化为受力杆 件，建立了支臂合理的受力模型。运用力学知识，推导出支臂工作最大受力，各关键点受 力大小。 2 ) 利用上述受力分析结果，用有限元软件建立支臂三维实体模型，施加合理边界条 件与载荷，进行有限元分析仿真，比较仿真结果与现场设备破坏情况，修正有限元模型； 重点研究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，从而 直观定量地描述卷取过程中各种参量的变化规律。 3 ) 通过上述有限元进行比较分析，根据跟踪测试助卷辊在支臂在实际工况下的应力 数据，结合有限元计算结果，编制焊缝危险部位的载荷谱。为计及低于疲劳极限的应力循 环对焊缝寿命的影响，对材料的p s = n 曲线进行修正，并采用修正的m i n e r 线性累积损伤法 则对支臂焊缝危险部位的焊缝寿命进行了计算，提出改进建议。 关键词：卷取机；助卷辊；油压；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 i nt h em o d e ms t r i pc o i l i n gi ns t r i pp r o d u c t i o n ，i sv e r yi m p o r t a n ta u x i l i a r ye q u i p m e n t ，a n d h e l pt h eu n d e r g r o u n dm i l lm l lr o l l e ri sa l li m p o r t a n tp a r to fs t e e lc o i l so fg o o dq u a l i t y , i st h ek e y b a s e do nt h et w om a i nu n d e r g r o u n dh o tw i s c or e - c o i l e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ep r o d u c t i o n p r a c t i c ep r o c e s s ，w ef o u n dt h a tw h e nc o i l i n go ft h i c kp l a t ew r p p i n g ，h e a ds t r i ph e a dw i l lh e l p v o l u m e s ，r e s u l t i n gi ns t e e lp a p e rr o l lf l u n gw i d ec i r c l eac i r c l e a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n , t h e a n a l y s i so fe a c hr o l ls y s t e mh e l pr o l lo fm a i nc o m p o n e n t sa n dt h ed r i v eh y d r a u l i co i lc y l i n d e r f o r c ew i t ht h eh e l po ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n d i n gu pr o l l e rl o a d ，s u r eg u a r a n t e et h eq u a l i t y r e q u i r e dh y d r a u l i cw i n d i n g ，a n df i n dh e l pr o l lr o l l e rs y s t e ma n dt h ew e a kl i n k ，p u tf o r w a r dt h e i m p r o v e m e n tp l a n t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ： 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t r i pc o i l i n gp r o c e s ss t r e s ss t a t e , w i l lh e l pr o l lt h ew i n d i n g p r o c e s si ss i m p l i f i e dt om l lb r a c e , af o r c er o d so fb e a r i n gm o d e lr e a s o n a b l ea r m s u s e m e c h a n i c a lk n o w l e d g ei sd e d u c e d ，a r m s ，t h ek e yw o r kf o r c eb i g g e s tf o r c es i z e 2 ) u s i n gt h ea b o v es t r e s sa n a l y s i sr e s u l t sb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l e n t i t ym o d e le s t a b l i s h e da l m s ，e x e r tr a t i o n a lb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n dt h el o a d ，f 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 ds i m u l a t i o no fd a m a g ef i e l dd e v i c e s ，f i x e df i n i t e e l e m e n tm o d e l ；k e yr e s e a r c hi na r m so fe a c hw i n d i n gp r o c e s st os t r e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e s s c h a n g er u l e , k e ys t r e s sp o s i t i o n s ，t h u si n t u i t i v e , t h ed a n g e rp o i n taq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft h e v a r i o u sp a r a m e t e r sw i n d i n gp r o c e s so fc h a n g er u l e 3 ) t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a c c o r d i n gt of o l l o w - u pt e s t i n gh e l pr o l lr o l li na r m s i nt h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，c o m b i n i n gw i t ht h es t r e s sd a t ac o m p i l e df e mr e s u l t s ，t h el o a ds p e c t r u m w e l dd a n g e r o u sp a r t s f o rt h ep r o j e c ta n db e l o wf a t i g u el i m i to fs t r e s sc y c l i n go ft h ei n f l u e n c eo f w e l dm a t e r i a ll i r e , t h ep s - nc u r v ei sr e v i s e d ，a n dm o d i f i e dm i n e rl i n e a ra c c u m u l a t i v ed a m a g e t ow e l da r m sr u l eo fd a n g e r o u sp o s i t i o nw a sc a l c u l a t e d ，w e l dl i f ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sw e r e p r o p o s e d k e yw o r d s ：d o w n - c o i l e r ；w r a p p e rr o l l ；r e s i d u a ls t r e s s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题研究背景 当前，国内钢铁产品由于产能过剩，存在较大的销售压力，因此应以市场结构为导向， 生产市场需求较大的产品，如抗酸洗的管线钢、强度达到5 5 0 m p a 的集装箱板、汽车板( 5 9 0 m p a 、6 1 0m ：e a 和7 0 0 m p a 的高强汽车大梁钢被宝钢垄断) 、以及低温高强的车轮钢等。此 外目前市场对a b - - = 8 0 0 - - - 1 0 0 0 m p a 的高强度板材需求量与日俱增，经济效益前景广阔。随着 高强度、大规格产品比重的增加，武钢热轧总厂二分厂主轧线的卷取设备已成为目前保证 正常生产、提高产量和质量、开发高强度新产品的制约瓶颈之一【l 】，在卷取生产过程中， 因工艺参数设置不合理，设备性能达不到要求，从而影响卷取生产速率；当钢板内部温度 分布不均或轧后冷却散热不均时，就会使钢板内部产生热应力，我们将残留在钢板内部的 应力称为残余应力。残余应力的存在将会造成各种不同的板型缺陷，当这些残余应力积累 到一定程度后，会导致钢板发生明显的弯曲和扭曲变形( 显性板型缺陷) ；或导致板材在 纵切加工后其边缘发生翘曲【2 】( 隐性板型缺陷) ，也叫切条弯曲，并且隐性板型缺陷在产品 检查时不易发现，这些缺陷将造成很大的经济损失。另一种情况是，在卷取过程中，由于 夹送辊夹紧力不足，主传动系统自激振动，卷筒膨胀不到位，助卷辊支撑力不足等原因导 致卷取质量不高。卷取带钢钢卷对比如图1 1 所示。 a 卷取不合格b 卷取良好 图1 1 卷取质量对比图 为得到高质量板材和合格卷形的钢卷，就必须严格要求卷取质量。卷取机是保证板带 材的平直度、消除残余应力或使残余应力均匀分布的重要机械设备，对钢板的最终板型和 质量有重要作用【3 】。 1 2 课题来源和研究目的 武钢热轧总厂二分厂2 2 5 0 主轧线和横切线，是本世纪新近投产的国内最先进设备之 一，机组均由德国德马克、西马克公司设计，其卷取生产线前后交错配置三台全自动强力 地下卷取机，以此来保证板形质量。为了充分发挥设备潜能，积极开发高强度用钢品种， 主要是针对热连轧板材中0 。强度大于6 5 0 1 i l p a 以上的钢种，但是由于卷取机组设计上的原 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 因，上述品种的生产难度很大，年产量也不过几千吨，在实践中我们逐步发现其自动卷取 模型精度低且覆盖面差，有些设定参数甚至是错误的，设备性能达不到要求，从而影响卷 取生产速率。 因此针对此现状，对武钢二热轧主轧线上地下卷取机进行了工艺技术改进和优化，通 过分析地下卷取机助卷辊支臂力学模型，利用有限元分析助卷辊支撑臂在卷取过程中各处 的应力、应变的变化规律，得到支撑臂最大承受应力范围，从而求得助卷辊所能给予对钢 卷的最大压力，可以缩短对其它不同厚度的钢板和高强度钢板的研发周期，降低生产成本。 进步提高地下卷取机的产能。 1 3 文献综述 1 3 1 热轧带钢卷取机的简介 目前，世界热轧带钢的生产量在钢材总量所占的比重很高，大约占钢材总量的4 0 6 0 ，板带比已成为衡量一个工业化国家钢铁工业水平的重要标志之一。世界先进工业国 钢铁工业的板带比一般在4 0 6 0 左右，我国1 9 9 7 年为3 2 ，2 0 0 0 至2 0 0 3 年板带比维持 在3 4 左右。返年来，我国钢铁企业中带钢生产线如雨后春笋般建立，由此而产生了2 0 0 4 年和2 0 0 5 年板带材产量大幅上升，2 0 0 4 年我国钢材板带比增加到3 6 3 。但是，板带材的 产品质量档次不高、国产高附加值的钢材品种的市场占有率不高等问题仍然存在，制约了 相关行业的发展 2 】。从八十年代初期开始，在成品价格几乎不变的情况下，原材料、能源 及工资费用却在在不断增长，这就要求广大冶金科研工作者在生产工艺、设备利用与自动 化程度率等项目上有所突破。 连续成卷生产已成为现代热轧带钢的最主要生产方式，带钢的卷取也是热连轧工艺主 轧线中的最后一道关键工序，由卷取机来完成。为了使地下卷取机取得良好的卷取效果， 一般在卷取过程中采用一定的卷取张力。热轧卷取机主要有两个作用：将带材卷绕成卷和 控制轧机出1 2 1 张力。经过长期带钢生产实践，我国各钢铁企业认识到卷取机的工作状态直 接影响着轧机生产能力的发挥，并会对下一道工序的进行造成影响。实际的卷取机是一个 集控制、电器、传动、机械为一体的复杂系统，并在振动、冲击、高温、高负载、水及氧 化铁皮等恶劣条件下工作，一旦卷取机发生故障，会对整个生产线产生严重影响。同时严 重影响到产品的品质，例如所卷成的带卷就会出现松卷、塔型、边浪、划伤、头端压痕等 质量问题，会严重制约热轧生产的顺利进行。因此，广大冶金行业工作者的主要而又艰巨 的任务是研制出具有高性能、高强度、低冲击的卷取机。 在带钢成卷生产中，卷取设备是带钢生产线上关键设备之一，用于收起超长轧件，将 其卷取成卷以便于储存和运输。在带材和线材生产线中卷取设备得到了广泛的应用，直接 影响着轧制生产的产量和质量，对卷取能力强、生产速率高的卷取设备的研究一直受到冶 金设备行业工作者的广泛重视。在带钢生产线中，卷取设备是多种多样的，其中主要形式 是卷取设备安设在车间地坪以下，所以称之为地下卷取机。 热轧卷取机位于精轧机输出辊道末端，一般由入口侧导板、夹送辊、助卷辊( 助卷辊的 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 数目因设备的不同而不同，有两辊、三辊、四辊、八辊等) 、卷筒等机构组成。夹送辊设置 在卷取机入口处，他的作用是在带钢尾部离开轧机时保持卷取张力并在卷取开始时咬入带 钢，迫使带钢头向下弯曲，沿导板方向进入卷筒与助卷辊之间的缝隙。并在带钢尾端抛出 精轧机时，对带钢施加所需要的张力，以便得到良好的卷取形状。以下是热轧卷取机组的 结构简介。 1 ) 夹送辊 由上、下夹送辊、上辊开闭装置及辊缝调节装置组成，上、下夹送辊之间1 0 。 2 0 。 的偏角，它们分别由两台电动机经过减速箱以及万向接轴驱动。为改善咬入条件，一般上 辊直径约为下辊的两倍，且上辊中心线要向出口方向偏移一段距离，以利于带钢头部向下 弯曲。为了利于散热并减轻重量，上辊一般采用空心焊接结构。下辊在张力作用下承受了 很大的压力，多采用实心锻钢辊。为了提高耐磨性，辊面均堆焊硬质合金。上辊装置设于 摆动辊架上，由气缸控制其开闭。气缸压力由夹送辊必须的压紧力确定。上辊压下后，上、 下辊间需要预留辊缝。辊缝值的选择与带钢厚度及夹送辊系统的刚度有关，一般比带厚小 0 4 m m 左右。为此夹送辊需要设辊缝调节装置，以限制摆动辊架的压下位置，实现辊缝调 整。此外，上、下辊的平行度对卷取质量有重要影响。 2 ) 卷筒 卷筒是卷取机的核心部件。它要在张力下高速度卷取热状态下重达4 5 t 的带钢钢卷。 为此，要求卷筒内部有冷却与润滑系统；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。所有这些都决定了卷筒结构的复杂。常见的卷筒结构形式有连杆式、斜 面柱塞式和棱锥式。 3 ) 助卷辊， 助卷辊可以使带钢沿着卷筒周向运动，以适当压紧力将带钢压紧并对带钢提供摩擦使 其紧贴在卷筒上，增加卷紧度，同时助卷辊对带钢的压力也使卷筒与带钢问有足够的摩擦 而不至于打滑；其次带钢的头3 至4 卷的塑性变形也是由助卷提供压力的，并使带钢变形 到容易卷取的形状：在最后收尾时压紧尾部防止带钢尾部上翘和松卷。助卷辊由辊子、助 卷辊支臂、辊缝调整液压伺服机构等组成。辊缝调整通过液压伺服( 早期是通过螺母丝杆 来实现的) 机构来实现，即由液压缸驱动助卷辊支臂，支臂由于杠杆原理推动助卷开合， 以实现助卷辊和卷筒间隙的调整。 卷取机有以下三种分类方法： 1 ) 按助卷辊的数目的多少，可以分为：两辊式卷取机；三辊式卷取机；四辊 式卷取机：八辊式卷取机。 2 ) 按其卷简结构可分为：连杆式卷取机；斜面柱塞式卷取机。 连杆式卷取机强度不足，较斜面柱塞式卷取机相差4 0 左右。这对生产高强度带钢是 不合适的。斜面柱塞式卷筒的空心轴上有圆孔，沿着卷筒轴向定位斜面柱塞，结构简单， 维修方便，具有良好的刚性。近年来国外新设计的卷取机大部分采用斜面柱塞式。一般来 讲，从制造难易程度上看，较斜面柱塞式较连杆式要困难，所以国内连杆式卷取机亦比较 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 常见。从热轧卷取机的工作条件来看( 与张力卷取机相比) ，卷取张力不大，不论采用哪种 结构型式，卷筒的刚性一般都能满足。 3 ) 按检修方式划分：地下卷取机分为机座移出式和机座固定式两种。机座移出式， 检修时可将整个卷取机的机座移出，检修方便，但结构复杂，机座固定式，检修时只抽出 卷筒，结构简单，机座刚性好，卷取过程稳定【4 】。 板带钢在轧制钢材中所占比重也越来越大，因其运用广泛，性能良好，生产速率快， 开发周期短，符合各行各业需求，所以各国都极其重视对带钢生产设备的研究与开发。热 轧带钢生产设备水平的高低在很大程度上决定了一个国家的冶金水平，所以各国不惜投入 大量人力物力进行设备的研究。目前全世界现有热轧板带轧机约1 6 0 余台套，总生产能力 约3 4 亿吨。热轧的原料大多来自炼钢产生出来的原料板坯，其中，采用半连轧工艺的轧 机为7 0 余台套，采用全连轧机大多数是以连铸板坯为原料，采用炉卷工艺轧机3 0 余台套 【5 】 0 我国的卷取技术经过几代冶金科研工作者几十年的不断努力，目前已经在国际上处于 较高的水平，但受国情影响，我国同国外相比，在卷筒二次胀缩、助卷辊的控制精度、高 强钢与超薄型板带钢取等新技术上还是有相当大的差距。 1 3 2 国内外热轧带钢卷取机的发展与研究现状 在国际上，具备机电液和自动化整体设计制造能力的公司较多。其中水平较高的公司 有德国的s m s d e m a g 公司、日本的三菱( m h i ) 重工业公司和石川岛播磨( i h i ) 公司。从总 体水平上看，德国和日本的几家公司的卷取机的夹送辊，次上机寿命一般是2 2 5 个月， 卷取钢卷数约2 0 0 0 0 - 2 5 0 0 0 卷，卷取重量为6 0 - 7 5 万t 。卷筒的寿命，一次上机使用能达 到卷取1 0 0 万t 钢卷的能力。还有一些公司，例如美国的t i p p l n s 、奥钢联等，则处于第 二梯队水平。 世界上第一台卷取性能好可靠性高的油压式地下卷取机是由日本日立公司和新日铁 公司最新联合开发研制的。带钢对助卷辊与弧形导板产生强烈冲击，油压缸对其起到了比 较好的缓冲作用，同时采用缓振框架也有效地降低冲击作用。实现头几圈能立即卷紧，从 而用助卷辊弹跳系统消除头几圈带钢表面的压痕。助卷辊采用油压式，还装有振动式框架， 并在助卷辊框架和小框架之间设置了强力缓冲器。为了确保助卷辊静有效压紧时间，在检 测出带钢头部搭头厚度之后，采用了带钢通过之间可使助卷辊弹跳的装置，在降低冲击力 之前，要防止晃动增大，因此在各个主要的支点部位采用了锥形套和流动轴承，在晃动制 动机构上设置了空压缸，形成了助卷辊框架的任何位置上都可以吸收晃动【6 】。 目前世界上最先进的卷取机还有：意大利a s t 公司特尔尼厂( 1 9 9 2 年1 2 月) 和韩国韩 宝公司、印度德罗伊斯帕特公司( 1 9 9 6 年8 月) ，美国伊利诺斯州阿克梅金属公司里费代尔 厂新投产的卷取设备( 1 9 9 6 年1 0 月) 等。这几家公司的卷取机设备工作原理是一样的，都是 在带钢出了末架精轧机后，经过了层流冷却系统，达到冷却温度的带钢进入到卷取机，经 过夹送辊的作用下进入到助卷辊与卷筒所成辊缝中，三个助卷辊依次在踏步控制系统下抱 紧带钢。且这几公司的卷取机都是由液压系统驱动的。增加了导板，侧导板在卷取过程中 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 辅助了带钢的定位，通过液压缸这几家工厂新投入使用的卷取设备基本一致，设备中增加 了导板、导辊液压缸来完善卷取装置，侧导板以较小的力间接地接触带钢边部，通过两个 液压缸调整拉辊间耐引。 国外学者在带钢卷取机上所进行的研究，重点集中在如下几个方面： ( 1 ) 卷取温度方面的研究。对卷取温度控制的研究。建立能够精确反映带钢在水冷区 的带钢的冷却程度与冷却速度，对生产中根据流量开口度曲线进行水比的调整，提高冷却系 统流量控制精度以及控冷后板形换热机理的带钢层流冷却模型，通过对冷却水喷射的速 度、喷射角度等进行优化控制，达到快速与均匀冷却到带钢的目的，并达到相应的温度要 求【9 】。研究卷取温度对带钢性能的影响。通过对卷取过程温度的模拟与仿真，将卷取温 度作为整个轧制过程中的参数之一，研究一定卷取温度下带钢的金相组织等的变化以及卷 取温度对低碳钢、合金钢等不同材料带钢磁力特性能、机械性能等的影响，最终达到提高 产品性能的目的【1 2 】。 ( 2 ) 卷取过程中带钢变形机理研究。对轧制和卷取全过程中的带钢微观进行研究，最后 达到提高带钢机械性能的目的。例如，美国钢铁研究院及美国能源部合资开发了热轧带钢 生产线的机械特性模型h s m mv e r s i o n 6 0 ( t h eh o ts t r i p m i l lm o d e l ) ，通过对轧制和卷取 全过程中带钢变形金相组织结构进行研究分析，可以对卷取温度、卷取后带钢的晶体颗粒 大小、带钢的机械性能( 如抗延伸率、屈服强度、拉压强度等) 进行预测。h s m m 已投入到 某些钢铁公司的实际应用中 1 4 , 1 5 】。 我国对引进上面所介绍的三家制造液压卷取机最先进的公司的产品均有引进，但国外 各大公司出于经济角度的考虑，对该设备的重要设计技术加以保密，故我国很难具备独立 设计能力。所以必须自主开发出一套产品，不能受制于人。这也将是我国冶金行业工作者 一项任重而道远的工作。 在我国钢铁集团中，现有各热轧生产线的设备先进程度不同，热轧带钢卷取机的技术 水平也高低不一，近几年随着国家经济形势的迅猛发展，尤其是汽车行业与基础设施建设 的高速发展，各钢厂经济效益普遍好转，一些新建或改造热轧生产线的项目相继投产，引 进和改造了不少卷取机设备，缩短了我国在卷取机技术领域同国外的差距。总体看来，我 国许多钢铁厂热轧生产线中，卷取机还是比较落后的。例如某钢铁集团的热连轧属于上世 纪6 0 年代产品，采用小张力卷取，且助卷辊由气缸驱动，辊缝由千斤项( 或螺杆) 或手动方 式调整；卷取工作过程中，当带钢咬入时对带钢产生强烈的冲击，使得卷筒振动尉烈，带 钢有冲痕、噪声大，构件磨损快，摆动臂易开裂，卷筒内的柱楔易生锈，维修频繁，钢卷 不紧密，卷取质量差【7 1 。 以下简单介绍我国各钢铁企业卷取机的发展： 早期的卷取机是采用四辊道八辊式的。四个辊架借助辊道在气缸压力的作用下做往复 运动。经生产实践证明，辊道在长时间的往复运行中易出现磨损，引起辊道间隙增大，导 致助卷辊倾斜，使得助卷辊对卷筒的压力不均匀，容易使带钢产生塔型，甚至使得辊架卡 在滑导中不能移动，出现此种情况必须停机检查，严重地影响生产。事实也证明八辊数目 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 过多，结构过于复杂，控制起来比较困难，精度更无法保证。 由于八辊式卷取机存在以上缺点，二辊式卷取机应运而生。二辊式卷取机，因为助卷 辊数目较少，控制精度容易得到保证，较长的弧形导板又弥补了助卷辊数目较少的缺点， 形成同心间隙或楔形间隙，保证了带钢卷取过程的运行。但由于辊数较少，压力较小，也 不易均匀作用于带钢表面，在卷取大卷径、宽带钢时就不合适了。 实际应用表明，三辊式卷取机不仅适用于卷取1 0 m m 以上的带钢卷取，在1 0 m m 以下 的带钢卷取效果也是不错的，是目前应用最广，效果最好的卷取形式。三辊式卷取机助卷 辊压紧力、卷筒扭矩和转速均能在很大范围内进行无级调节。因为在助卷辊装置：设有油 缸，所以助卷辊的压紧力可以按照卷取带钢厚度不同来调节。在助卷辊装置上还设有电动 丝杆机构，用来调节卷筒与助卷辊的间隙。助卷辊框架上和助卷辊支承臂之间安装缓冲弹 簧，以减少在卷取厚带钢时，带钢对卷筒和助卷辊的冲击力。为了保证带卷卷取的质量， 要求助卷辊框架系统质量小、动态特性好、动作灵活等。本文也主要分析三辊式卷取机助 卷辊支臂。 武钢热轧总厂二分厂是武钢“十五”规划期间上马的重大工程项目，全套机械设备由德 国德马克设计、部分由国内制造。该厂主要产品包括冷轧用板带、汽车用钢板带、结构钢 板带、锅炉及压力容器用钢板带、造船用钢板带和管线钢等。产品厚度为1 2 - - - 2 5 4 m m ， 宽度为7 0 0 , - 2 1 3 0 m m ，钢卷外径为1 0 0 0 - - 2 1 5 0 m m 。当前，国内钢铁产品由于产能过剩，存 在较大的销售压力，因此应以市场结构为导向，生产市场需求较大的产品，如抗酸洗的管 线钢、强度达到5 5 0 m p a 的集装箱板，汽车板( 5 9 0m p a 、6 1 0m p a 和7 0 0 m p a 的高强汽 车大梁钢被宝钢垄断) ，以及低温高强的车轮钢等【2 3 , 2 4 1 。 通过大量文献的查阅，以下几个方面是各科研人员的研究重点，特别是对控制方面 的研究： 1 ) 控制方面的研究、仿真分析 ( 1 ) 带钢卷取温度控制。温度控制是热轧带钢冷却的核心任务，数学模型的精度在很 大程度上决定了温度控制的精度。国外有的热轧带钢生产线对带钢全长的卷取温度控制精 度已达到2 0 ，对带钢全长的7 0 控制精度可达n + l o 。同时由于新品种的开发，例 如要求有高精度的冷却过程温度以及卷取温度的多相混合组织钢以及铁素体区轧制钢，更 是成为了工作重点。 带钢的冷却是一个比较复杂过程，近几年来，我国冶金设备工作者在建立带钢冷却过 程模型领域所作的工作成果是显著的，他们深入研究了带钢冷却的换热机理，从而使得很 多已经在生产线使用的控制模型取得了比原来更高的控制精度，并研究出了许多新的控制 模型。研究工作主要集中在带钢在输出辊道( 即层流冷却系统) 上换热机理和温度控制数 学模型的开发上。带钢冷却过程的数学模型应能精确地描述带钢在水冷区的换热机理，反 映出冷却过程的温降规律。对热轧板卷控的研究，在宏观方面不但提高了卷取过程的冷却 效率，在微观上更深入地理解金相组织结构的演化规律。 ( 2 ) 卷取系统自动控制。在卷取控制领域，国内学者在建立卷取机仿真模型上进行 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 了较多研究，通过建立合理的仿真模型或控制算法，对卷取系统的控制效果进行研究和分 析【2 8 。3 2 】。主要包括对卷取机的带钢速度控制、位置控制、侧导板液压控制、夹送辊张力控 制、卷筒的速度位置控制、助卷辊踏步控制等。在热轧卷取机控制算法领域进行了较多研 究的是燕山大学机电控制工程研究所，诸如步进电液控制系统、助卷辊踏步控制、助卷辊 自动台阶回避控制等方面，应用了神经网络、模糊控制、交结构控制、h 8 最优控制等先 进的控制算法，研究表明，采用这些新的控制算法后，加快了系统响应以及保证了系统的 稳定性、提高了卷取机控制系统的精度。 2 ) 机械结构的设计与卷取参数确定 卷取机结构方面的优化设计主要对卷取机助卷辊布置位置，卷筒结构和力能参数的优 化设计。目前国内卷取机工作性能较为理想的卷筒结构是由西安重型机械研究所与衡阳有 色冶金属机械厂联合研制生产的卷取机( 采用连杆柱塞式卷筒) ，由连杆式卷筒和斜面柱 塞式卷筒复合而成，这种复合的卷筒兼顾了两种形式的卷筒不仅工作可靠，工作时冲击小， 在卷取完毕后卸下钢卷速度快效率高，是我们值得借鉴的地方。 好的卷取效果要求卷取机控制精确，以及一些参数选择合理。合理的控制程序和力能 参数可以降低缺陷率( 松卷、塔型、边浪、划伤、头端压痕等) ，提高带钢卷取质量。根 据我国国情，一般是通过引入国外的卷取设备后，生产人员及相关的科研工作者熟悉设备， 了解相关工作参数之后，再反过来进行对设备某些参数进行改进，或优化某些流程。卷取 参数主要包括夹送辊偏转角、助卷辊压紧力、助卷辊的安装位置、卷取张力等等；与此同 时有关科研工作者也在积极地对卷取系统进行仿真研究，不断地优化卷取相关流程与工艺 参数，通过对卷取设备动力行为的研究及仿真分析，可确定卷取力能参数，并实现机构强 度分析、故障排除等。以往资料中实体建模软件p r o e n g i n e e r 建立实体横型、多刚体软 件a d a m s 建立虚拟样机，并结合m a t l a b s i m u l i n k 系统仿真软件，创见了卷取过程中张力 的仿真系统，对整个卷取机的模型系统，控制策略等问题进行仿真分析。有的借助虚拟样 系统，建立助卷辊系统的虚拟样机系统，对助卷辊的压力、重力、辊缝和油缸行程等进行 分析。有些卷取机液压系统控制方案进行研究，并建立相应电液伺服系统数学模型和模拟 试验模型进行仿真及试验研究。 1 4 本课题的研究内容 1 ) 通过分析带钢卷取过程的受力状态，将卷取过程中的助卷辊支撑臂简化为受力杆 件，建立支臂了合理的受力模型。运用力学知识，推导出支臂工作最大受力，各关键点受 力大小。 2 ) 利用上述受力分析结果，用有限元软件建立支臂三维实体有限元模型，施加合理 边界条件与载荷，进行仿真研究。比较仿真结果和现场破坏结果，修正有限元模型，重点 研究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，从而直观 定量地描述卷取过程中各种参量的变化规律。 3 ) 通过上述有限元进行比较分析，得到各种强度规格带钢对支臂受力的影响情况； 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 并利用该方法对其他不同厚度和高强度的钢板进行模拟求解，查看现有支臂是否满足高强 钢生产条件，提出改进建议。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 地下卷取机工艺参数的确定 2 1 助卷辊工作原理概述与结构计算 卷取生产线上有三台底下卷取机，卷取机工作时一个卷取机进行卷取，另外两个卷取 机进行卷取前准备工作。当带钢经入口导板，夹送辊施加一定的预紧力，使得钢卷产生原 始弯曲率，逐渐进入到卷筒与助卷辊所形成的辊缝中，助卷器升起抱紧助卷位置上的卷筒。 这时卷筒开始启动并达到喂料速度。助卷辊是卷取工作环节的重要设备，其工作原理是利 用布置在一个平面的相互有若干个角度的助卷辊，按一定的压下控制方式( 一般由液压驱 动) ，对钢卷施加周向压力，最终达到卷取的目的【2 6 j 。设在卸卷位置处的卷取机压辊压下， 滚筒式飞剪启动剪断带材。带材剪断后飞剪停机。带头通过空带装置进入助卷器，使带材 卷在卷筒上。带材在卷筒上缠绕3 4 圈后，助卷器、穿带装置降下，飞剪前的夹送辊抬起， 卷取机开始升速进入正常工作状态。与此同时卸卷位置上的卷筒开始卸卷，卸卷小车进入 卸卷位置并托住带卷卷取机压辊抬起活动支承退回，卷筒缩径机构动作使卷筒缩径。 以上动作结束后卷取机推板与卸卷小车同步运行从卷筒上卸下带卷，并由卸卷小车送到 受卷台架上。这时卷取机推板缩圆，上套简装置开始工作将套筒上到卷筒上。卷筒缩径 机构动作退圆卷筒涨开撑紧套筒，上套简装置退回原位。此时的卷筒已做完进入旋转阶 段的准备工作。顶部压轮开始压紧，锁定装置的锁定销退回。小圆柱齿轮传动机构启动， 转动回转本体向出口方向旋转，并继续旋转经过中间位置。当旋转1 8 0 。位置时，锁定销 伸出插入回转盘的锁定孔中，使回转本体填紧固定。此时活动支承伸出，支承住卷箍头部 直至卷取结束。当卸卷位置的带卷将要达到预定卷径时，又开始按顺序重复上述的动作。 图2 1 三辊式地下卷取机 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 1 所示三辊式地下卷取机，图2 2 为卷取机机构简图。 图2 2 地下卷取机机构简图 如图2 i 及2 2 所示，地下卷取机的助卷辊有三个，其运动是由三个液压缸分别驱动 助卷辊支臂来完成的。在实际工作中，1 拱助卷辊支臂产生的事故最多，根据现场对卷取高 强度钢生产经验可知，承受载荷最大的是1 撑助卷辊，因此对l 群助卷辊支臂进行三维有限元 分析。 助卷在整个带钢的卷取过程中，在前3 至4 圈提供压紧力后，带钢凭借自身的张力就 可以进行卷取了。在带钢卷取的最后一圈，为防止松卷，助卷辊也会对带钢施加压力。通 常状态下，由于带钢的尾部的拍打，助卷辊在卷取尾部时所受的力最大，因此在计算中， 采用在卷尾的实际载荷进行计算。 支臂是与助卷辊连接在一起。助卷辊上的力我们有两种方法得到，一种是通过力学理 论知识直接计算得到，带钢在助卷辊作用下产生塑性变形，通过相关力学知识可以计算助 卷辊压力；另一种是通过测量得到，助卷辊的开合是由油缸驱动的，压力是由油缸油压提 供的，间接的测量助卷辊液压油缸油压可以得到助卷辊的压力。下面将详细介绍助卷辊压 力的计算。 2 2 助卷辊压紧力直接推导 1 ) 理论计算 由卷取机机构简图2 2 ，可知带钢从层流冷却辊道出来后，温度降低，达到卷取所需温 度。进入卷取机由夹送辊提供张力使带钢产生初步弯曲，带钢头部朝下，插入n i # 助卷辊 与卷筒所组成的辊缝中，助卷辊向卷筒抱紧，提供压力与摩擦力。带钢头部产生弯曲( 曲 率与卷筒的半径有关) ，随后带钢进入到助卷辊弧形导板中作为过渡环节。在导板的引导 下，进入到2 群助卷辊与卷筒之间。3 撑助卷辊也是相同原理。如此循环3 至4 卷后，带钢自己 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 的张力就能提供卷取所需的，助卷辊一次打开等待。待到带钢卷取快完成时，为防止带钢 尾部松卷，助卷辊再次压紧。 0 图2 3 带钢受力模型 带钢在夹送力辊的作用下进入到助卷辊与卷筒所成的辊缝中，到达b 点前是属于弹 性屈服阶段的。而后在夹送辊张力和助卷辊的压力与摩擦力作用下，带钢头部达到塑性变 形阶段，曲率发生变化，曲率可以近似地看做是卷筒的曲率。再在此曲率下进入到助卷辊 弧形导板与卷筒所成辊缝中，此后一直是塑性变形阶段。由材料力学理论可知b 点是悬臂 梁的固定端。但梁的中性面不是零弯矩面，故在计算曲率时均以中性面为准；而m 点则可 以看做是悬臂梁的自由端，如图2 3 所示。m 点在弧形板的作用下使得带钢头部发生塑 性变形，使带钢头部发生弯曲。要得到助卷辊压力，必须通过对悬臂梁进行力学分析。 带钢头部塑性弯曲力学计算： 带钢头部受到的弯矩来源于两个力，及p 点对带钢的垂直作用力，和沿着带钢长度方 向上( b m 方向) 的作用力。因沿着b m 方向的作用力比较小，且它的力臂较短，所以对带 钢的弯曲作用可以忽略不计。则轧件的弯曲可以看作是以带钢与卷简切点为固定端的悬臂 梁在集中力p 的作用下发生的。计算出弧形板对带钢头部的作用力p 和s 后，再据此计算助 卷辊所需要施加的压紧力。本节将先分析各变形阶段中带钢头部所受的作压力p ，然后再 根据作用力p 分析作用力s 。带钢某截面的弯曲力矩为： m = p x 式中p 一垂直于b m 连线的弧形导板对带钢头部的弯曲力，n ； x - 弧形导板对带钢作用力p 对助卷辊与带钢切点b 点的力臂，近似为b m 直线的长度， 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 由图2 3 可知，弯曲的绕度满足下面关系： f = r - ( r + 万) c o s 口 ( 2 1 ) r = 冠+ o 5 h r 广卷筒半径，m ； 万一助卷辊与卷筒所成辊缝与带钢厚度的，m ； j i l 一带钢厚度，m ； 口一l 拌助卷辊中心与卷筒中心连线及卷筒中心连线与带钢头部连线的夹角，r a d 。 带钢长度满足： ，= 俾+ 8 ) a ( 2 2 ) 在分析1 # 助卷辊的压紧力时，可将其分为以下几个阶段：首先是弹性弯曲、记下来是 弹性弯曲最后是稳定咬入。三个阶段的分析如下所示。 ( 1 ) 弹性弯曲阶段 开始发生弯曲时，位角满足关系式： 尺 c o s 瓯= ” r + d 由摩尔积分，并结合余弦定律，可得到长度为珀匀带钢发生弯曲时绕度与弯曲力p 的关 系： 厂：i ! 坐：r ：旦 。 山e 山e 3 e ( 2 3 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 可推导得弹性弯曲阶段压力和位角q 如下： p ：3 日r - ( r + 8 了) c _ o - s a ( 2 4 ) ( 尺+ 6 ) 3 口3 ( 2 ) 塑性弯曲阶段 带钢在张力辊的作用下逐渐进入到助卷辊与卷筒所组成的辊缝中取，带钢弯曲的曲率也 逐渐增大，如果作用在带钢上的弯矩大于你屈服极限弯矩时，带钢就会发生塑性弯曲变形。 此时，带钢的曲率半径为： p ：l h e ：丝 ( 2 5 ) 风2 # 2 2 s , 屹5 ) 定旦= 历，可得： m w 七= k w 咄压 ( 2 6 ) 在长度上为，的带钢发生塑性变形后，若其塑性段为，l ，根据弹塑性弯曲阶段的莫尔积 分式和弹塑性弯曲时曲率与力矩的关系可推导出： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 厂：f l 丝坛+ f 监尘坠一d x ( 2 7 ) 函e i 气e l , 3 2 m | m 咿 对( 2 7 ) 式积分，可得 2 势5 - ( 3 训厩 嘉 ( 2 8 ) 将式( 2 2 ) 代入到( 2 8 ) 可得： 厂= 参( m ) 2 5 - ( 3 侧瓜 砉 ( 2 9 ) 联立式( 2 8 ) 、( 2 9 ) ，可推得： 等锱笋= 去 5 _ ( 3 训瓜 嘉 由上式可知，由q 的值可以算得m 的值。则带钢所受的弯曲力为： p ：丝：堕 ( 2 1 1 ) f 【r + d ) 口 ( 3 ) 稳定咬入阶段 当助卷辊与卷筒接触处的带钢弯曲曲率达到1 r 时，b 点所受的弯矩是 ! ：土j 一( 2 1 2 ) 一= f j 月所v 3 2 m 肌：! 二型! ： ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 及式( 2 1 3 ) 得： 杀裂r ) 笋= 厮 5 _ ( 3 + m ) 而砖 ( 2 1 4 ) n + 万2 口2 l 、 j3 优2 、 故当位角q 的值满足式( 2 1 1 ) 所示的关系时，带钢头部的曲率半径已经等于卷筒的 半径，故随q 角的增大轧件的弯曲程度和压力p 不再增大了，前端保持原来的状态和曲率 不变稳定的向前运动。在此阶段，p 和s 的方向和作用点的位置随着q 的增大而改变，但 是p 、s 的大小仍然保持不变。此时，可以看作p 、s 是随着q 角的变化绕卷筒中心进行刚 性旋转的，如图所示。 稳定阶段的弯曲力的值是通过式( 2 1 4 ) 的值得到的。 d ( 卷筒与弧形倒板之间的间隙) 的取值比较小时，会致使1 撑助卷辊与卷简发生卡钢 现象，并阻碍了带钢进入到2 群助卷辊，所以在实际中弧形导板与卷筒间隙如图所示，在沿 着卷筒方向上逐渐变小。为了计算方便，我们取弧形板中点处的d 数值进行计算。 由厂方给的图纸可知，助卷辊未张开时的弧长中点出间隙为1 9 n u n 。再加上助卷辊张 开后带钢中点与卷筒表面的间隙4 m m ，取d = 2 2 m m 。 接下来计算作用力s 的数值。因p 、s 均为按带钢作为简支梁的弯曲，所受变容易得 到，而实际卷取中，弧形板对带钢的作用力为指向卷筒中心的作用力n 和与弧形板内表面 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 相切的摩擦力f 。二者满足摩擦里公式f = i in ，如图所示： s = n s i n ( a - f 1 ) + f c o s ( 口印) ( 2 1 5 ) p = n c o $ ( o c - f 1 ) - f s i n ( a - p ) ( 2 1 6 ) f = un ( 2 1 7 ) 式中： q 一带钢前端位角，r a d ； 1 3 一力s 与o o ，法线方向的夹角，r a d ； 联立( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 与( 2 2 9 ) ，可得： s ：p s i n ( 厂a - f l _ ) + z c o s ( a - f l _ ) ( 2 18 ) c o s ( 口一) - j s i n ( a 一) 综合上式，可得出是p = 6 7k n ，同时s ，也可以求出。 2 3 助卷辊压力计算 计算载荷是采用卷取x 7 0 ( 1 8 4 x1 5 5 0 ) 管线钢时的最大载荷，卷取终止时钢卷直径 为中1 9 0 0 m m ，对应此卷径，根据厂方提供机械图，在c a d 软件中绘制相关零件，由c a d 软 件得到驱动油缸相对固定轴销的力矩，与助卷辊相对轴销的力矩。 利用油缸与助卷辊几何关系推导助卷辊压力 根据设计资料，卷取机在初始状态，驱动油缸、卷筒、助卷辊之间的位置关系如图所 示： 支臂旋转中心 图2 4 助卷辊卷筒几何位置简 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 图2 5 卷径为1 9 0 0 衄时助卷辊与驱动油缸驱动力位置关系示意图 图2 6 支臂受力示意图 由图可知，油缸驱动力助相对固定轴销的力臂和助卷辊相