（机械设计及理论专业论文）卡罗塞尔卷取机结构和参数分析及仿真.pdf

摘要 摘要 卷取机是轧制生产线中极其重要的设备 它不仅直接影响连轧的产量 带卷的质量 而且是后续酸洗 涂镀层的保障 卡罗塞尔卷取机是目前世 界上最为先进的冷轧张力卷取机 对其进行结构分析 参数分析和计算机 仿真 将对国外先进技术和设备的消化 吸收 改造提供理论依据 并对 实际生产具有重要的指导意义 首先 对卡罗塞尔卷取机的工作原理进行分析 阐述卷取机主传动系 统 卷筒 减速箱 旋转和锁定系统 活动支承的结构形式 列举其关键 参数 并总结卡罗塞尔卷取机的优点 其次 推导卷取机静态功率和动态功率的计算公式 分析动态因素对 卷取机的影响 并计算卡罗塞尔卷取机运动学和动力学参数 包括传动比 功率 转速 转矩等 此外 在对卡罗塞尔卷取机的结构和参数充分了解的基础上 以p r o e 为平台 对其进行实体建模 整机虚拟装配和计算机运动仿真 推导卷取 机主传动系统传动误差 空程误差以及弹性变形的计算式 精确计算卡罗 塞尔卷取机的精度和响应时间 最后 应用有限元分析软件m a r c 对卷取机卷筒的核心零件扇形板进行 强度校核 建立扇形板的有限元模型 分析其约束情况和边界条件 对其 进行应力分析和应变分析 关键词卡罗塞尔卷取机 结构分析 参数分析 精度分析 虚拟样机 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o i l e ri sv e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti nr o l l i n gp r o d u c t i o n l i n e w h i c h n o to n l yi n f l u e n c e so nt h eo u t p u ta n dq u a l i t yo fs t r i p b u ta l s og u a r a n t e e st h e s u b s e q u e n th a n d l i n g ss u c ha sp i c k l i n ga n dc o a t i n g c a r r o u s e lc o f f e ri su l t i m a t e c o l d r o l l e dp u l lc o i l e r i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so f t h i sc o i l c r w h i c hi sb e n e f i c i a lf o ru st ol e a r na n dr e b u i l df o r e i g na d v a n c e d t e c h n i q u ea n de q u i p m e n t i t si n s t r u c t i o n a lt op r a c t i c a l p r o d u c t i o n f i r s t l y t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e o fc a r r o u s e lt o i l e ri s a n a l y z e d t h e s t r u c t u r e si n c l u d i n gm a i nd r i v es y s t e m m a n d r e l s p e e dr e d u c e r r o t a r ya n d l o c k i n gm e c h a n i s ma n de x p a n s i o nb e a t i n ga r ei l l u s t r a t e dd e t a i l e d l y t h ek e y p a r a m e t e r sa r ee n u m e r a t e d t h ea d v a n t a g e so fc a r r o u s e lc o f f e ra r eg e n e r a l i z e d c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e s s e c o n d l y t h ef o r m u l a so fc o f f e r ss t a t i cp o w e ra n dd y n a m i cp o w e ra r e d e d u c e d t h ei n f l u e n c eb yd y n a m i cf a c t o r s0 1 1c o f f e ri sa n a l y z e d t h em o t i o n p a r a m e t e r sa n dk i n e t i cp a r a m e t e r s w h i c hi n c l u d ed r i v er a t i o p o w e r r e v o l u t i o n a n dt o r q u e a r ec a l c u l a t e d i na d d i t i o n b a s e do n u n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s o f c a r r o u s e lc o i l c ra d e q u a t e l y t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d i t l l p r o e a n dt h e s em o d e l sa r ea s s e m b l e dt oaw h o l eb o a y t h em o t i o ne m u l a t i o n i sc o m p l e t e ds u b s e q u e n t l y t h ef o r m u l a so fd r i v i n ge r r o r b a c k p l a ye l t o ra n d e l a s t i cd e f o r m a t i o n w h i c ha l ei nt h et o i l e r sm a i nd r i v es y s t e m a r ed e d u c e d t h ea c c u r a c yo fc a r r o u s e lc o f f e ri sc a l c u l a t e da c c u r a t e l ya sw e l la sr e s p o n s e t i m e f i n a l l y t h es t r e n g t h c h e c ko fs e g m e n t w h i c hi st h ek e yp a r to ft o i l e r s m a n d r e l i sd o n ew i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a r c t h ef m i t ee l e m e n t m o d e lo fs e g m e n ti se s t a b l i s h e d t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n db o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ea n a l y z e dm e m b e rb ym e m b e r i nt h ee n d t h es t r e s sa n ds t r a i na r e i i a b s t r a c t d o n eb yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d k e y w o r d sc a r r o u s e lt o i l e r s t r u c t u r a la n a l y s i s p a r a m e t r i ca n a l y s i s a c c u r a c y a n a l y s i s v i r t u a lp r o t o t y p e i l l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 卡罗塞尔卷取机结构和 参数分析及仿真 是本人在导师指导下 在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果 对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人 承担 作者签字焦埘丸 日期 办 年 2 月肜日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 卡罗塞尔卷取机结构和参数分析及仿真 系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归燕山 大学所有 本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员 本 人完全了解燕山大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授 权燕山大学 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论 文的全部或部分内容 保密口 在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密函 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 盈耐丸 日期 如多年 碉侈日 日期 知占年j 碉侈日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 冷带钢卷取机概述 卷取机的用途是收集超长轧件 将其卷取成卷以便于贮存和运输 卷 取机是轧钢车间的重要辅助设备 在带材和线材生产中均被广泛应用 轧 钢生产实践表明 卷取机的工作状态直接影响着轧机 特别是连轧机生产 能力的发挥 因此 对于高速卷取设备的研究一直受到重视 目前 冷轧带钢卷取机绝大多数采用卷筒式卷取机 其设备配置比较 简单 主要由卷筒及其传动系统 压紧辊 活动支撑和推卷 卸卷等装置 组成 卷筒及其传动系统构成卷取机的核心部分 1 2 1 1 1 冷带钢卷取机的分类 1 按卷取机的用途可分为大张力卷取机和精整卷取机 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 精整卷取机则主要用 于连续退火 酸洗 涂镀层及纵剪 重卷等生产机组 2 按卷取机的结构特点 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等 前三种强度好 径向刚度 大 常用于轧制线做大张力卷取机 后两种结构简单 易于制造 常用于 低张力的各种精整线 此外 大张力卷取机的卷筒从性能上还有固定刚度卷筒和可控刚度卷 筒之分 1 1 2 冷带钢卷取的工艺特点 就工艺目的讲 除高温条件外 几乎所有对热卷取机的性能要求 对 冷卷取机都是适用的 但由于冷带钢生产的特殊性 冷带钢卷取还有以下 特点 燕山大学工学硕士学位论文 1 张力冷带钢卷取 尤其是在轧制作业线上 突出的特点是采用较大 的张力 此外 由于张力直接影响产品质量及尺寸精度 因此对张力的控 制也有很严格的要求 现代大张力冷带卷取机都采用双电枢或多电枢直流 电机驱动 并尽量减少传动系统的转动惯量 提高调速性能 以实现对张 力的严格控制 各种生产线的卷取机张力见表1 1 轧制卷取时 表1 1 中应考虑加工硬化因素 精整卷取薄带时 张力应取最大值 表1 1 冷带钢生产线张应力0 0 的数值 t a b l e i 1v a l u eo f a oo f c o l d s t r i pp r o d u c t i o n l i n e 机组可 逆轧机连轧机 精整机组 带厚 r a m 0 3 枷 1l 22 4 张麻力 m p ap f 0 5 08 0 lo 栅2 加 5 0 sb 卸i 棚 2 0 s o o o 1 0 01 5 0 so d 5 1 0 a s 2 表面质量冷带钢表面光洁 板形及尺寸精度要求较高 因此对卷 筒几何形状及表面质量的要求也相应提高 3 钢卷的稳定性 冷轧的薄带钢采用大直径卷筒卷取时 卸卷后带卷 的稳定性极差 甚至出现塌卷现象 因此加工带材厚度范围大的生产线应 能采用几种不同直径的卷简 小直径卷筒用于卷取薄带 4 纠偏控制带钢精整线要求带钢在运行时严格对中 使带卷边缘整 齐 为此常采用自动纠偏控制装置 带钢纠偏装置的工作原理如图1 1 所示 2 6 i 一活动机架 2 一带钢 3 一卷简 4 光电元件 5 一伺服控制器 6 油缸 图1 1 卷取机纠偏控制原理图 f i g i 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c u t a w a yc o n t r o lo f t o i l e r 卷取机机架1 是活动的 调整好以后固定不动的光电元件4 检测带钢 2 第1 章绪论 边缘 带钢跑偏将使光电元件产生输出信号 信号放大后经电液伺服控制 器5 控制油刚6 随时调整卷筒位置使带卷边缘保持整齐 纠偏效果与纠 偏速度密切相关 纠偏速度可根据机组速度参考表1 2 确定 表i 2 带钢纠偏速度表 t a b l e l 2t a b l eo f c u t a w a yc o n t r o lo f s t r i p 机组速 变 m s 1 0 一l1 一1 525 55 1 51 5 以上 纠偏速度 m s il 1 01 52 03 04 0 此外 卷取速度高 可达4 0 m s 也是冷卷取工艺的另一个显著特点 考虑到上述工艺特点 冷带钢卷取机还应考虑以下几个问题 要求有 更高的强度 刚度 以实现大张力卷取 大张力卷筒胀开后 应能成为一 个完整圆形 以防止压伤内层带钢 可快速更换卷筒 以适应多种厚度 4 1 1 1 3 冷带钢卷取机的结构及发展状况 常见的冷带钢卷取机有实心卷筒式 四棱锥式 八棱锥式 四斜楔式 弓形块式等结构 1 实心卷筒卷取机实心卷简卷取机一般为两端支撑 结构简单 具 有高的强度和刚度 用于大张力卷取 其缺点是卸卷需采用倒卷方法 影 响了轧机的生产能力 5 1 为减少卸卷辅助时间 提高作业率 常采用转盘式 双卷筒结构 实一t b 卷筒在大张力卷取时 带钢对卷筒会产生很高的径向压力 为防 止卷筒塑性变形 卷筒材料一般都采用合金锻钢并经均匀热处理 2 i b 棱锥卷取机为克服实心卷取机卷筒卸卷困难的缺点 设计了四 棱锥卷筒 四棱锥卷筒胀径时 由胀缩缸直接推动棱锥轴 使扇形块产生 径向位移 由于没有中间零件 棱锥轴直径大 强度高 可承受较大的力 可 达4 0 0 6 0 0 k n 常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷 取 初期使用的四棱锥式卷筒如图1 2 所示 由于棱锥轴的锥角为6 0 j 左右 小于相对运动表面的摩擦角 使得扇形块和棱锥轴之间处于自锁状态 其 3 燕山大学工学硕士学位论文 刚性在整个卷取过程中接近于实心卷筒的情形 卸卷时 由外力把扇形块 沿棱锥轴推出 从而获得缩径 当其卷取终了时 卷筒表面的径向压力p 值可以达到很大 当卷筒外径是卷筒直径的三倍时 p 接近卷取张力o o 值 即达到带材屈服极限的0 4 o 6 倍 若再考虑张应力沿板宽分布的不均 匀 在卷筒表面局部的径向应力值还远不止这个值 这个值虽不会破坏实 心结构的卷筒 但这个力将使扇形块抽出相当困难 而且即使抽出实现缩 径 也会造成滑动面的严重磨损 另外一个缺点是作轴向运动的是扇形块 当卷取过程中万一发生缩径时 钢卷将不可避免出现塔形卷 6 1 图1 2 四棱锥卷筒不意图 f i g 1 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f r e c t a n g u l a r p y r a m i dt o i l e r 六十年代后 又出现了可控制的胀缩卷筒式卷取机 或称自动缩径式卷 取机 现在较为常见 其基本思路是 把棱锥角加大到7 0 8 0 使其大于摩 擦角 这样在保证润滑良好的条件下 卷筒在卷取过程中会产生自动缩径 结构如图1 3 所示 这种自动缩径是当作用于卷筒表面上的径向应力通过梭 锥斜面传给棱锥轴上的轴向力超过了胀缩机构的平衡力之后开始的 而自 动缩径开始以后 卷筒表面径向应力值的增长速度会大为降低 卷取终了 时的p t n 值大大低于实心卷筒 或自锁卷简 在结构设计方面 则利用扇形 块的钩头部分卡在空心轴的凸槽部分 使得扇形块在缩径过程中不产生轴 向移动 从而避免了钢卷形成塔形的危险 该结构是卷筒设计上的一个大 的进步 比较理想地解决了大张力和缩径之间的矛盾 特别是实现了人的 能动性干预 通过调整胀缩机构液压系统中溢流阀的限定值来改变平衡力 的大小 就可实现卷筒表面径向应力和总径缩量的控制 新出现的问题是 扇形块的钩头部分成为卷筒强度上的薄弱环节 限制了径缩压力的提高 4 第l 章绪论 实现不了较大范围的人工控制 为解决这一问题 第三代四棱锥式卷取机 倒棱锥式卷筒结构的卷取机应运而生了 图1 3 可胀缩正四棱锥卷筒示意图 f i g 1 3d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f e x p a n d i n gr e g u l a rr e c t a n g u l a r p y r a m i de o i l e r 倒棱锥式卷筒结构的卷取机最早出现于一九八六年 图l 4 给出了这种 卷取机的结构示意图 从工作原理上 这种卷取机同样属于可控制的胀缩 式卷取机 只是从结构上取消了扇形块的钩头 从而大大提高了零件强度 与 正锥式 相比 倒锥式 卷筒棱锥轴的工作状态由受压变为受拉 从 而显著地改善了棱锥轴和胀缩缸的连接螺栓的受力情况 所以这种结构显 得更为合理 但因胀缩缸的工作面积要减去活塞杆的面积 胀缩缸直径略 有增大 其次 由于卷筒缩径时棱锥轴是向前移动的 为避免卷筒悬臂端 的支撑轴承开闭受阻 必须在轴端支撑座安装一个单独驱动的自由滑动的 套筒i t 8 1 可控制的胀缩卷筒式卷取机有效地降低了卷简的负荷 但增加了钢卷 内圈的环向应力 这个环向应力正是造成钢卷塌卷的内在原因 图1 4 可胀缩倒四棱锥卷筒示意图 f i g 1 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f e x p a n d i n gi n v e r t e dr e c t a n g u l a r p y r a m i dt o i l e r 5 燕山大学工学硕士学位论文 3 八棱锥卷取机近年来冷轧机向高速 重卷 自动化方向发展 在 卷取机结构上也做了较大的改进 首先 为减小卷取机转动惯量 改善启 动 调速 制动性能 趋向于采用电动机直接传动卷筒的方式 其次 为 解决胀开时扇形块间的缝隙对薄带钢表面质量的影响 卷筒采用四棱锥加 镶条的结构 r p j k 棱锥 卷筒胀开后能成为一个完整的圆柱体l g u 图1 5 为1 7 0 0 冷连轧八棱锥卷取机 它由卷筒 胀缩缸 机架 齿形 连轴节 底座 卸卷器等组成 卷取机卷筒有0 6 1 0 和0 4 5 0 两种规格 采 用整机更换的快速更换卷简方式 卷筒由扇形块 镶条 八棱锥芯轴 拉杆 花键轴等组成 胀径时 油缸8 通过杠杆拨叉1 3 推动两个斜块1 2 向左移动 使四个胀缩连杆9 伸 直并推动环形弹簧及方形架l l 使花键轴6 和拉杆4 右移 棱锥轴靠轴承支 撑于机架上不能左右移动 因此 拉杆带动头套2 0 使扇形块2 及镶条1 9 相对棱锥轴右移胀径 缩径时 油缸通过杠杆拨叉将斜块拔出 胀缩连杆在弹簧1 作用下折 曲 扇形块 花键轴等靠胀径时储存在弹簧1 中的压缩变形能复位 使卷 筒收缩 为提高卷取机刚度 卷筒设有活动支撑 1 一碟形弹簧 2 一扇形块 3 一棱锥轴 4 一拉杆 5 一轴承 6 一花键轴 7 花键 8 胀缩缸 9 一胀缩连杆 j 0 一调节螺拴 l l 一环形弹簧 1 2 一胀缩滑套及斜块 1 3 杠杆拨叉 1 4 齿形联轴器 1 5 一传动轴 1 6 一卸卷器导秆 1 7 一卸卷器油缸 1 3 一卸卷器维板 1 9 一镶条渤一头套 图1 5 八棱锥卷筒示意图 f i g 1 5d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f e l g h t l e v e lp y r a m i dc o i l e r 八棱锥卷筒棱锥轴强度高 扇形块刚度大 扇形块斜楔角1 2 0 镶条 6 第1 章绪论 斜楔角1 6 4 3 5 1 扇形块与镶条在胀缩运动中互不干扰 但各斜楔面均保 持接触 胀开后镶条正好填补扇形块缝隙 卷筒成一整圆 由于斜楔角大 于摩擦角 八棱锥卷筒也属于自动缩径式 由于胀缩缸避开卷筒轴线位置 卷筒可通过传动轴1 5 和齿形联轴器1 4 与传动电机直接相连 传动系统具 有较小的转动惯量 调节螺栓1 0 限制胀缩连杆9 的位置 从而达到调节卷筒胀缩量的目的 八棱锥结构卷筒适用于高速连轧机的卷取 但结构复杂 加工精度高 弹簧易损坏 4 四斜楔卷取机四斜楔卷取机的卷筒是由主轴 芯轴 斜楔 扇形 块 胀缩缸等组成 卷筒的胀缩机构是四对斜楔 内层斜楔由胀缩缸通过芯轴带动做轴向 运动 外斜楔支撑扇形块的两翼 带动扇形块径向胀缩 胀径时外斜楔径 向外伸 填补扇形块间隙 斜楔顶面与扇形块外表面构成一整圆 卷取薄 带不会产生压痕 这种卷筒的最大特点是主轴 扇形块加工方便 由于斜楔只支持扇形 块的两翼 卷筒强度 刚度都有削弱 适用于张力不大的平整机组和精整 作业线 5 弓形块卷取机弓形块卷取机适用于宽带钢精整线的卷取 卷筒的 胀缩方式有凸轮式 轴向缸斜楔胀缩式和径向缸式三种 凸轮和轴向缸斜 楔胀缩式目前基本上已经不再采用 而径向缸式由于结构紧凑 使用可靠 在国内外新设计的精整卷取机上普遍采用 使用情况良好 1 2 1 5 弓形块卷筒由主轴和弓形块等部分组成 在主轴内沿卷筒长度方向布 置有5 7 组缸体互相套叠的径向活塞缸 用于撑开弓形块和夹紧钳口 径 向活塞缸与卷筒心部轴向设置的增压缸接通 增压缸为定容积式 其柱塞 有胀缩缸活塞杆推动 当压力油 约6 3 m p a 经回转接头进入胀缩缸时 胀 缩缸活塞带动增压缸柱塞移动 增压缸内油压逐渐增高 以致胀开径向活 塞撑起弓形块并压紧钳口 增压缸内最大压力可达2 5 m p a 卸卷时 胀缩缸反向移动 增压缸内油压降低 借碟形弹簧的作用 使钳口松开 弓形块收缩 7 燕山大学工学硕士学位论文 卷筒端部设有平衡缸 油压增大时 平衡缸活塞外移 当增压缸因泄 漏等原因油量减少时 平衡缸活塞在弹簧作用下反向移动 因此可保持增 压缸内油压的正常水平 弓形块卷筒的主要缺点是卷筒结构不对称 高速卷取时动平衡性能差 1 2 对卷取机研究的新课题和新方向 从事卷取机研究的科技工作者对卷取机做了大量的富有成效的工作 在不同方面和层次都做了有益和成功的探索 为实际生产提供了帮助和指 导 并为别人研究提供了基础和方向 从而使研究越来越深入和全面 但 近十几年来 国内对卷取机 特别是新型卷取机 的研究不是很多 进展 不大 随着国内卷取机的设备水平的提高 以及新方法 新手段的出现 更由于该领域的理论和成果的不完善 不系统 还有许多新课题等待着我 们去开发和研究 主要表现在以下几个方面 1 6 17 1 还没有一个综合考虑各种因素的计算方法来分析钢卷内部的应力分 布 把自动缩径 层间变形效应 摩擦力 带宽方向上的分布不均匀性 温度场 张力的变动等因素综合考虑进去 才能确切地反映实际情况 2 以前所做的工作多着眼于带卷最内层对卷筒的作用力 而对整个带 卷的应力分布重视不够 事实上这直接关系到带材的表面质量和形状缺陷 对于带钢的规格 断面形状 钢种 机械性能 各圈排列的各向异性这些 参数来说 要达到好的卷取质量 就要调整卷筒的几何形状和机械性能 卷取张力 卷筒退出时间等因素 这才是对实际生产真正有价值的 而不 是只关心作用到卷筒多大的力 大的卷取机张力可以保证带卷整体密实和 稳定 但又容易造成带钢粘接和形状缺陷 所以调整张力的大小变化无疑 是最积极的因素 这是最迫切的问题 3 现在新的大型有限元软件和其他的仿真计算软件 可以用到卷取上 同时考虑温度 力 材质 层间间隙等多重因素 来实现参数精确计算和 卷取过程的动态模拟仿真 这是一个极有诱惑力的课题 第1 章绪论 4 检验公式 数学模型 参数的正确性要依靠实验和测试结果来证明 我国在这方面还是比较落后的 这也限制了理论的进 步发展和完善 5 进行系统的动力学研究 分析系统的固有频率 激振力频率 共振 区间 振幅 以及振动对系统和钢卷的影响 得出系统的动载荷特性 另 外 对液压系统的原理及故障进行深入地分析 建立液压系统故障诊断专 家系统 提高液压系统故障诊断的准确性和快捷性 1 3 课题来源 随着钢铁工业的发展 低成本 低能耗 短流程成为企业追求的重点 因此 连铸连轧一问世便深受欢迎 1 引 其与传统工艺相比 成本下降2 0 节约能源5 0 投资减少3 0 而且产品的质量高 市场适应性强 其中 卷取机是轧制生产线中极其重要的设备之一 它不仅直接影响连轧的产量 带卷的质量 而且是后续酸洗 涂镀层的保障 同时 其负荷大 动作复 杂 工况恶劣 故障率高 据武钢统计 卷取机故障率占整个连轧生产线 故障率的6 0 再考虑国内的钢水质量 品种及生产状况与国外不同 卷 取参数必然与国外的设计有所差别 这将对设备的性能 运动学 动力学 参数提出不同的要求 1 9 1 卡罗塞尔卷取机是目前世界上最为先进的冷轧辅 助设备 产于日本 目前国内正在应用的有宝钢1 4 2 0 1 5 5 0 酸洗冷连轧机 组 鞍钢1 7 8 0 酸洗冷连轧机组和马钢1 7 0 0 酸洗冷连轧机组 新的设备及 结构必然推动理论的更新 国内厂家以引进和使用卡罗塞尔卷取机为主 对其理论研究很少 为了能更好 更快地消化国外设备 解决实际应用中 可能出现的问题 有必要对卡罗塞尔卷取机作系统的 深层次的研究及故 障分析 以便更好地服务于生产及日常维护工作 本课题正是在这一领域 作一定的工作 1 4 课题的主要思路及工作 在对图纸资料和前人研究成果分析的基础上 本课题主要研究卡罗塞 尔卷取机运动 动力参数 对其进行精度分析和动态响应分析 以及有限 9 燕山大学工学硕士学位论文 元强度校核 研究内容包括以下几个方面 1 卡罗塞尔卷取机主机结构分析主要分析卡罗塞尔卷取机主机的传 动原理 详细阐述该卷取机主传动 减速箱 卷简 旋转机构 锁定系统 及活动支承的结构形式 2 卡罗塞尔卷取机主机运动 动力参数分析着重分析 研究卡罗塞 尔卷取机主机运动学 动力学参数 传动比 转速 功率和转矩 并以p r o e 为平台 对卷取机进行实体建模 虚拟装配和运动仿真 3 卡罗塞尔卷取机主机系统运动精度和动态响应分析分析卡罗塞尔 卷取机主机系统的空程误差和传动误差 弹性件的扭曲变形 机械系统的 响应时间等 4 卡罗塞尔卷取机关键零部件有限元强度校核以有限元软件m a r c 为平台 对卡罗塞尔卷取机卷筒的核心零件一扇形板进行有限元强度校 核 分析其应力分布情况 1 5 课题的科学意义及应用前景 此课题完成后 将加强对进口设备结构原理和运动 动力等设计参数 的了解 有助于建立卷筒和传动电机之间的数学模型 以及卷筒和钢卷力 参数的数学模型 为自动控制提供所需的参数 提高带钢质量 论文工作 对主要零部件进行受力分析 对其实际工作状况定量化 从而提高维护设 备的人为能动性 这些都将对进口设备的消化 吸收 维护 改造提供理 论参考 1 0 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 2 1 卡罗塞尔卷取机主传动系统分析 卡罗塞尔 c a r r o u s e l 卷取机 又称双卷筒旋转式卷取机 该设备属于大 型高速回转类机器 其内部驱动系统相当复杂 传动级数多 传动轴长 构 造复杂 是一种设计和制作难度非常高的冶金机械设备 目前全世界有能 力制造这种卷取机的厂家很少 2 0 卡罗塞尔卷取机可广泛应用于各类带钢生产线 如全连续的冷轧生产 线 该设备以高效 连续的方式卷取带钢 该机设计紧凑 可节省设备安 装空间 当其被用于改造项目时 可将改造量降至最低 它同时也适用于 生产线入口段的开卷操作 该设备在国外已得到广泛使用1 2 啦 宝钢从国 外整机引进双卷筒卷取机 其它厂家逐渐开始选择这种卷取机 图2 1 卷取机双卷筒及其传动系统结构 f i g 2 1t h e s t r u c t u r eo f d o u b l e m a n d r e la n di t sd r i v es y s t e mo f c a r r o u s e lt o i l e r 卡罗塞尔卷取机布置在带钢导板台的后面 交替地用两套张力卷筒卷 燕山大学工学硕士学位论文 取带钢 它由双卷筒及其传动系统 图2 1 胀缩机构 共享的大转盘及其 传动系统 图2 2 外支撑和压力辊组成 图2 2 卷取机大转盘及其传动系统结构 f i g 2 2t h e s t r u c t u r eo f r o t a r yd i s ka n di t sd r i v es y s t e mo f c a r r o u s e lc o f f e r 卷简在卸卷位置由外支撑提供辅助支撑 卷简直径的改变由外加扇形 板实现 这种改变将不影响成品的质量 2 3 2 4 1 卷取机结构示意见图2 3 卡罗塞尔卷取机工作原理如下 当一个卷筒进行卷取时 另一个卷筒 作卷取前的准备 在卸卷位置上的带卷将达到预定卷径时 飞剪前的压送 辊压下 助卷器升起抱紧助卷位置上的钢带卷 与此同时 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 然后卷筒开始卸卷 当 卸卷小车进入卸卷位置并托住带卷时 卷取机压辊抬起 活动支承退回 卷筒缩径机构动作使卷简缩径 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 并由卸卷小车将带卷送走 这时 卷取机 推板缩回 卷筒胀径机构开始工作 进入胀径状态 此时卷筒已经做完进 入旋转阶段的准备工作 锁定装置的锁定挡块退回 卷取机公转电机启动 使卷筒旋转到卷取位置 当飞剪剪断钢带时 另一个已做好卷取准备工作 的卷筒启动并逐渐达到喂料速度 带头通过穿带装置进入助卷器 使带材 卷在卷筒上 带材在卷筒上缠绕3 q 圈后 助卷器 穿带装置降下 飞剪前 1 2 第2 章 卡罗塞尔卷取机主机结构分析 的压送辊抬起 卷取机开始升速进入正常工作状态 5 1 一卷筒回转电机 2 齿式联轴器 3 一环形齿轮 4 公转电机 5 一卷简 图2 3 卡罗塞尔卷取机结构示意图 f i g 2 3s t r u c t u r a ld i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c a r r o u s e lt o i l e r 当两个卷筒更换位置时 需要大转盘顺时针旋转1 8 0 此时卷筒仍处于 卷取状态 因此卷筒的传动采用类行星传动机构伫5 2 6 1 卡罗塞尔卷取机的卷取工艺过程如图2 4 所示 a c d e 图2 4 卡罗塞尔卷取机卷取过程 f i g 2 4b a t c h i n gp r o c e s so f c a r r o u s e lc o f f e r 当带钢出连轧机最后一架机座 经磁性皮带送入卷取机1 号位置的卷 筒 如图2 4 a 所示 卷筒处于胀径状态 在助卷器的助卷下卷取 进入稳 燕山大学工学硕士学位论文 定的卷取状态后大转盘转动 如图2 4 b 所示 将1 号位置的卷筒在卷取状 态下转到2 号位置 继续进行卷取 如图2 4 c 所示 同时2 号位置上的卷筒 转到l 号工作位置 并作好下一卷的穿带卷取准备 当2 号位置卷筒上带卷 达到额定卷重后 启动滚筒式飞剪分卷剪切 同时1 号位置上的卷筒开始穿 带卷取 如图2 4 d 所示 2 号位置上带卷在三个压辊作用下将甩尾带钢卷 好 然后卸卷 如图2 4 e 所示 大转盘再次转动重复前述步骤 卡罗塞尔卷取机的传动示意图如图2 5 所示 联轴器 一一 三卦公转宅机 图2 5 卡罗塞尔卷取机传动示意图 f i g 2 5d r i v e s c h e m a t i cd i a g r a mo f c a r r o u s e lc o i l e r 卡罗塞尔卷取机是由电机 连轴器 齿轮减速箱 空心长轴和行星齿 轮机构组成卷筒的传动系统 电机到卷筒的传动路线为 电机一连轴器1 一减速箱 连轴器2 一空心长轴 连轴器3 一齿轮1 一环形齿轮2 一齿轮3 一卷筒 其中 齿轮3 环形齿轮4 5 和齿轮6 构成类行星齿轮传动机构 1 4 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 卡罗塞尔卷取机传动齿轮参数如表2 1 所示 2 7 1 表2 l 卡罗塞尔卷取机传动齿轮参数规格 t a b l e 2 1g e a rs p e c i f i c a t i o no f t h ec a r r o u s e le o i l e r 应用转盘转动卡罗塞尔主体 标号i23 4 5 6 齿轮形式 直齿轮变位直齿轮 直齿轮 齿高 m m 5 6 2 54 55 6 2 5 模数 m m 2 52 0 2 5 压力角 2 0 02 5 2 俨 齿数3 81 6 22 75 7 6 53 l 节圆直径 m m 9 5 04 0 5 05 4 01 1 4 01 6 2 57 7 5 中心距 n u n 2 5 0 01 2 0 0 齿宽 m m 2 1 02 7 02 7 0 传动比 4 2 62 1 l0 4 8 转速 r p m 1 7 0 5 4 0 0 2 1 7 2 7 4 8 9 1 0 2 9 3 6 4 71 0 2 9 3 6 4 72 1 5 9 7 4 3 8 功率 k w 1 4 02 4 5 0 2 4 5 0 侧隙 r a m 4 8 05 6 04 3 24 8 04 8 0 4 3 2 精度等级 666 2 2 卷取机卷筒结构 卡罗塞尔卷取机有两个可胀缩卷筒 其结构尺寸相同 两卷筒的安装 位置与大转盘的回转中心对称 卷筒轴为可控胀缩的带楔块的倒四棱锥结 构 心部装有推杆及楔块 外部装有四块扇形板 此种结构的卷筒棱锥轴截面大 结构对称 平衡性好 抗弯刚性大 卡罗塞尔卷取机卷筒结构如图2 6 图2 7 所示 卷筒胀径和缩径由卷简装置端的旋转液压缸推动拉杆来完成 此种结 构的卷筒相对简单 加工制造容易 但卷取薄带时需要加增径板 2 8 j 卷筒胀缩液压缸设在回转卷筒轴的末端 工作时随着卷筒一起绕大转 盘转动 当1 号卷筒进入工作位置时 胀缩液压缸启动给油 使拉杆向右移 燕山大学工学硕士学位论文 动 同时带动棱锥轴向右移动 棱锥轴又带动工字形楔块向右移动 楔块 的四个斜面与扇形板产生相对滑动 导致扇形板产生径向位移 使卷筒处 于胀径状态 当带卷达到日标重量时 液压缸反向给油 拉杆回归到原始 位置 卷筒处于缩径状态 i 一棱锥轴 2 一扇形板 3 一楔块 4 拉杆 5 一旋转胀缩缸 图2 6 卡罗塞尔卷取机卷筒结构示意图 f i g 2 6s t r u c t u r ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c a r r o u s e lc o i l e r 1 一棱锥轴 2 一机架 3 拉杆 4 一楔块 5 一扇形板 图2 7 卷筒剖面示意图 f i g 2 7s e c t i o nd i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h em a n d r e l 1 6 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 2 3 卷取机齿轮减速箱结构及参数 卡罗塞尔卷取机的前端减速箱为齿轮减速箱 其结构如图2 8 所示 减 速箱采用二级减速形式 齿轮为斜齿圆柱齿轮 口口 皿 旦 z 谣 一j 一ll j r 确日争目 吲审尉 目千i目争 煳 d f 肜m 吲岭 钐刎除 4y 7 l l 8 引s 珍m 阴0i t 念髟刎 d l 州 糊钾l j 启l 口一转 雌 州z 惑一 j i i 3j 且u 1 一齿轮1 2 齿轮2 3 一齿轮3 4 齿轮4 图2 8 卷取机齿轮减速箱结构 f i g 2 8g e a rr e d u c e rs t r u c t u r eo f c a r r o u s e le o i l e r 齿轮减速箱有两个输入端 分别控制1 号 2 号卷筒的旋转 两个输入 端与两台交流电机相连 独立工作 减速箱内传动齿轮参数规格如表2 2 所示 2 4 卷取机空心长轴结构 在齿轮减速箱与行星齿轮之间 由于传动的距离比较长 故采用空心 长轴传动 空心长轴传动有以下优点 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 结构得到优化 保证扭矩传递 2 由于轴是空心的 大大减轻了卷取机重量 转动惯量随之减小 3 传动效率较实心轴高 表2 2 减速箱传动齿轮参数规格 t a b l e 2 2g e a rs p e c i f i c a t i o no f t h ef r o n tr e d u c e r 标号l234 形式 斜齿圆柱齿轮 齿高 r a m 3 6 5 6 2 5 模数 m m 1 62 5 压力角2 5 6 齿数2 64 22 53 l 螺旋角l 1 0 2 5 3 5 竹1 1 0 4 5 1 2 5 节圆直径 r a m 4 2 4 4 1 26 8 55 8 86 3 8 3 9 37 9 1 6 0 7 传动比l6 2i 2 4 转速 r c m 4 3 5 1 5 0 02 6 9 9 2 92 1 7 7 4 9 材料碳素钢 热处理渗碳淬火 精度等级6 硬度h s 7 0 一7 5 功率f k m 2 4 5 0 2 5 旋转和锁定装置 回转大转盘由设在大转盘底部两侧的两个托轮装置支承 回转大转盘 为剖分式结构 用螺栓组把合成一个圆盘 圆盘的后端面连接 个大直径 外齿圈 在回转大转盘侧下方有一个小圆柱齿轮与该外齿圈啮台 电机通 过行星减速器减速后驱动小齿轮旋转1 2 9 1 在回转大转盘的外圈上对称布置有两个限位块 卡罗塞尔卷取机的锁 定装置由两组液压缸控制 分别用于限位和锁紧 正常工作时 回转大转 盘一直处在被锁定状态 回转大转盘旋转时 锁定挡块由锁定液压缸缩回 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 限位挡块由限位液压缸推动移开 小圆柱齿轮的传动机构同时启动 由小 齿轮驱动外齿圈 带动回转大转盘向出口方向旋转1 8 0 至卷取机卸卷位 置 限位液压缸拨动挡块使回转大转盘固定 锁定液压缸推动锁定销插入 锁定孔内 使回转大转盘锁紧 这时活动支承开始进入工作状态 2 6 活动支承 活动支承采用液压升降式结构 在卷筒卷取带钢时 托架支撑在卷筒 的头部 升降托架装在导向机座内 由液压缸驱动实现升降 如图2 9 所示 l 一液压缸 2 一升降托架 3 卷简 图2 9 活动支承结构示意图 f i g 2 9s t r u c t u r ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h ee x p a n s i o nb e a r i n g 当回转大转盘转动到位锁定后 升降液压缸推动升降托架至卷筒轴心 线位置 使托架支撑住卷筒轴连接套 液压缸锁定 直至一卷带材卷取结 束 2 7 卷取机辅助设备 1 卡罗塞尔卷取机压辊张力卷取机压辊安装在卡罗塞尔卷取机卷筒 附近 压住带钢的尾部 上下辊通过两个液压缸在带钢尾端前部压住正在 卷取的带卷 带卷卷取完毕后 压辊在钢卷小车从卷筒上取出钢卷之前松 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 开a 2 助卷器现代化的冷连轧机带钢出口最高速度已达4 0 r n s 为了提高 轧机生产率 缩短辅助操作时间 在冷连轧机组中的卷取机的卷筒均不采 用钳口 而用助卷器帮助带钢卷绕在卷筒上 助卷器的形式有皮带式和链 带式两大类 每类都有不同的结构形式 皮带式除最常用的水平移动方式 外 还有垂直移动式和摆动式 链带式使用的较少 卡罗塞尔卷取机采用皮带助卷器 形式为单带垂直移动式 皮带助卷 器由液压缸垂直移动 便于在卡罗塞尔卷取机的初始卷取位置将带卷的头 部卷上卷筒 包括外加的套筒 它是无头网孔皮带 可以为最大出口厚度和 宽度的带钢助卷 皮带安装在五个惰性辊上 一个辊子装在前枢轴臂上 两个辊子装在 后枢轴臂上 通过液压缸将皮带缠绕在卷筒上用于初始卷取 另外两个辊 子安装在主框架上 可以通过一个气缸进行调节以保持皮带的张力 或者 在更换皮带时释放这种张力 在前枢轴臂的端部将提供一个液压操作的带 钢导板用于引导带钢的头部 皮带助卷器的皮带可以快速更换而无需拆除 任何辊子 3 安全罩安全罩设计为整体式 覆盖轧机机架出1 2 1 侧到卡罗塞尔卷 取机以及压辊 在安全罩之上将安装排放跟随带钢出来的轧制冷却剂烟雾 的风管 在卡罗塞尔卷取机之前 将提供开闭式安全门 以避免断带造成 的危险 而且 安全罩的上盖可以滑动打开 吊车可以用于维护安全罩内 的设备 2 8 卡罗塞尔卷取机的优点 卡罗塞尔卷取机较以前卷取机有较为突出的优点 具体如下 1 降低投资在全连续式冷轧机的轧制条件下采用无头轧制 必须有 两个卷简交替工作 如果采用单卷筒卷取机 则需设置两台 不仅增加了 设备投资 而且增加了场地面积 而卡罗塞尔卷取机将两个卷简装在一个 大转盘上 设备投资小 占地面积少 降低了投资 第2 章卡罗塞尔卷取机主机结构分析 2 易于薄带卷取采用两台单卷筒卷取机串行布置进行生产 从一台 卷取机切换到另一台卷取机时 轧机出口机座和卷取机间距离加大 这段 距离要求带头平贴在输送皮带上才能进入卷取机 这一点对于较厚的带钢 容易 而对于薄板生产 剪切后的带头 则不易平贴在输送皮带上 一旦 带头游动和拱起 会造成无法穿带卷取的停机故障 采用卡罗塞尔卷取机 带钢穿带始终保持在1 号的卷取位置上 使卷取机和轧机出口机座间距离 大为缩短 避免和减少了切换卷取时的停机故障 3 它还具有技术性能高 承载能力大 调节灵活方便 安全可靠 运 动精度高 造型美观等特点 2 9 本章小结 本章首先分析了卡罗塞尔卷取机的传动原理 然后详细阐述了主传动 卷筒 旋转机构 锁定系统及活动支承的结构形式和工作原理 最后总结 了卡罗塞尔卷取机的优点 2 l 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章卷取机运动和动力参数分析及仿真 3 1 卷取机卷筒电机功率的选择 随着交流变频技术的发展 卷取机的传动电机近年来多采用交流变频 电机 但由于交流变频电机的调速范围有限 而卷取机上的带卷的最大外 径与卷简外径的比值大于交流变频电机的调速范围 所以在选择交流变频 电机时应考虑这一因素 同时还应考虑卷取过