开卷机设计校核分析(毕设说明书).doc

本科毕业设计（论文）900mm平整机组开卷机结构设计（杨爱文）燕 山 大 学2011年6月本科毕业设计（论文）900mm平整机组开卷机结构设计学院（系）：机械工程学院 专 业：轧钢专业 学生 姓名：杨 爱 文 学 号：070101010046 指导 教师：王 东 城 答辩 日期：2011-6-24 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位： 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容基本要求参考资料周 次第 周第 周第 周第 周第 周应完成的内容指导教师：职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。（此行文字阅后删除）摘要摘要冷轧带钢的开卷绝大多数采用筒式开卷机，其设备配置较为简单，主要由筒及其传动系统，压紧辊，活动支撑和推卷、卸卷等装置组成。 该开卷机保证卷取的恒定张力，提高了带钢的表面质量。开卷机是成卷轧制和带材精整机组中的重要设备。在可逆式冷、热轧带材轧机的前后均装有开卷机，在不可逆冷、热轧带材轧机以及某些精整作业线上的出口端也装设带材开卷机。开卷机有很大的张力以保证降低轧制压力，减少带钢翘曲现象，从而提高带钢产品质量。全文阐述了四斜楔冷轧带钢卷取机的工作原理和结构设计的基本思想，同时对在应用过程中出现的一些问题进行了综合分析并列出了一些解决方法。最后翻译了与课题相关的外文资料并完成了本次设计。关键词:开卷机，卷筒，张力I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractOne of the decoiling belted steel fetches the overwhelming majority and adopts reel type a fetching machine, its device layout is comparatively simple, by the reel and transmission mainly , compress tightly the roller , support and pushes one , unload the devices , such as one ,etc. to make up in activity. The intensity of carrying on the major part is calculated, and carry on the economic benefits of the rolling mill and appraise . This fetching machine adopts the adjustable speed electrical machinery of direct current, guarantee a invariable tension fetched, have improved the surface quality with steel. The whole characters expatiates the theory of the machine, and adduce some method for the problem appearing in the product at the same time.At last translated some datum in foreign language, accomplished this project.Keywords: decoiling unit, drum, tension I 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1第2章 开卷机的概念和发展趋势32.1 选题的背景和目的32.2开卷机的概述32.3开卷机的结构42.3.1单筒可胀缩开卷机42.3.2双锥头无胀缩开卷机62.3.3双圆柱头可胀缩开卷机72.4开卷机的发展趋势9第3章 简介主要参数及结构特点113.1 主要参数113.2结构原理11第4章 参数的计算与选择134.1 卷筒的主要参数确定134.1.1卷筒的直径确定134.1.2卷筒宽度及最小直径的确定134.2 开卷张力的选择144.3 卷筒的传动设计154.3.1 卷筒电机功率计算154.3.2电机的额定转速计算154.4卷筒胀缩机构受力分析164.5卷筒径向压力计算184.5.1 C.E.英格里斯（Inglis）公式194.5.2 自动缩径卷筒径向压力的计算204.5.2.1 开卷机卷筒的实际工作情况214.5.2.2卷筒当量半径的确定214.5.2.3卷筒径向压力公式的推导244.6 液压缸行程的计算26第5章 卷筒及主轴的校核285.1轴的强度校核285.2卷筒的强度校核30结论32参考文献33致谢35附录136附录244附录349III第1章 绪论 第1章 绪论钢铁是国民经济的中流砥柱，是国家的命脉，是国家生存和发展的物质保障。钢铁是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。在钢铁行业中钢板和带钢是国民经济各部门应用最广泛的钢材，它作为多种工业部门的原料使用。其中薄板、带钢的生产技术是钢铁工业发展水平的一个重要标志。薄钢板除了供汽车、农机、化工、食品罐头、建筑、电器等工业使用外，还与日常生活有直接关系，如家用电冰箱、洗衣机、电视机等都需要薄钢板。因而在一些工业发达的国家中，薄钢板占钢材的比例逐年增加，在薄板、带钢中，冷轧产品占很大部分。影响薄板、带钢质量及产量的因素是很多的，其中开卷机就是一个重要的因素。开卷机是轧钢成卷生产不可少的设备，广泛应用于酸洗机组、主机机组和各种精整机组中的开卷。开卷机的技术水平关系到机组的生产能力和带材的质量。为适应高速化的要求，开卷机对加减速的反应要灵敏，要求转动惯量小，动平衡性能要好。开卷设备大体可分为：悬臂式开卷机、双圆柱头式开卷机和双锥头式开卷机。悬臂式开卷机和双圆柱头式开卷机及双锥头式开卷机已成功地应用于带材精整机组及冷连轧机组。其中双圆柱头式开卷机由于采用两套传动装置，双圆柱头式开卷机设备重量比悬臂式开卷机要大。悬臂式开卷机（图1）由于卷筒长，为了考虑上料方便，要求卷筒卷径胀缩范围大，另外上卷时间也较双柱头开卷机长。但悬臂式开卷机具有刚性大，张力大等优点，因此适用于较薄带材的开卷。胀缩式筒基本上有以下四种结构形式的：弓形板式、平行四连杆式、四棱锥式、四斜契式。开卷机一般使用四棱锥胀缩式卷筒。图1 某机组悬臂式开卷机的结构形式近年来，冷轧带钢生产技术的发展主要有以下几个方面：增加钢卷质(重)量、提高机组和轧机的速度、提高自动化程度、改进生产工艺。近年来，随着带钢生产向高生产率和高精度发展，钢卷变得越来越重，轧制速度越来越高，产品质量要求越来越高，从而对开卷设备提出了越来越高的要求。本说明书从四棱锥冷轧带钢开卷机的工作原理入手，着重对该开卷机的卷筒等重要部件进行了设计。由于本次设计时间有限，加之本人水平与实践经验的限制，在设计中难免会出现错误和不足，恳请各位老师批评指正，我必定耐心受教并诚心感谢各位老师。63 第2章 开卷机的概念和发展趋势 第2章 开卷机的概念和发展趋势2.1 选题的背景和目的 开卷机的设计，除了按一般机械设计程序进行机构和强度设计外，尚有几个与工艺和操作有关特殊问题。如机构选择、主要参数确定、筒压力计算和张力、调速、卷取质量等。开卷机的结构形式的选择，热带钢卷取机装在热带钢轧机的后面地下式开卷机，一般三辊式成形辊布置多支点棱锥型筒。冷轧带钢卷取机安装冷轧机组、平整机组外，广泛用于各类纵切和横切精整机组、重卷机组和酸洗机组的不同部位以满足不同的工艺要求。在可逆式冷轧机上轧制时，带钢张力由开卷机产生，因而这种开卷机要承受很大的张力，宽带钢的张力可达400500千牛，特别多辊轧机轧制合金薄带材时，带钢对卷取机的径向压力极大，长期以来多采用带钳口的实心筒。再设置重卷机组倒卷，多采用八棱锥无缝隙筒，以防止筒损坏坯带材表面。冷带钢开卷机是冷轧生产的重要设备。2.2开卷机的概述开卷设备大体可分为：悬臂式开卷机、双圆柱头式开卷机和双锥头式开卷机。悬臂式开卷机具有刚性大，开卷张力大等优点，因此适用于较薄带材的开卷。悬臂式开卷机和双圆柱头式开卷机及双锥头式开卷机已成功地应用于带材精整机组及冷连轧机组。最近几年，西德和美国一些机械制造公司和生产厂商，大力推广双圆柱头式开卷机。国外生产事件证明，双圆柱头式开卷机上料操作方便，工作平稳可靠，其结构也比悬臂式开卷机简单。其缺点是，由于采用两套传动装置，双圆柱头式开卷机设备重量比悬臂式开卷机要大。由于双锥头式开卷机，锥头部分和带内卷圈接触面积太小，带张力操作时，容易损坏带材头部，所以目前已不大采用。 图2-1 为某机组悬臂式开卷机的结构形式。 图2-1悬臂式开卷机1筒2传动装置3减速机4电机5胀缩油缸6对中油缸2.3开卷机的结构2.3.1单筒可胀缩开卷机这种结构开卷机，其结构上与张力卷取机基本相同，但在开卷机筒上无钳口装置。案筒结构形式不同，可分为单筒棱锥式开卷机和单筒链板式开卷机。图2-2为单筒链板开卷机机构。它在带钢精整机组的头部，用来开卷厚度为0.6毫米，宽度为500毫米的带卷。卷重为15吨，开卷速度为3米/秒。筒的缩径机构，依靠仅作径向运动的四块弓形块3来实现。弓形块3与内筒1用链板2铰接，内筒1与心轴4采用其尾部的垫板5连接在一起。心轴4则与筒端部的轴向胀缩液压缸活塞杆相连。若轴向液压缸进行压力压油时，活塞杆与心轴4一起做轴向移动使筒缩径。借助于弹簧的作用，使活塞杆与心轴4复位，筒胀径。 图2-2 单筒链板式开卷机结构1内筒2链板3弓形块4心轴5垫板这种开卷机进适用于开卷张力不大于1000公斤的卷重在15吨以下的横切机组、清洗机组、退火机组等精整机组。对于处理卷重较大和开卷张力较大的带卷时，可采用单筒棱锥式开卷机。图2-3为单筒棱锥式开卷机。它用于双机架平整机组，带材厚度为0.15-0.8毫米，宽度为550-1270毫米。开卷速度为33米/秒或23米/秒。开卷张力为2270公斤，卷重为20000-45000公斤。这种开卷机筒由活动支撑轴颈1、拉杆2、空心轴3、扁销4.弓形块5、棱锥轴6以及滑键7等组成。 图2-3单卷棱锥式开卷机的筒结构1活动支撑轴颈2拉杆3空心轴4扁销5弓形块6棱锥轴7滑键这种单筒棱锥式开卷机与链板式开卷机比较，具有刚性好、开卷张力大、设备重量较轻等优点，目前已被广泛采用。2.3.2双锥头无胀缩开卷机图2-4为双锥头无胀缩开卷机。它用来开卷厚度为1.5-5毫米，宽度为1500毫米的带材，开卷速度为1米/秒。这种开卷机结构简单，其缺点是圆锥头与带卷内孔容易产生打滑。为了克服这一缺点，可采用锥头可胀缩开卷机。 图2-4双锥头无胀缩开卷机2.3.3双圆柱头可胀缩开卷机双圆柱头可胀缩开卷机按其胀缩方式的不同，还可分为径向液压缸胀缩双圆柱头式开卷机和轴向液压缸胀缩双圆柱头开卷机两种。双圆柱头式开卷机用于酸洗机组、剪切机组及冷连轧机组。一般来说，这种开卷机用来开卷张力不大的带厚为2-8毫米的热轧带钢。对于薄带钢和大张力开卷时，则采用悬臂式开卷机。图2-5为径向液压缸胀缩双圆柱头开卷机。开卷机左右锥头分别由液压缸2操作，可沿其水平方向移动。借此夹持带卷内径，并对中机组中心线。圆柱胀缩由二个径向液压缸来实现。为了使两个径向液压缸4作同步径向运动，利用齿轮3实现机械同步。这种结构上克服了上述锥头无胀缩开卷机的打滑现象，使用情况表明，效果良好。图2-5径向液压缸胀缩双圆柱头开卷机轴向液压缸双圆柱头开卷机，用于五机架冷连轧机组。带材厚度为1.5-6毫米，带材宽度为550-1530毫米。屈服极限为37公斤/。最大卷重为45000公斤。开卷速度为10.5米/秒。开卷张力为920-9200公斤。筒结构如图2-6所示，筒直径为610毫米，胀径时为630毫米，缩径时为560毫米。筒长度为855毫米，由于筒较短，把与轴向胀缩液压缸活塞直接相连的拉杆头部做成锥形，在锥形部位加工出燕尾槽滑动面，使它与弓形3相配合，构成斜契滑动机构。推动弓形块胀开，筒胀径。轴向胀缩液压缸反向动作时，借助拉杆端部上的燕尾槽是筒缩径。轴向胀缩 活塞直径为440毫米，行程为221毫米。 2-6轴向液压缸胀缩的双圆柱头开卷机的筒结构1空心轴2拉杆3弓形块轴向液压缸胀缩双圆柱头开卷机与径向液压缸找那个所双圆柱头开卷机相比，仅仅是圆柱头胀缩液压缸布置方式不同。制造和使用等方面来看，轴向液压缸胀缩双圆柱头开卷机较好。2-7胀缩液压缸和回转接头1拉杆2活塞3回转接头2.4开卷机的发展趋势薄板、带钢的生产技术是钢铁工业发展水平的一个重要标志。薄钢板除了供汽车、农机、化工、食品罐头、建筑、电器等工业使用外，还与日常生活有直接关系，如家用电冰箱、洗衣机、电视机等都需要薄钢板。因而在一些工业发达的国家中，薄钢板占钢材的比例逐年增加，在薄板、带钢中，冷轧产品占很大部分。近年来，冷轧带钢生产技术的发展主要有以下几个方面：(1)增加钢卷质(重)量。增加钢卷质量是提高设备生产能力的有效方法，因为冷轧带钢是以钢卷方式生产的，每一个钢卷在送到机组内轧制或处理前，都必须经过拆捆、开卷、穿带，然后加速到正常速度工作，在每一卷终了时又需要有减速、剪切、卷取及卸卷的过程，占用较多的生产时间。钢卷质量增大后，可相应地增加作业的时间，而且由于每卷带钢长度的增加，带钢在稳定速度下轧制的时间也相应增加，机组的速度才能真正得到提高，带钢的质量也才能得以改善。然而，钢卷质量也不可无限制地增加，它受到开卷机等机械设备的结构与强度的限制，也受到电动机调速范围的限制，而且卷重太大还会给车间内钢卷的运输和存放带来困难。目前，冷轧带卷的质量已达40t，个别的达到60t，以带钢单位宽度计算的卷重达到30-36kgmm。 (2)提高机组和轧机的速度。20世纪50年代开卷机大都在20ms左右，60年代以来已逐步提高到30ms左右，最高轧制速度达37.5m/s。六机架冷连轧机的最高轧制速度已超过了40m/s。但是，轧制速度的进一步提高会受到工艺润滑材料与方式的限制。其他作业线(如单机架平整机组、双机架平整机组、各剪切机组、连续热镀锌机组、酸洗机组、电镀锡机组等)的机组速度也都相应提高。 (3)提高自动化程度。在生产操作自动化方面，普遍采用各种形式的极限开关、光电管等、对每个动作实行自动程序控制，实现了钢卷对中、带钢边缘纠偏、机组中带钢速度的自动调整、剪切钢板的自动分选等自动化操作和控制。 (4)改进生产工艺。不断采用新工艺、新设备，例如深冲钢板连续退火作业线和浅槽盐酸酸洗、HC轧机、和异步轧制等，以简化冷轧工艺过程，提高冷轧带钢的精度和节省能量。第3章 简介主要参数及结构特点 第3章 简介主要参数及结构特点3.1 主要参数 来料规格：经冷轧退火后的成卷带材来料材质：Q235、Q215、08A1、20、16Mn、SPCC、SPCD、SPCE等带材规格：厚度：0.2 1.25mm宽度： 450 750mm带卷最大质量：8t带卷直径：510mm（内）、1500mm（外）带卷机械性能： 600MPa ； 360MPa卷取速度：轧制速度（Max）：350 m / min 开卷张力： 2.5-30 kN卷筒：最大直径： 520mm最小直径： 460mm卷筒直径： 510mm(正圆)卷筒宽度： 750mm3.2结构原理开卷机为带活动支撑的悬臂式上开卷结构，主要由卷筒、活动机座、传动装置、浮动控制油缸和底座主要零部件组成。液压涨缩的四棱锥式卷筒由直流电机通过十字型万向联轴器及本体减速箱驱动。卷筒轴上方装有油缸驱动的摆动压辊。本体减箱机为一级圆柱齿轮传动；硬齿面，喷油循环润滑。减速箱低速齿轮用双键固定在卷筒中空轴上。卷筒由四块带斜面的扇形板及T型滑键、四棱锥主轴、中空轴、涨缩缸、回转接头等主要零（部）件 组成。四棱锥主轴（倒锥式）尾部与涨缩缸的空心活塞通过双螺母联为一体。在轴向移动过程中通过斜面T型键带动扇形板实现卷筒直径涨缩。主轴与中空轴在径向通过两个导键连接，传递扭矩；涨缩缸体的法兰固定在中空轴尾端，通过回转接头供油。第4章 参数的计算与选择 第4章 参数的计算与选择4.1 卷筒的主要参数确定4.1.1卷筒的直径确定对于冷轧带钢开卷机，卷筒直径的选择一般以开卷过程中内层不产生塑性变形为设计原则。按照弹性弯曲理论，卷筒直径与开卷带材厚度及机械性能之间应满足一下关系：D=715.3mm式中 E=206Gpa，=1.25mm， =360Mpa D=720mm式中 带材的屈服极限，单位：MPa带材的最大厚度，单位：mm 带材的弹性模量由于本次设计是根据已有平整机组来设计开卷机，所以公式所得开卷机卷筒的直径过大。所以在这里根据900mm平整机组的要求，选择卷筒的直径为510mm。即 D=510mm4.1.2卷筒宽度及最小直径的确定卷筒筒身工作部分长度应等于或稍大于轧辊辊身长度，卷筒直径的涨缩量应大于卷取机的卷筒涨缩量。卷取机的卷筒涨缩量约为1540mm，所以在这里取开卷机卷筒涨缩量为50mm，取卷筒最大宽度为900mm，卷筒最小直径为460mm，卷筒的最大直径为520mm。4.2 开卷张力的选择开卷机在开卷过程中，必须具有一定的开卷张力。精整机组开卷张力的选取应十分慎重，不合适的开卷张力会影响到精整机组的正常生产。一般开卷张力按照以下公式选取： T=式中 带钢厚度，单位：mm带钢宽度，单位：mm 单位张力，单位：N/mm2 。在机组头部一般可取单位张力为=0.3-0.66 N/mm2，在设计计算时，上述单位张力还可按以下经验公式计算.已知带材屈服极限，=360MPa K张力系数，已知k取值如下表：机 组 名 称K的取值酸 洗 机 组 退 火 机 组 准 备 机 组 张力矫直机组0.03 0.050.03 0.060.03 0.050.06 0.15由于精整机组和张力矫直机组相类似，所以k取0.06 0.15。故取k=0.08则，=0.08360=28.8MPa当=4500mm，=0.2mm时当=750mm，=1.25mm时所以：开卷张力为 2.525kN4.3 卷筒的传动设计4.3.1 卷筒电机功率计算带材开卷所需要的传动功率应由带材的张力、塑性弯曲变形、卷取速度和加速度及摩擦阻力等因素确定。由于塑性弯曲和摩擦的影响远小于张力，所以初选电机时，额定功率可按下式近似计算：额定功率式中 kN m/s 取1.05 取0.95 塑性弯曲及摩擦影响系数，取1.051.1； 开卷张力，单位：N 开卷速度，单位：m/s 传动效率，取0.850.95计算功率，表示在各种制度下，速度和张力乘积的最大值故：kW4.3.2电机的额定转速计算开卷机速度控制要同时考虑以下两个因素：1、为了适应机组速度变化而调整开卷速度时，不应影响电机的驱动力矩。2、为适应卷径变化而调整卷筒转速时，不应引起张力的波动。一般开卷机都同时采用调压（恒力矩）和调激磁（恒功率）两种调速方法，分别适应上述两种情况，以充分利用电机的容量。当电机转速减小时，为适应其变化，采用调压法降低电机转速。正常开卷时，随着开卷的进行，带卷半径变小，为了保持张力，此用调激磁方法。卷筒电机的额定转速必须与开卷计算转速相配合： r/min式中： 最大卷取线速度，单位：m/s 最大带卷半径，单位：m传动比 故：选取电动机型号为Z4-315-41:160KW,440V,400/1200RPM。4.4 卷筒胀缩机构受力分析由开卷机构可知，卷筒涨缩是由液压缸驱动的棱锥轴与弓形块配合的斜楔来完成的，此称为卷筒涨缩机构。按斜楔角大小不同，卷筒可分为固定卷筒和缩径卷筒两大类。斜楔角小于滑动摩擦角（），此为自锁情况，称之为“固定卷筒”。在这种情况下，卷取机工作时，不论卷筒上承受多大的径向压力，不会使卷筒弓形块与棱锥轴向配合的斜楔面产生相对滑动。这种卷筒在受力分析时，同整体实心卷筒没有什么区别。事实证明，这种卷筒受力极为不利。由上述分析可以知道，在整体实心卷筒上，能够产生与带钢卷开卷应力相同的径向压缩应力。特别对于大张力开卷机，卷筒很容易产生塑性变形。由此可知，采用的“固定卷筒”是不合适的。目前我们所设计的卷筒大部分是的“缩颈卷筒”。在卷筒工作过程中，当卷筒上径向压力大于斜楔表面上的摩擦力和胀缩液压缸推力时，卷筒开始收缩，称之为“移动卷筒”。从受力情况看比较有利。这种卷筒可按弹性厚壁圆筒进行强度计算。在开卷过程中，卷筒径向压力达到一定数值后，卷筒开始胀径。此时卷筒径向压力就会变大。随着开卷工作的继续进行，径向压力又继续变小，当数值达到一定程度后，卷筒又胀径。一般在整个开卷过程中，卷筒要进行3-4次胀径。 由图4-1可以看出，当实心卷筒开卷的带卷外径大于卷筒3倍时，径向压力将超过带材的张力。实际上所有不可自动缩径的大张力卷筒(如锥角小图4-1卷筒表面径向、切向应力计算结果曲线于6的四棱锥卷筒)的表面，开卷时都将作用有很大的径向压力。此压力不仅使开卷困难，严重磨损棱锥面，甚至导致卷筒零件的塑性变形。随着生产实践的发展，卷筒的设计方法也在不断改进。新设计的大张力棱锥卷筒的棱锥角多采用78。锥面锥角大于摩擦角而不自锁。习惯上称这种卷筒为自动缩径卷筒或可控制刚度卷筒，因为卷筒的刚度是可以通过改变胀缩油缸中的油压来调整的。自动缩径卷筒的工作原理如图b所示。随着开卷半径的减小，卷筒径向压力变小。当达到某一临界压力时，Q Q，棱锥轴左移使卷筒胀径，径向压力随之变大。径向压力的增加又使QQ，棱锥又在新位置上平衡，径向压力又开始回升如此形成循环，直至开卷终了。图c以对比形式表示出自动缩径卷筒与不可缩径卷筒实测径向压力的变化规律。卷筒的自动缩径量与临界压力有关，适量胀径（一般约为0.18-3mm）可增加卷筒径向压力，过量增大会使内层带卷的切向应力大幅增加，甚至出现塌卷或层间滑动而划伤带材表面。虽然在使用中可借涨缩缸油压加以调整，但合理的确定,保证适量缩径仍是自动缩径卷筒设计的核心问题。在开卷过程中，卷筒径向压力随之减小。开卷初期，与斜楔摩擦表面摩擦力和液压缸的力相平衡，卷筒不胀不缩，随着开卷过程的进行，随之减少，则破坏了上述平衡，卷筒就要胀开。受力分析如图4-2所示。图4-2 卷筒胀开时胀缩机构受力分析1-弓形块，2-棱锥轴“1”为自由体。写出平衡方程式在按上式确定拔出力时，取f=0.12-0.144.5 卷筒径向压力计算径向压力计算不尽是卷筒零件强度和涨缩缸推力计算的先决条件，而且与卷取质量直接相关。一般认为卷筒径向压力与开卷张力和带卷直径、带卷和卷筒的径向刚度（包括带卷的层间变形效应和卷筒的涨缩性能）,带卷介质及表面状态、层间滑动与摩擦及带宽等因素有关。由于这些问题在理论分析和实验研究方面都具有较大的难度，多年来国内外虽然有许多学者作了大量的研究工作，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其结论，可以作为卷筒设计的参考。4.5.1 C.E.英格里斯（Inglis）公式用英格里斯公式计算卷筒径向压力的基本思路，是将层叠卷取的带材和卷筒都看成是弹性厚壁筒。在张力作用下，带卷厚壁筒的次外层受一均匀的径向外压力Pi。该压力将通过层叠的带材向卷筒表面传递，并使卷筒表面产生一径向压力增加Pi。在卷取过程中，带材每增加一层径向压力相应得以增量。卷筒径向压力即为各层压力增量的总和。假设卷取过程中张力恒定，卷层之间无相对滑动，压力沿卷筒轴线方向均匀分布，带卷厚壁筒各向同性且带卷与卷筒弹性模量相同，则卷筒径向压力分析属于弹性力学平面轴对称问题。在卷取任意i+1层带材时，带卷及卷筒厚壁筒受力变化的分布情况分别如图：4-3所示。应用拉密解答和r2处的变形协调条件，可求出Pi为：图4-3 （1）其中：式中 单位张力，单位：MPaH 带材厚度，单位：mmr 带卷任意第i层带材时的带材半径，单位：mmr1 卷筒当量内半径，单位：mmr2 卷筒外半径（D/2），单位：mm对于各类弓形块卷筒，可取弓形块最薄处的内半径为r1，对实心卷筒r1取零，对四棱锥卷筒r1可按下式计算：其中：A棱锥横断面1/2边长的平均值，单位mm令式（1）中h=dr，表示带卷半径变化的增量，以定积分代替求和，按英格里斯方法得到径向压力计算公式为： （2）式中：RC带卷最大卷取半径，单位mm卷筒表面的切向应力为： （3） 由于采用上述假设，英格利斯表明径向压力是张力和卷筒与带卷卷径比的函数，式（2）和式（3）的计算结果如图a其值与不可缩径卷筒的径向压力，实测值较为接近。在其它一些径向压力计算公式的推导过程中，有很多公式不同程度的，借鉴了英格利斯的方法。他们在补充考虑了带卷的各向不同性，层间变形效应等因素后，计算结果一般都低于英格利斯的计算值。另有人分析认为，径向压力不会随带卷外径增大而无限增大，而是向某一极限值逼近。4.5.2 自动缩径卷筒径向压力的计算到目前为止，有很多计算卷筒径向压力的公式。这些公式计算结果表明相差很大。至今没有一个令人满意的公式。理论推导所采用的某些假定条件，不能入市的反应开卷机实际工作情况。因此，在一定程度上影响着计算结果的准确性。关于卷筒径向压力的计算，应注意如下几个问题：4.5.2.1 开卷机卷筒的实际工作情况在推导公式时，要尽量符合开卷机的实际工作情况。否则，所导出的公式缺乏实践基础。从开卷机的工作情况看，带材是一层一层的缠绕在卷筒上的。这就表明，应研究每开卷一层在卷筒外径上所引起的径向压力的变化情况。因此，把带卷作为连续带环多层组合弹性卷筒是比较符合实际的。目前，所设计的大部分开卷机卷筒是属于工作过程中能自由胀径的所谓“移动卷筒”，即卷筒在工作过程中所产生径向位移。由于卷筒的胀径，其结果使带材卷层间产生相对滑动，出现摩擦力。到目前为止，所有卷筒径向压力计算公式，都没有计及带材卷层间摩擦的影响。实验证实带卷是各向异性弹性体。也就是说带卷的径向弹性模量与切向弹性模量是不同的。有人曾用各向异性弹性力学方法来处理，由于径向弹性模量是变量，其结果求解相当复杂，不便于工程计算。此外，径向弹性模量的变化规律，尚缺乏足够的实验数据加以确定。蒋昭按各向异性体来考虑的计算公式，由于缺乏足够的实验数据，在使用上有很大的局限性。他把径向弹性模量称之为压缩系数，引入系数，E为带卷材料的弹性模量。他还建议取=7-10。经过分析=7与取=10计算结果两者相差很大。这种方法虽然考虑各向异性，但还不能得到满意的结果。我们把带卷作为连续组合圆筒，对每层所写出的平衡方程，显然是各向异性的。4.5.2.2卷筒当量半径的确定卷筒当量半径对卷筒径向压力的影响，目前缺乏应有的重视。不论是四棱锥式卷筒，还是扇形块式卷筒，都不是厚壁卷筒。在计算卷筒径向压力时，往往把卷筒当做弹性厚壁圆筒来考虑。就是所谓的“当量卷筒”。当量卷筒的外半径，就是卷筒外半径，其内半径就是卷筒当量半径。的数值选取对径向压力影响很大。有时取大一些，即当量卷筒薄一些。反之会使卷筒径向压力减少。这是由于卷筒本身承受压力以后，产生一定的径向压缩变形。薄壁变形值大，使卷筒与带卷内径松脱接触，从而使径向压力不再增加。实际上卷筒径向压力有某一最大极限值。若采取可控胀缩卷筒时，采用控制胀缩缸的供油压力可达到控制卷筒缩径量，从而达到控制卷筒径向压力。到目前为止，大多数当量半径按某些推荐值选取。对于扇形块式卷筒，建议取扇形块最薄处半径为当量半径是比较适合的。对于四棱锥式卷筒，则应按照下述弹性变形等效条件导出。图4-4 弓形块受力图1-弓形块，2-棱锥轴四棱锥式卷筒，由棱锥轴2与四个弓形块1组成。某一弓形块受力如图所示。某一弓形块单位宽度上的平衡条件为式中 2A 棱锥轴横断面边长的平均值。上式表明，半径为卷筒上作用者径向压力，与半径为的圆形棱锥轴上作用着压力相等。这样棱锥轴可以看成是受外压，半径为 的实心圆筒，即实心圆轴。由拉美方程可知，对于实心圆筒，径向压力应与切向应力处处相等，且等于。由上式可知，其外表面径向压缩变形即弹性位移为：式中 E、v为卷筒棱锥轴的弹性模量和泊桑比，其值一般与卷筒 的弓形块相同。由于 ，所以 对弓形块外表面径向压缩弹性变形微分为由上述可知，半径r处的径向压力 ，则 ，则上式变为：两边取积分，即卷筒外表面总的径向压缩弹性变形为 若把卷筒看成受外压、外半径为、内半径为的弹性厚壁圆筒，并取压缩变形为负号。则可得卷筒外表面的径向压缩变形值u为按弹性变形等效条件，即 令 ，则所以已知式中，A=160mm,代入上式可求=60.668mm4.5.2.3卷筒径向压力公式的推导按上述连续带环多层组合弹性圆筒观点出发，考虑卷层间的摩擦力影响，导出卷筒径向压力计算公式。自动缩径卷筒径向压力可按此推出经验公式推导式中 带材层间摩擦系数。对于冷轧带钢推荐下列取值： 表面有油或乳化液润滑时，=0.1 表面有少量乳化液时，=0.12 表面无油或乳化液时，=0.15 K卷筒的压力系数缩径状态工作时其中，c为卷筒刚性系数，对于四棱锥卷筒，可根据带材的单位张力由图查处。当棱锥角为15度时，推荐c的取值为1.45-1.6。缩径状态的卷筒压力可作为胀缩缸平衡力计算的依据。自缩工作时此时： 取=0.12，c=1.5,代入上式，可得可求得 所以，卷筒的径向压力为11.8MPa4.6 液压缸行程的计算卷筒的胀缩由轴向液压缸来完成。由图4-5所示为卷筒胀缩量与胀缩液压缸位移H之间的关系。图4-5胀缩量与液压缸位移H之间关系卷筒胀径直径为，即式中 L弓形块的弧长； G两弓形块之间间隙距离。卷筒缩径直径为以代入，得卷筒的胀缩量为棱锥轴轴向位移H与径向位移x之间有下列关系即。所以上式变为式中，为斜楔滑块的倾斜角，一般取值为=7-8。这里取=8。所以可求得H=197.5mm。考虑到胀径需求以及胀缩缸的传动间隙和压力有的可压缩性，所以应保留一定的行程余量，故取H=200mm。第5章 卷筒与主轴的校核 第5章 卷筒及主轴的校核5.1轴的强度校核轴上受力如图5.1（）所示。计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的梁，轴上零件传来的力，通常作为集中力，其作用点取为零件轮廓宽度的中点。轴上扭矩则从轮毂宽度的中点算起。轴上支撑反力的作用点，根据轴承的类型和组合确定。如果作用在轴上的各载荷不再同一平面内，可分解到个相互垂直的平面上，然后分别求出这个平面内的弯矩，再按矢量法求的合成弯矩。轴承受的弯矩20009.80.4027879.2轴传递的转矩9550000p/n2.29550000125168.08齿轮圆周力2168.080.241400N 齿轮径向力14000.364510N（）在水平平面内的支反力（图5.1（）由得5102890因此288N；510-288=222N齿轮的作用力在水平平面的弯矩（图5.1（）2882220.28864（）在垂直平面内的支反力（图5.1（）(512-288) 512616N2885120.561400=784N齿轮的作用力在水平平面的弯矩（图5.1（）2886160.288177（）由于负载的作用，在支点和处的支反力（图5.1（）由得51240215389N；15389+19600=34989N 由于负载的作用而产生的弯矩图如图5.1（）所示：0.4027879.2图5.1轴所受载荷根据轴的结构尺寸及弯矩图，截面处的弯矩较大，且有轴承配合引起的应力集中，因此，处是危险截面。现对其进行强度校核。由于该减速机轴的传动，弯矩引起对称循环的弯应力，而转矩引起的为脉动循环的剪应力。抗弯断面系数1.4弯曲应力幅56.3所以，轴的校核通过。5.2卷筒的强度校核在进行卷筒的强度校核时，把卷筒看成是之手外压力，外径为，内径为的弹性厚壁圆筒。还要假定轴向无约束。此时，卷筒外表面的应力值应为按照第三强度理论，写出卷筒的强度条件为同理可求出卷筒内表面（即）的卷筒强度条件为对于钢制卷筒，其许用应力建议取值为600-800。已知=60mm，=255mm,=11.8MPa，所以可求得卷筒外表面卷筒内表面卷筒内外表面的应力值均小于，所以卷筒通过强度校核。第5章 卷筒与主轴的校核 结论在毕业设计即将结束的时候，我深深的感到自己所学知识的不足。通过这次的毕业设计设计，我对大学四年所学知识有了一个全面的检查。我这次设计的题目是冷轧机组开卷机设计，通过对于开卷机的设计、计算、受力分析等工作，使我对自己所学知识有了更深的了解和掌握。设计中难免遇到很多自己不明白的问题，通过老师的指导和个人的一些努力弄懂了一些问题，对于高深的问题还有代于工作中进一步去解决。在这次毕业设计中，我得到了指导老师的引导和督促，同学的帮助、积极心态的熏陶，才促成了设计论文的顺利完成。通过这次毕业设计我学到了很多知识，同时也使我认识到自己的不足，我会再接再励。参考文献 参考文献1 王守城,客一鸣.液压与气压传动.北京:北京大学出版社,2008:1-22 许石民,孙登月.板带材生产工艺及设备. 北京:冶金工业出版社, 2008.8:2192303 周国盈.带钢精整设备.北京:机械工业出版社,1979.9:22234 李海.关于开卷机筒设计的初步研讨.重型机械,1979:30355 S. 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Vieregge, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, Materials Science and Engineering , 2000.280:3749.致谢致谢在这次设计过程中，得到了指导老师王东城导师热忱细心的指导和帮助。从给我们布置设计任务，提供设计材料，讲解设计思想等教学过程中，我体会到了他作为人师的强烈责任心和作为一个前辈对一个学生的关爱之情。这次设计能够完成于王老师的帮助和教诲是不可分割的，在其间他那种对学生毫无保留，无私而又尽心的教学态度令我感动不已，也作为我完成设计工作的动力。在设计过程中，我们轧钢专业的其他老师也给予了我很大帮助，他们的指导予倾囊相授是我们完成这次设计的前提，在此，我对所有参与毕业设计指导的老师表示诚心的感谢。附录一 附录1开题报告一、综述本课题国内外研究动态，说明选题