冷轧带钢卷取机设计

本科毕业设计（论文）通过答辩1摘 要卷取机是冷轧带钢生产的重要设备，将轧制的很长的带钢卷成钢卷，有利于生产、运输和储存。近年来，冷轧机向高速度、大卷重、自动化方向发展，在卷取机结构上也做了较大的改进。大张力卷取机要求卷筒强度高，刚度大、带钳口，采用四棱锥卷筒；高速卷取机要求卷筒胀开后外径为一整圆，四棱锥结构卷筒的扇形板对称，动平衡性能好，卷筒飞轮力矩小，棱锥强度高，扇形板刚度大，卷筒可以整体更换，完全适应高速连轧机的卷取要求。为了满足现代化生产的需要，本次设计的这种新型的带材卷取机，在结构上采用机械钳口的卷筒，卷筒由四块扇形板组成，在扇形板上设有钳口，用于夹紧带钢。当卷取结束时，通过液压缸推动棱锥轴移动，扇形板收缩卸下带卷。在设计过程中对卷筒的径向压力进行了精确的计算，并对卷筒强度进行了准确校核。同时，还对卷筒胀缩机构的液压缸和钳口等部件进行了详细的受力分析和相关计算，最后还对卷取机在使用过程中应注意的问题进行了详细的论述。关键词：空心轴、棱锥轴、扇形板、钳口本科毕业设计（论文）通过答辩2ABSTRACTThe coiler is the important equipment in cold-strip steel production.It is advantageous in the production, the transportation and the storage to be rolling in a long strip. In recent years, the cold-rolling mill to the high-speed, re-Large, automated way, the structure of the coiler has done a great improvement. The tension coiler request the reel have a high strength, stiffness. The big tensity coiler request the reel have a high intensity, a big rigidity,with a mouth of the tongs, uses four pyramid reels on the rolling. The outer diameter must be form an entire circle when the high speed coiler open the roll.The configuration of the four pyramid reels will be symmetrically, the transient equilibrium performance is good,the flywheel torque of the reel is small,the intensity of the pyramid shaft is high, the stiffness of the sector plates is big,the reel may be overall replacement, adapt the high speed rolling mill to roll.In order to meet the needs of modern production, I design this kind of new strip coiler. Uses the mechanical mouth of the tongs in the reel structure. The reel is composed of four sector plates.The mouth of the tongs in the sector plates is used to clamping the strip. At the end of the coiling, the hydraulic cylinder promotes the pyramid shaft migration, the mouth of the tongs will be shrink, the quadrant contraction to unload the reel. In the design process make an accurately count to the radial pressure. To verify the intensity of the reel by rule and line. Contemporary, analyzed the presse and relatively count for the shrank parts and hydraulic cylinder. The end of the design discuss the questions which should be pay attention in the use process. Key words: hollow shaft,pyramid shaft,sector plates,mouth of the tongs本科毕业设计（论文）通过答辩3目 录前 言 1第 1 章 卷取机简介 2第 2 章 冷轧带钢卷取机52.1 冷轧带钢卷取机的工作特点与类型 52.2 冷带钢卷取的工艺特点 52.3 冷带钢卷取机的结构 7第 3 章 卷筒式卷取机设计133.1 卷筒结构形式的选择133.2 主要参数的确定143.3 卷筒径向压力计算173.4 卷筒强度条件203.5 卷筒胀缩机构受力分析213.6 卷筒钳口液压缸夹紧力计算263.7 轴向胀缩液压缸行程计算28第 4 章 卷取机使用过程中应注意的问题 30第 5 章 减速器设计315.1 初步确定减速器结构和零部件类型315.2 分配减速器的各级传动比315.3 计算传动装置的运动和动力参数31第 6 章 空心轴的校核336.1 按扭转强度条件计算336.2 按弯扭合成强度条件计算346.3 精确校核轴的疲劳强度376.4 静强度安全系数校核40本科毕业设计（论文）通过答辩4第 7 章 键的校核41结论42参考文献43致谢44附件一45附件二53附件三59附件四64附录68本科毕业设计（论文）通过答辩5前 言随着国家四化建设的发展，国民经济各部门对板、带材的需要愈来愈大，对产品的质量要求也愈来愈高。板、带材的生产在整个轧材生产中所占的比重日趋增大。近年来板、带轧制设备有了新的发展。连轧技术日益完善，轧制速度不断提高，卷重显著增大，产品品种越来越多，机械化、自动化程度大大提高，新设备和新结构不断出现。除了直接引进国外新的技术设备外，目前国内许多轧钢设备也将不断采用新技术改造、革新、挖掘，进一步提高设备生产能力，为了适应当前技术发展的需要，在参考相关资料汲取他人相关经验，并且在济钢参观实习的基础上，我们设计了这种新的带材卷取机。本说明书在参考大量参考资料的基础上编写，书中详尽的论述了卷取机的类型，如实心卷筒式、四棱锥式、八棱锥式、四斜楔式、弓形块式等结构；卷取机的发展情况：早期卷取机卷筒大部分采用实心卷筒，随着大张力轧制的发展，采用可控胀缩卷筒的卷取机，为了克服实心卷筒卸卷困难的缺点设计了四棱锥卷筒，另外还设计了四棱锥加镶条的结构（即八棱锥卷取机）；重点反映了近年来卷取机的新结构扇形块式卷取机；介绍了一些新的计算理论和计算方法，如著名的英格利斯公式及卷筒当量半径的确定；较系统的总结了国内各设计研究单位和制造厂设计板、带卷取机的实践经验，特别是液压传动系统在新式卷取机中的应用。本设计的主要参数如下：卷取速度：0.43.5m/s 钢卷重量：6.3t钢卷内径：500mm 钢卷外径：1500mm带钢宽度：300520mm 带钢厚度：0.21.25mm张应力：610 2/mKg本科毕业设计（论文）通过答辩6第 1 章 卷取机简介卷取机的用途是收集超长轧件，将其卷取成卷以便储存和运输。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。在近代的轧钢生产中，采用连扎方式是提高生产率的重要措施，连轧出的产品要由卷取机卷绕成卷。此外，不可逆式单机座钢板（带钢）轧机及小型型钢和线材轧机中，轧出来的轧件往往长达数十米甚至更长。为了适应生产，运输，储存及用户等的需要，必须要用卷取机绕成卷。卷取机是成卷轧制的主轧线中必不可少的设备，生产实践说明，保证卷取机顺利工作对提高轧机的生产效率有很重要的意义。卷取机也用于热带钢平整机组和纵切机组。在现代化的冷轧车间，卷取机还普遍用于剪切、酸洗、修磨抛光、热处理、镀锡、镀锌、涂层等辅助机组中。卷取机类型很多，按其用途可分为：（1）热带钢卷取机;(2)冷带钢卷取机；（3）小型型钢与线材卷取机。按其结构则可分为卷筒式卷取机和无卷筒式卷取机两种。图 11 卷取机在彩板厂镀锌线出口段的应用本科毕业设计（论文）通过答辩7当前开发研制出的几种新式卷取机：某公司开发的一种新型卷取带材的卷取机卷筒。它由心轴和卷筒构成,在空心轴内插配有锥形轴，空心轴与锥形轴在轴向和径向分别呈动配合和定配合。锥形轴的大端伸出在空心轴的一端之外，该伸出端的外圆周向均布有若干轴向滑块。轴向滑块之外对应地设置有弧形筒板，弧形筒板的内表面上有轴向滑槽，锥形轴上的轴向滑块对应地卡入轴向滑槽内并使二者间呈滑动配合。在弧形筒板和空心轴相邻一端的内圆上和外圆上分别有弧形凹槽和弧形凸台，弧形筒板借助该弧形凹槽和弧形凸台与空心轴间相配合。使用这种卷取机卷筒对轧制的板材进行卷取，单卷卷料多、适用范围宽、工作效率高、不会损坏板材。卷取机是钢铁企业必不可少的关键生产设备，其作用是保证在轧制不间断的情况下将由薄到厚较大范围内的钢卷卷起，其先进性取决于卷取钢带的厚薄和卷取速度。目前，世界上对于连续轧制具有卷取 0.8mm 超薄板的卷取机来说，只有日本 IHI 公司有最佳研制实绩。常冶厂为唐钢重大技改项目 1680mm 超薄热带工程配套制造的关键设备卷取机，就是与日本 IHI 进行技术合作生产的，整套设备高 12 米、宽 6 米、总重800 多吨，可以连续卷取厚度仅为 0.8mm、速度达 1080 米分的热轧板，一期工程年产能力 150 万吨。它是国内制造的第一套超薄带高速卷取机。其独有的先进性除卷取速度高、卷取钢带超薄外，还具有 AJC 踏步控制功能、高速穿带装置以及卷筒具有两次胀缩机构等世界领先技术，而且整个制造周期仅用 10 个月，比国外制造同类设备的时间缩短了一半。本科毕业设计（论文）通过答辩8图 12 液压卷取机图 13 新型全液压式卷取机目前比较先进的还有全液压卷取机，卷取机助卷辊采用液压缸驱动和高应答性能的自动跳越控制系统，避免在卷取开始几圈及卷取结束时助卷辊对带钢头部造成冲击，引起带钢表面缺陷。西方最新的卷取机，特别是 SMS 卷取机，夹送辊的平衡和辊缝调节，入口侧导板开口度和短行程均用液压缸驱动，提高了机械动作的快速性和稳定性。采用这种新型全液压卷取机，钢卷塔形可控制在 40 毫米以内。目前，卷取机的卷筒润滑也有了改进，采用经卷筒外支承轴承自动供干油润滑。日本、德国制造的新型卷取机，卷筒更换周期均可达到卷取 100 万吨后才予以更换。目前，新型的热轧卷取机一般主要由卷取机前的对中导板、张力辊、助卷辊、卷筒、卷取机机架及相关的附件组成，能够代表当前热轧卷取机发展趋势的是德国 SMS和日本 IHI 所采用的新技术。本科毕业设计（论文）通过答辩9第 2 章 冷轧带钢卷取机2.1 冷轧带钢卷取机的工作特点与类型卷取机是冷轧带钢生产的重要设备。将轧制的很长的冷带钢卷成卷，有利于生产，运输和储存。特别是近代冷轧生产向高速度、大卷重方向发展，卷取机的重要性更为显著。目前，冷轧生产绝大多数采用的是卷筒式卷取机。其它形式的卷取机如前边所述无卷筒式卷取机，则只用在较短的冷轧带钢生产中。在单机座可逆式冷轧机上，卷取机安装在轧机前后，而在单机座不可逆式冷连轧机上或连续式冷轧机组中，卷取机只装在轧机后面，在其它连续机组中，卷取机也装在机组最后。为了从卷筒上卸下钢卷，卷取机卷筒做成是悬臂式的。但是由于卷筒上的负荷（张力，卷重，卷筒自重及弯曲带钢和张力所引起的扭矩等）很大，为了保证卷轴的强度，和刚度，除增大卷筒轴尺寸外，一般在卷筒的自由端设置活动支撑，卷取带钢时，它支住卷筒，卸卷时，它移动到一边，不妨碍卸卷。在卷取机上还装有推卷器，以便将钢卷推卸到卸卷车上运走。冷带钢卷取机按用途可分为大张力卷取机和精整卷取机两类。大张力卷取机主要用于可逆式轧机、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、镀镀层及纵剪、重卷等生产机组。按卷筒的结构特点可分为：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，常用于轧钢线做大张力卷取。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。2.2 冷带钢卷取的工艺特点就工艺目的讲，冷、热带钢的卷取是一致的。但由于冷带钢生产的特殊性，冷带卷取机还有以下特点：本科毕业设计（论文）通过答辩10（1）张力问题。张力在冷轧过程中起着重要作用，张力轧制可以降低轧制负荷，使板型平直，提高带钢表面质量。同时带张力卷取机可以使钢卷紧密，整齐。在连轧时，张力还起到连轧关系的自动调节作用。为此，轧制冷带钢时，在保证不损伤带钢的前提下，均采用大张力轧制。根据经验，在可逆轧机上，对 24 毫米带钢，张应力（0.10.2） ；对 0.31 毫米带钢，张应力 （0.50.8） ；在连轧时0S0S张应力常取 （0.30.5） 。0S在单机可逆式轧机上，这样大的张应力是由前后卷取机实现的。在连轧机组中，各架轧机之间采用大张力轧制（其规律是总张力随带钢减薄而减小，而张应力则后几架比前几架要大些） 。在末架轧机与卷取机之间则采用小张力，这是因为连轧速度高，张力过大给卷取机设计带来很大困难；另一方面，末架轧机处带钢板型已经定型，因而可以采用小张力。在连轧机组中，卷取机张应力 （0.10.15） ，在各连续0S机组中，卷取机张力均属于小张力。（2）调速问题。在带钢卷取过程中，钢卷直径是变化的，为保证钢卷外层线速度与轧机相适应并保证张力恒定，就要求卷取机速度是可调的。其调速范围应满足轧机速度变化（在精整机组则是机组的速度变化）和卷径变化两种情况。卷取机的驱动通常采用直流电机，在恒张力范围内，根据张力计发出的讯号调整电机转速。有的卷取机采用可自动调节油压的油泵马达驱动。有的小型冷轧机采用交流电机经过恒力矩摩擦联轴器驱动卷取机卷筒达到与轧机同步的目的，但这无法保证恒张力卷取。当使用空气冷却或水冷却式的启动摩擦联轴器时，随卷径变化调整空气压力，则可实现恒张力卷取，且设备简单投资少。近年来由于冷连轧机速度不断提高，为了减小启动，制动时间和增加调速的灵敏性，在大型冷连轧机组中趋向采用直流电机直接传动卷筒（取消减速机构）并选用小飞轮力矩的双电枢或多电枢电机。（3）卷取机的边缘控制。在各连续机组中带钢由于各种原因，在行进中会产生左右偏斜（通称跑偏） 。为使卷取的钢卷边缘整齐，在卷取机上常设置边缘控制（也称跑偏控制）机构。最常用的是光电式或压缩空气式带钢边缘信号发生器，通常随动阀驱动卷取机上的移动液压缸，使卷取机整体在滑座上根据带钢偏斜程度左右移动以保证钢卷边缘整齐。在主轧机组上，由于轧机本身不允许带钢跑偏，且轧机与卷取机距离短，所以不本科毕业设计（论文）通过答辩11设置边缘控制机构。此外，在精整机组的卷取机上一般均装设制动器，以保证发生断带事故时卷取机能够及时制动，带卷不致继续松开。而在轧机的卷取机上，由于卷取机与轧机的电气控制是统一的，故一般均不设置制动器。2.3 冷带钢卷取机的结构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。表 21 列出了某些规格卷取机的技术性能。卷筒式卷取机一般是由卷筒，传动装置，压紧辊，活动支承和推卷机等部件组成。压紧辊是在卷取终了时，用来将带钢尾部压住，防止松卷以便捆扎。卷筒式卷取机按卷筒结构不同，可分为实心卷筒卷取机，弓形块卷筒卷取机，扇形快卷筒卷取机三种类型。本科毕业设计（论文）通过答辩122.3.1 实心卷筒卷取机早期卷取机卷筒大部分采用实心卷筒，这种卷筒结构简单，并能承受较大的轧制张力，因此，到目前为止有时还用到它。但实心卷筒不便于上卷和卸卷。因此还必须设有倒卷机和重卷机组等辅助设施。随着大张力轧制的发展，张力越来越大，显然，这种实心卷筒已不能满足生产要求。近年来，在大张力轧制线上则采用可控胀缩卷筒的卷取机。这种可控胀缩卷筒实际使用表明，只要调整旋转液压缸的供油压力，就可以控制卷筒径向压力和调节卷筒收缩量。这种卷取机已用于大张力卷径卷取，实际表明效果良好。实心卷筒卷取机的卷筒是实心圆柱型，这种卷取机的优点是结构简单，卷筒具有很大的强度和刚度，用于卷取薄带钢或单位张力很大，钢卷很重的可逆式冷轧带钢轧机上轧制的带钢。缺点是卷筒直径不能胀缩，为了卸卷则要增设一台可胀缩卷筒的重卷机，当轧制终了时，带钢从实心卷筒往重卷机上重卷并卸卷。在一些小型冷轧机上，带钢重量较轻，卸卷时只需要将卷筒反转，便可以由人工取下带钢卷。实心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。2.3.2 四棱锥卷取机为了克服实心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，可承受较大张力（可达 400600KN） ，常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组卷取机。卷筒的棱锥轴有正锥式和倒锥式。图 21 为 1180 二十辊轧机的正锥式四棱锥卷取机卷筒。主要由棱锥轴、扇形块、钳口及胀缩缸等组成，结构比较简单。四棱锥卷筒为开式卷筒，卷筒胀开时，扇形块间有间隙。因此，卷筒胀缩量不宜过大，否则扇形块之间缝隙过大，卷取时会压伤内层带卷。卷筒为悬壁结构，外端设有活动支撑。卷筒上设置钳口，钳口由 6 个 的柱塞缸夹紧，而当弹簧松开钳口m45开度为 5mm。卷筒棱锥轴锥角为 ，正常润滑条件下它大于摩擦角，性能上属于自7本科毕业设计（论文）通过答辩13动缩径卷筒。卷筒的薄若环节是扇形快的尾钩，尾钩在棱锥轴向分力的作用下会产生很高的弯曲和剪切应力，易于疲劳损坏。同时，正锥结构使主轴和胀缩缸的连接螺栓处于不利的受力状态。新设计的四棱锥卷取机采用倒锥式，显著地改善了上述零件的受力情况，扇形块结构也得以简化。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。2.3.3 八棱锥卷取机近年来，冷连轧机向高速、大卷重、自动化的方向发展。为了保证钢卷质量，在卷取机结构上也做了较大的改进：首先，为减小卷取机的转动惯量以改善卷取机启动、制动、调速的性能，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（即八棱锥式） ，卷筒胀开时是个完整的圆柱体。图 22 为 1700 冷连轧八棱锥卷取机，它由卷筒、胀缩缸、机架、齿形联轴器、底座、卸卷器等组成。卷取机卷筒有 和 两种规格，采取整机更换的快m4501速更换卷筒方式。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 通过本科毕业设计（论文）通过答辩14杠杆拨叉 13 推动两个斜块 12 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 11，使花键轴 6 和拉杆 4 右移（棱锥轴靠轴承支承与机架上不能左右移动） 。因此，拉杆带动头套 20 使扇形块 2 及镶条 10 相对棱锥轴右移胀径。缩径时，油缸通过杠杆拨叉将斜楔拔出。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的弹簧 1 中的压缩变形能复位，使卷筒收缩。为提高卷取机刚度，卷筒设有活动支承。八棱锥卷筒除棱锥强度高，扇形块刚度大以外，还具有以下特点：当卷筒胀开后，胀缩连杆 6 压在凸块的顶平面上定位并自锁，卷取时胀缩缸不承受工作负荷。扇形块本科毕业设计（论文）通过答辩15斜楔角为 12，镶条斜楔角为 ，扇形块与镶条在胀缩运动中互不干扰，但各15346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，但缩径控制不是靠胀缩缸而是靠压缩环形弹簧 11 而实现的。由于胀缩缸避开卷筒轴线位置，其传动采用了电机直接驱动的方式。传动系统具有较小的转动惯量。同时也必须指出，此种卷筒结构比较复杂，加工精度要求很高，且其卷筒刚度无法按工艺要求调整。2.3.4 四斜楔卷取机图 23 为 1420 四斜楔卷取机的卷筒，它由主轴、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移动，外斜楔支持扇形块的两翼，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。卷取薄带钢时不会产生压痕。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两翼，卷筒强度和刚度都有削弱，适用于张力不大的平整机组和精整作业线。2.3.5 弓形块卷取机此类卷取机卷筒直径能够胀缩，钳口能夹紧和松开。夹紧带钢头部和卸卷均较方便。但由于弓形块刚性较弱，故这种卷取机多采用在剪切，酸洗，热处理及涂层机组。在一些较早设计的主轧机上边也采用这种卷取机。本科毕业设计（论文）通过答辩16弓形块卷筒按其胀缩机构的类型可分为凸轮式，斜楔式和径向活塞式等。凸轮式结构复杂，拆装维修不便，当卷曲张力较大时，卷筒会因为径向压力过大而卡死，不能收缩，有时甚至损坏零件。目前新设计的卷取机均不采用这种结构。弓形块卷筒结构如图 24 所示，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 57 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。活塞缸和弓形块上都有蝶形弹簧，用来收缩弓形块和放松钳口。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，其柱塞由胀缩缸活塞杆推动。当压力油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 25 兆帕。卸卷时，胀缩缸反向移动，增压缸内油压降低，借蝶形弹簧的作用，使钳口松开，弓形块收缩。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。由此可保持增压缸内油压的正常水平。弓形块式卷筒的主要缺点是卷筒的结构不对称，质量分布不均衡，因此不能在高速，大负荷下运转。为此这种卷筒多用在冷轧车间的精整机组中，而在高速大负荷条本科毕业设计（论文）通过答辩17件下，多采用扇形块式卷取机。第 3 章 卷筒式卷取机设计卷筒式卷取机的设计，除按一般机械设计程序进行机构和强度计算外，尚有几个与工艺及操作有关的特殊问题，如结构的选择，主要参数的确定，卷筒压力的计算等 。3.1 卷筒结构形式的选择卷取机机座有浮动式和固定式两种。浮动式机座用于带钢的精整机组、重卷机组的卷取机。在卷取过程中通过边缘控制装置对带钢边缘进行监视，操纵机座移动油缸使卷取机浮动，保持带钢在卷筒上卷的整齐。固定式机座用于轧机卷取机和其它可以不装设带钢边缘控制装置的卷取机。近年来，由于对卷筒结构的选择，有些国家已放弃实心卷筒而开始使用四棱锥可控制刚度的卷筒直接卷取。如前所述，这种卷筒在卷取过程中随着径向压力的增加有微量的自动缩径，从而在不影响张力的前提下，大大减少了带钢对卷筒的径向压力。在四辊可逆式轧机上，过去曾用凸轮式和斜楔弓形块式卷筒。凸轮式卷筒常因径向压力过大，凸轮变形，无法缩径和卸卷。斜楔式卷筒主要是空心轴加工困难，且弓形块式卷筒刚度较差，故近年来新的设计普遍使用四棱锥扇形块式卷筒。这种结构强度大，刚性好，工作可靠。但在设计可控刚度卷筒时，由于张力大，应使卷筒的刚性较小，以防止卷筒所受径向压力过高和胀缩缸直径过大。卷筒的胀缩是卸卷的需要，卷取时卷取机卷筒胀开，卸卷时卷筒收缩，卷筒为悬臂式，卷取宽带钢，张力大、带卷重量大，在卷筒的悬臂端设置活动支承，以改善卷筒主轴的负载性质，提高卷筒的强度和刚度。胀缩卷筒分为开式和闭式两种，闭式卷筒胀开后表面不产生缝隙，对于较薄带钢不会产生压痕，并可以降低胀缩油缸的作用力，从而减小油缸尺寸。近年来多采用闭式。本科毕业设计（论文）通过答辩18鉴于轧机的卷取张力越来越大，除在卷筒结构方面加以改进外，为改善卷筒的工作条件，对卷筒径向压力加以限制，从而大张力卷取机卷筒并可采用胀缩式的四棱锥卷筒。卷筒径向压力的限制，通过限制胀缩油缸液压回路的工作压力来实现。当卷筒的径向压力随着卷取带钢层数的增加而加大到某一定值时，即超过胀缩油缸的胀紧力，则液压回路中的溢流阀溢流，油缸活塞后退，卷筒产生微量的缩径，同时棱锥轴在新的条件下平衡，从而限制卷筒压力的增长。3.2 主要参数的确定卷取机的主要参数包括卷筒主要尺寸（直径与长度） 、传动功率与传动比。3.2.1 卷筒直径与卷筒长度 确定卷筒直径的原则是在卷取过程中带钢产生不大的塑性变形，同时还要保证主要零件有足够的强度和刚度。因此，卷筒直径与带钢尺寸及机械性能、卷取时的张应力水平、钢卷重量等因素有关。在一般情况下，当卷取的带钢厚度与宽度较大、张应力水平与带钢屈服极限较高时，卷筒直径应选大些，反之，应选小些。在实际设计时往往是考虑上述因素，参考国内外实际使用的情况选定卷筒直径，再进行验算。当需卷取的带钢厚度相差悬殊时，应采用两种卷筒直径。这时，在结构上要做到能够快速更换卷筒。本设计选取卷筒直径为 500 毫米，卷筒长度为 720 毫米。3.2.2 卷取机传动功率计算 驱动卷取机卷筒的功率可用下式计算：KW （31）1)(321RVMN式中， 卷取时带钢在卷筒上弯曲变形所消耗的力矩，在实际计算中常取 等1M 1M于塑性弯曲力矩，即 ；SS1带钢的屈服极限；S本科毕业设计（论文）通过答辩19塑性断面系数，等于两倍的轧件半断面的面积矩，对于矩形断面S；42bh带钢宽度；b带钢厚度；h形成带钢所需的力矩， ；2MTRM2带钢张力，它等于带钢断面积与单位张力的乘积，在设计时带钢张力一T般都是预先给定的；钢卷半径（在始卷时等于卷筒半径，在终卷时等于钢卷半径） ；R卷筒轴上轴承的总摩擦力矩（卷筒自重及钢卷重量产生的力也应考虑在3M内） ， ；P32dP作用在卷筒轴承上的支反力；卷筒上轴承的直径；D卷筒上轴承处的摩擦系数；卷取速度；V传动效率。张力力矩在总力矩中是主要的，弯曲力矩和摩擦力矩所占的比例极小，在初选电动机功率时，可近似按下式计算：=300KW （32）102TVkN8.012537.式中， 系数， =1.11.2,取 =1.1；k卷取最大张力， =7000 ；TTN对应于张力 时的卷取最大速度；V传动效率，一般取 0.850.9。选择 Z4-355-32 直流电动机 ，额定功率 P=315KW,额定电压为 440V,额定电流12本科毕业设计（论文）通过答辩20为 789A,效率为 89.5%，额定转速为 500 转/分，飞轮矩 J=520 。2mN直流电机具有以下优点 ：12（1）优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，转速比可达 1：200；（2）过载能力大，轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额定转矩的 2.5 倍以上，特殊要求的可达到 10 倍以上，并能在低速下连续输出较大转矩；（3）能承受频繁的冲击性负载；（4）可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；（5）能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运算要求。根据计算出的功率,选择出电动机型号后，尚需确定减速器传动比，以及进行力矩条件校核。3.2.3 减速器传动比的选择由电动机直接驱动卷筒的卷取机，没有传动比的选择问题。但在确定电动机型号时，应对电动机的转速范围进行校核，看能否满足卷取机转速变化范围。当电动机通过减速器驱动时，减速器传动比的选择应考虑两个因素：第一，为了保证恒张力卷取，卷取的线速度应保持恒定（和最后一架精轧机或机组引料辊的线速度一致） 。但在卷取过程中卷径是不断增大的，要保持线速度不变就应在卷取过程中不断减小卷筒转速，这需要一个调速范围。第二，根据工艺要求，机组的速度需要调整，也需要一个调速范围。因此，传动比的选择问题实际上就是如何确定卷筒的基本转速问题。目前，大多数卷取机的速度调整方法是：用调节卷取机电动机的电压来改变电动机转速使卷取机速度适应机组速度的变化，即从电动机的额定转速 往下调。而卷径ern变化所需的速度调节用调激磁方法来调节，即从 往上调。因此，最大的机组速度ern和最大卷径 所对应的电动机转速应是额定转速 ，同时电机的调速范围（调maxVmaxDer激磁）应满足下式： （33）0.351axern0.351maxdD式中， , 电动机的最大转速和额定转速；maxr本科毕业设计（论文）通过答辩21， 钢卷最大外径和内径。maxDd此时，减速器传动比为：（34）21.59.40neri式中， 电动机的额定转速；ern对应于最大卷径、最大机组速度时卷筒的转速；r/min；59.4.1360maxDVn传动比确定之后，应对电动机的最大传动力矩进行校核。若电动机额定力矩为： （35）5.6013950erernMmN/则传动比应满足下述条件： （36）TRier式中， 最大卷取力矩 =7010000.75=52500 ；N/传动系统机械效率，一般取 0.850.90.=6016.511.210.88=59351.57iMer m/通过计算可知 ，因此，所选电机满足使用要求。r3.3 卷筒径向压力计算带张力卷取带钢时，带钢对卷筒产生径向压力，随着卷层的增加，径向压力也增高。设计卷筒时，将根据此径向压力值的大小来核验卷筒零件的强度和确定胀缩液压缸的尺寸。3.3.1 关于卷筒在卷取过程中的自动缩径在初期设计冷轧用大张力四棱锥卷筒时，棱锥面倾斜角 ，小于摩擦角，卷6筒在工作过程中，棱锥面处于自锁状态，卷筒上的径向压力几乎达到实心卷筒的程度。本科毕业设计（论文）通过答辩22从弹性力学的理论推导可知，在钢卷外径等于卷筒直径的三倍时，实心卷筒上的径向压力与带材张力相等。例如，在卷取不锈钢时，自锁的四棱锥卷筒上径向压力可达350700N/mm。在这种压力下卷筒会产生塑性变形。此外，由于棱锥面上压力过高，难于卸卷；同时，棱锥面的磨损也较快。随着生产的发展，四棱锥卷筒结构逐渐改进，棱锥角大到 ，其目的在于创7造卷筒在卷取过程中产生自动缩径的条件；实践表明：在润滑不良的情况下，仍然出现自锁现象。因此，目前新设计的大张力卷筒的棱锥角多用 730、745、8（时，胀缩缸尺寸过大） 。卷筒的胀缩缸回路采用常开式并装了溢流阀，调整溢流8阀的压力就可以控制卷筒的自动缩径量。实验表明：当卷筒自锁时，随着带材层数的增加，径向压力不断增大，但若棱锥角不自锁，则随着径向压力的增加，卷筒直径会产生微量的收缩。根据试验，这一缩径量为 0.183mm。这对降低卷筒的径向压力作用很大。这是由于卷筒缩径的同时，带材各层之间产生相对滑动的趋势，带材各层之间的摩擦阻力起着内层支持外层的作用。但应指出，带层间产生不适量的相对滑动是不允许的，因为这会损伤带材表面。因此，如控制胀缩液压缸的压力，使带材表面在无划伤的条件下，缩径量尽量大些。这时卷筒上的压力会减小很多。对于液压胀缩的卷筒，当卷筒上的压力达到一定数值后，胀缩缸推力与卷筒压力平衡，卷筒压力的波动只能在棱锥面间的动、静摩擦系数间变化。由于卷筒的缩径是逐渐的和微量的，对于带材的卷取张力基本上无影响。在一定张力、一定摩擦系数（包括棱锥面间的和带材之间的摩擦系数）条件下，卷筒的径向压力决定于胀缩缸的工作压力，亦即刚度。目前，普遍的趋势是：任何液压缸胀缩卷筒在卷取过程中都应具备自动缩径的条件。因此，胀缩卷筒产生自动缩径是正常的，而在卷取中产生自锁则是润滑条件恶化的不正常现象。3.3.2 卷筒径向压力的计算目前，关于卷筒压力的计算方法有十余种。这些公式在推导时一般都把卷筒简化为一个厚壁圆筒，考虑了圆筒受力后的弹性压缩变形与应力的关系，但没有考虑卷筒的自动缩径和卷层之间摩擦的影响。本科毕业设计（论文）通过答辩23由已知条件可知，R=750mm； =0.42250=105 ；042.r当 m（37）2/815.7KgbhT英格利斯公式 : 1= 2020rln)(当 当当 RP 58.102507ln)(. 22/mKg特列基雅柯夫公式 : 1 )(14)(200 rRdbhT 22/36.7)57(43.2.25107 mKg表 32 卷筒径向压力各计算公式比较作 者 公 式 当量半径径向压力（ ）2/mKg英格利斯 2020rln)1(当 当当 RP 042.r当 10.58特列基雅柯夫 )(14)(200 rRdbhT 0.r当 7.36梁勃采夫200ln)(bhrP12201）当当Ed 042.r当5.40蒋 昭按图表法计算，取 k=7, ,04.r当查得：N=0.23, NP0 04.r当 2.50石井英雄小鹿敏夫,查表求出 =0.610C1 042.r当 6.50本科毕业设计（论文）通过答辩24周国盈 2020 rln)1(4当 当当 RePf 042.r当 8.51梁勃采夫公式 :12 22020/4.5 5043.43.75ln43.5.1.17)1(l)(mKgrdRdbhrTP 蒋 昭 ：1 20 /5.81023.mKgNP周国盈 :12020 rln)1(4当 当当 RePf 22215.043 /51.8057l)(8. mKg3.4 卷筒强度条件我们在研究卷筒强度时，把卷筒当作只受外压 P0的弹性厚壁圆筒。厚壁圆筒的外径为 （卷筒半径） ，内径为当量半径 。并认为压缩应力为负号，则可按拉美方程求0r 当r得卷筒外侧表面（ ）的径向应力 及切向应力为 ：0rrt（38）0220P1）（ 当当rpr（39）202020r当当当当 ）（ rpt 为保证各零件有较大的安全系数，应按自锁状态下（即英格利斯）算出的卷筒径本科毕业设计（论文）通过答辩25向压力去核验卷筒强度。一般来说，卷筒轴向无约束，或者轴向有约束时，轴向应力与径向应力 、切向r应力 相比较小，可忽略。根据第三强度理论，卷筒外侧表面的强度条件为：t（310）2220 /53.41058.r mKgpt 当当合 卷筒内侧表面，即 ，可得：当 r（311）20当pt所以卷筒内侧表面的强度条件（按第三强度理论）为：（312）2220 /69.51058.r mKgpt 当合 对于钢质卷筒，卷筒的许用应力=600800 ,即 6080 。对于大2/cMPa张力冷轧卷取机，往往卷筒径向压力 值很高，按上述强度条件校验不能满足。此时，0P应降低卷筒径向压力来满足卷筒强度条件。采用控制卷筒胀缩液压缸的供油压力的办法，可降低卷筒径向压力 值。03.5 卷筒胀缩机构受力分析由卷取机构可知，卷筒胀缩是由液压缸驱动的棱锥轴与弓形块相配合的斜楔来完成的，称此为卷筒胀缩机构。按斜楔角大小的不同，卷筒可分为固定卷筒和缩径卷筒两大类。斜楔角 小于滑动摩擦面的摩擦角 （ ） ，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相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。由上述分析可知，在整体实心卷筒上能够产生与带钢卷取张应力相同的径向压缩应力。特别对于大张力卷取机往往张应力高达 3570 公斤/毫米 ，这样卷筒很容易产生塑性变形。2由此可见，采用 的“固定卷筒”是不合适的。本科毕业设计（论文）通过答辩26目前我们设计的卷筒大部分是 的“缩径卷筒” 。在卷取工作过程中卷筒压力达到一定值以后，卷筒开始收缩。此时卷筒压力 就会下降。随着卷取工作的继续0P 0P进行，径向压力 又继续增加，增加到一定值之后卷筒又收缩，一般在整个卷筒过程0P中，卷筒要进行 34 次收缩。这种卷筒受力比较有利，它可以按弹性厚壁圆筒进行强度计算。关于摩擦系数 f 的选择，主要根据实验来决定。实验证明，摩擦系数 f 与摩擦表面的压力、温度及润滑油材料种类等有关。一般说来，摩擦表面压力增加，摩擦系数减小，而温度增加，摩擦系数增大。对研磨光洁摩擦表面，有良好的润滑油脂进行润滑时，棱锥轴斜楔角 时，卷筒不会收缩，即自锁；若取 ，卷筒收缩。这6 5.7样就给出卷筒斜楔摩擦表面的摩擦系数为 0.12。由此可得设计时可建议取 78为宜。当 ，卷筒径向压力 大于斜楔摩擦表面的摩擦力和轴向胀缩液压缸推力 F0P时，斜楔产生相对运动。所以卷取机卷筒在卷取过程中会产生收缩。（1）卷取机卷取工作时卷筒收缩卷取机卷取工作时卷筒收缩，胀缩机构受力分析如图 31 所示：弓形块 1 为自由体，力平衡方程式为：0sincofNP(313)isf式中， f斜楔摩擦表面的摩擦系数,计算时可取 f=0.10.13。棱锥 2 为自由体，四个棱锥表面的总摩擦力为 4Nf,力平衡方程式如下：本科毕业设计（论文）通过答辩270sin4coNfF（314）)(sif以(313)式代入（314） ，则得：（315）sinco)(i4fPF可以认为 ，则上式变为：0sinf（316)(ta4fP）以 代入，则得胀缩机构受力为： brpArpP0022（317）)(tan24)(tan400 fbrpfF1.725)15.7t521.8 Kg（2）卸卷时卷筒缩径卷取机卷取工作完毕以后，为了卸卷，卷筒要缩径。此时，胀缩液压缸反向力使斜楔与胀径时相反方向运动。受力分析如图 32 所示：1F弓形块 1 为自由体，力平衡方程式为：0sincofNP（3isf18）棱锥 2 为自由体，力平衡方程式如下： 0cos4sin1 fNF（319）以(318)式代入（319） ，则得：本科毕业设计（论文）通过答辩28（320）sinco)(41fPF可以认为 ，则上式变为：0sifincofPN（321）)tan(41fPF以 代入，则得胀缩液压缸反向力 为：brpArpP0022 1F（3)tan(24)tan(4001 fbrpfF22） 27.1357t15.(05.821 Kg在按公式（317）确定拔出力时，取 =0.120.13。f轴向胀缩液压缸所需力 Q 的选择：胀缩液压缸应按照“顶得住，拔得出”的原则来选择。液压缸所需要的力 Q 应分别大于 F 和 。1若液压缸已选定，即 Q 值已定。反过来可决定在保证拔得出的条件下斜楔摩擦表面最大允许的摩擦系数 ：maxf（323）tan240abrpf参阅2表 132 卷取机主要技术性能，根据经验选取液压缸直径 D=280mm,活塞杆直径 d=100mm,液压缸供油压力 =20 ，然后，进行校核计算。MP液压缸产生的推力 为：Q；622 105.8.041.34DN通过计算可知， ，因此所设计的液压缸的推力能满足要求。F液压缸选定以后，可求出液压缸反向推力：本科毕业设计（论文）通过答辩29 245.07tan2501.82436tan2401max brpQf只要摩擦表面的摩擦系数值不超过上述值，卷筒就能正常工作。（3） 卷取机开卷工作时卷筒胀开：开卷工作时卷筒胀开的受力分析如图 33 所示：弓形块 1 为