卡罗塞尔卷取机结构和参数分析及仿真.pdf
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1、燕山大学硕士学位论文卡罗塞尔卷取机结构和参数分析及仿真申请学位级别:硕士 专业:机械设计及理论 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
2、,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Pro/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Marc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AbstractThe co
3、iler is very important equipment in rolling production-line,which not only influences on the output and quality of strip,but also guarantees the subsequent handlings such as pickling and coating.Canousel coiler is ultimate cold-rolled pull coiler.It is necessary to analyze the structure and paramete
4、rs of this coiler,which is beneficial fbr us to learn and rebuild foreign advanced technique and equipment If s instructional to practical production.Firstly,the operating principle of Carrousel coiler is analyzed.The structures including main drive system,mandrel,speed reducer,rotary and locking me
5、chanism and expansion bearing are illustrated detailedly.The key parameters are enumerated.The advantages of Carrousel coiler are generalized compared with other types.Secondly,the formulas of coiler*s static power and dynamic power are deduced.The influence by dynamic factors on coiler is analyzed.
6、The motion parameters and kinetic parameters,which include drive ratio,power,revolution and torque,are calculated.In addition,based on understanding the structure and parameters of Carrousel coiler adequately,the three-dimensional models are established with Pro/E.And these models are assembled to a
7、 whole body.The motion emulation is completed subsequently.The formulas of driving error,back-play error and elastic deformation,which are in the coilers main drive system,are deduced.The accuracy of Carrousel coiler is calculated accurately as well as response time.Finally,the strength-check of seg
8、ment,which is the key part of coiler,s mandrel,is done with finite element analysis software Marc.The finite element model of segment is established.The constraint conditions and boundary conditions are analyzed member by member.In the end,the stress and strain areAbstract done by finite-element met
9、hod.Keywords Carrousel coiler;Structural analysis;Parametric analysis;Accuracy analysis;Virtual prototype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叫,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、压紧辐、
10、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.1.1.1 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,八棱锥卷简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
11、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(尤其是在轧缶席业线上)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 力的严格控制口L各种生产线的卷取机张力见表1-K轧制卷取时,表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/冷带钢生产线张应力。的数值Table 1-1
12、Value of c0 of cold-strip production-line机 组可逆轧机连轧机精整机组带厚/mrn0.M1122y张应力/MPa函0.2 旬.5。0产0 1-0.25Oo0.10-0.15aa。产 51OGS(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筒,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
13、控制装置。带钢纠偏装置的工作原理如图L1所示。1 一活动机架;2一带钢;3一卷筒;4一光电元件;5一伺度控制器;6油缸图1-1卷取机纠偏控制原理图Fig.bl Schematic diagram of cut-away control of coiler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12确定.表1-2带钢纠偏速度表Table 1-2 Table of cut-away con
14、trol of strip机组速度/(mJ)11.52.5-55-1515以上纠偏速度/(ml)1015203040此外,卷取速度高(可达40m/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。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 实心卷筒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
15、卸卷需采用倒卷方法,影 响了轧机的生产能力1叫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)四棱锥卷取机 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40(M00kN),常用于多辑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12所示。由于棱锥轴的锥角为6。左右,小于相对运动表面的摩擦角,使得扇
16、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PIN 值可以达到很大,当卷筒外径是卷筒直径的三倍时,PIN接近卷取张力。值,即达到带材屈服极限的044.6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【纪图V2四棱锥卷
17、筒示意图Fig.1-2 Diagrammatic sketch of rectangular-pyramid coiler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。8。,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13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棱 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PIN值大大低于实心卷筒(或自锁卷筒)。在结构设计方面,则利用扇形 块的
18、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 一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Fig-1-3 Diagrammatic sketch of
19、expanding regular rectangular-pyramid coiler倒棱锥式卷筒结构的卷取机最早出现于一九八六年,图14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 式号取机,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,由于卷简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
20、的自由滑动的 套筒叫、可控制的胀缩卷筒式卷取机有效地降低了卷筒的负荷,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14可胀缩倒四棱锥卷筒示意图Fig.14 Diagrammatic sketch of expanding inverted rectangular-pyramid coiler5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
21、用四棱锥加 镶条的结构(即八棱锥),卷筒胀开后能成为一个完整的圆柱体但可。图15为1700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6610和0450两种规格,采 用整机更换的快速更换卷筒方式。卷简由扇形块、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 撑于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19 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
22、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。I 一碟形弹簧;2一扇形块;3一极锥轴;4 一拉杆;5轴承;6花锭轴;7-花键;8-胀缩缸;9一胀缩连杆;10一调节螺栓;”一环形弹簧;12胀缩滑套及斜块;13一杠杆拨叉;14一齿形联轴器;1S一传动轴;16一卸卷器导杆;17一卸卷器油缸;18一卸卷器推板;19 一镶条;20-义套图1-5八棱锥卷筒示意图Fig.1-5 Diagrammatic sketch of eighMevel pyramid coiler八棱锥卷筒棱锥轴强度高,扇形块刚度大。扇形块斜楔角120。,镶条 6第1章绪论斜楔
23、角16。4351,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15和齿形联轴器14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10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。一(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。.一.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
24、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3均。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57组缸体互相套
25、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6.3MPa)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25MPa。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
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