卡罗塞尔卷取机结构和参数分析及仿真.pdf

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，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 coiler 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 parameters 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 mechanism 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.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 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 segment,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 method.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、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 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 control 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 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)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。8 第1章结论(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口叫其与传统工艺相比，成本下降20%,节约能源50%,投资减少30%,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60%；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口叫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1420、1550酸洗冷连轧机 组、鞍钢1780酸洗冷连轧机组和马钢1700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、卷筒、旋转机构、锁定系统 及活动支承的结构形式。Q)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Pro/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Marc 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。10第2章卞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2A卡罗塞尔卷取机主传动系统分析卡罗塞尔(Canousel)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口叱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口刀】,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21卷取机双卷筒及其传动系统结构Fig.24The structure of double-mandrel and its drive system of Carrousel coiler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11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22、外支撑和压力辐组成。图22卷取机大转盘及其传动系统结构Fig.2-2 The structure of rotary disk and its drive system of Carrousel coiler卷筒在卸卷位置由外支撑提供辅助支撑，卷筒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m&L卷取机结构示意见图23。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 辐压下，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 处的卷取机压辑压下，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，卷取机压辐抬起，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，从卷简上卸下带卷，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，便带材 卷在卷筒上。带材在卷筒上缠绕37圈后，助卷器、穿带装置降下，飞剪前12第2章.卡罗塞尔卷取机主机结构分析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；5一卷筒 图23卡罗塞尔卷取机结构示意图Fig.2-3 Structural diagrammatic sketch of Carrousel coiler当两个卷筒更换位置时，需要大转盘顺时针旋转180。，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磔2支卡罗塞尔卷取机的卷取工艺过程如图24所示。图24卡罗塞尔卷取机卷取过程.Fig.2-4 Batching process of Carrousel coiler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24(a)所示；卷筒处于胀径状态，在助卷器的助卷下卷取，进入稳13痣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24(b)所示,将1号位置的卷筒在卷取状 态下转至号位置，继续进行卷取，如图21(c)所示，同时2号位置上的卷筒 转到1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24(d)所示；2号位置上带卷在三个压程作用下将甩尾带钢卷 好,然后卸卷，如图2M(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25所示。图25卡罗塞尔卷取机传动示意图Fig.2-5 Drive schematic diagram of Carrousel coiler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】一减速箱一连轴器2一空心长轴一连轴器3齿轮1 一环形齿轮2一齿抡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.14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所示R叫表21卡罗塞尔卷取机传动齿轮参数规格Table2-1 Gear specification of the Carrousel coiler应用转盘转动卡罗塞尔主体标号123456齿轮形式直齿轮变位直齿轮,-直齿轮.齿在(mm)56.254556.25模数(mm)2520 25 二压力角20252，齿数3816227576531节圆直径(mm)950405054011401625775中心距(nun)2500 一1200齿宽(mm)210270270传动比4.262.110.48转速(rpm)17.054.00217.2/748.9102.9/364.7102.9/364.7215.9/743.8功率(kw)14024502450侧隙(pm)480560432480480432精度等级66622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.卷筒轴为可控胀站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。此种结构的卷简棱锥轴截面大，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27所示。卷筒胀径和缩径由卷筒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.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15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。当带卷达到目标重量时，液压缸反向给油，拉杆回归到原始 位置，卷筒处于缩径状态。1 一棱锥轴；2一扇形板,3一楔块；4一拉杆,，一旋转胀缩缸 图24卡罗塞尔卷取机卷筒结构示意图Fig.2-6 Structure diagrammatic sketch of Carrousel coiler1 一棱锥轴；2一机架；3-拉杆;4-楔块$5-扇形板 图27卷筒剖面示意图Fig.2-7 Section diagrammatic sketch of the mandrel16第2章卡罗塞尔卷取机主机结构分析23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28所示。减 速箱采用二级减速形式，齿轮为斜齿圆柱齿轮.，1 一齿轮13 2一齿轮2,3一齿轮3；4一齿轮4，图28卷取机齿轮减速箱结构Fig.2-8 Gear reducer structure of Carrousel coiler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：燕山大学工学硕士学位论文结构得到优化，保证扭矩传递。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22减速箱传动齿轮参数规格Tab)e2-2 Gear specification of the front reducer标号1234形式斜齿圆1住齿轮齿高(mm)3656.25模数(mm)1625压力角25。齿数26422531螺旋角1102s35”11。4525”节圆直径(mm)424.412685.588638.393791,607传动比1.621.24转速(rpm)435/1500269/929217/749材料联素钢热处理渗催淬火精度等级6硬度Hs:7a75功率(kW)24502.5 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。圆盘的后端面连接一个大直径 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口叫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,18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180。，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29所示)。1一液压缸 2一升降托架：3一卷筒图29活动支承结构示意图Fig.2-9 Structure diagrammatic sketch of the expansion bearing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)卡罗塞尔卷取机压垠张力卷取机压根安装在卡罗塞尔卷取机卷筒 附近，压住带钢的尾部。上下轮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，压短在钢卷小车从卷筒上取出钢卷之前松19燕山大学工学硕士学位论文开(2)助卷器 现代化的冷连轧机带钢出口最高速度已达40m/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相上。一个轻子装在前枢轴臂上，两个辐子装在 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。另外两个轻 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 任何辘子。(3)安全罩安全罩设计为整体式，覆盖轧机机架出口侧到卡罗塞尔卷 取机以及压辑。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 两个卷筒交替工作，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筒装在一个 大转盘上，设备投资小，占地面积少，降低了投资.20第2章 卡罗塞尔卷取机主机结构分析(2)易于薄带卷取 采用两自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。21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3A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 径与卷筒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程中动态因素对卷取机功率 及张力的影响口叫3.1.1卷取功率的计算卷取机电机功率由卷筒负载力矩决定.负载力矩包括静力矩与动力矩。3.