金属带材卷取理论研究与卷取轴结构的设计

1、.金属带卷取理论研究及卷取轴结构设计 第一章简介1.1 选题背景铝箔具有优良的特性，广泛应用于车辆、船舶、航空航天、建筑、房屋、包装容器、电子电气、机械制造、保温材料、装饰品及装饰商标等领域 1 。与发达国家相比，消费远远落后。根据本世纪初的统计，仅相当于世界平均水平。其中，美国原铝约为31kg/(人年)，日本28kg/(人年)，中国仅为9.1kg/(人年)；美国铝消费量为28kg/(人年)，日本19.4kg/(人年)年)，中国仅为4.6kg/(人年)。因此，我国铝加工行业的产能应该有很大的发展空间，到2011年才有14.2千克所增加。随着人们生活水平的提高，铝箔消费也将有很大的提升空间和潜力

2、。由于市场的拉动，给中国铝箔企业的发展带来了良好的机遇 2-3 近年来，世界铝的生产和应用发展迅速，从1940年的100万吨增加到2005年的3100万吨以上， 65年来铝产量增长了31倍。 2005年，全球50个国家200多家电解铝企业总产能达3636.18万吨， 2000多家铝加工企业总产能3700万吨，全球带材产量1702万吨。 ，每年增长4 % 。压制材料产量1106万吨，年增长414% ，箔材产量290万吨，年增长515% 4-5 。2010年全球铝消费量同比增长14%至4070万吨，产量同比增长10%至4120万吨。在全球前十大原铝消费国中，中国、美国和日本位居前三位。作为世界第二

3、大消费国，美国的消费量占世界总量的14%，整体呈下降趋势，5年复合增长率为-1.1% 。中国和印度是原铝消费增长最快的国家，复合增长率分别为21.6%和10.1%。原铝产量的空前增长归因于发展中地区和新兴经济体经济发展进程的快速城市化6 。经过半个多世纪的发展，特别是进入21世纪以来，随着中国经济的快速增长，铝工业也进入了高速发展阶段。 2009年铝制品产量1650.3万吨，比2008年增长15.6%。其中板带材产量约500万吨，箔材产量约170万吨，产量型材约900万吨 7 。据国际铝协统计，2010年除中国外，世界原铝产量为2429万吨，同比增长3.8%。如果算上中国的产量，2010年全球

4、原铝产量为4042万吨，同比增长6.6%。从产能分布来看，美国、日本、欧洲和中国等西方发达国家是世界主要的铝挤压生产和消费地区。 2009年，全球约有9个国家和地区生产铝型材，其中生产企业2000多家。作为铝消费增长最快的国家，中国的产能占全球总产能的50%以上。排名第一。随着全球经济增长和铝型材加工应用的不断扩大，全球铝型材加工产量从2001年的约869万吨增加到2009年的约1550万吨，年复合增长率约为7.5%。预计2012年全球铝型材加工量将达到1669万吨左右。从区域看，2001年至2009年，世界主要地区消费呈现不同趋势。中国消费比重明显上升，而北美和欧洲则呈现相对下降的趋势。截至

5、2009年，中国消费量占全球消费量的47%，而日本、欧洲和北美分别仅占6%、21%和8%。中国已成为铝型材加工的主要消费国 8 。经过60多年的发展，我国铝加工工业已成为全球最大的铝生产和消费国，并发展成为国际市场上重要的铝生产供应基地。据中国有色金属工业协会统计，到2011年，我国铝加工材产量已达2345万吨。 2005年以来，铝加工材料产量年复合增长率达到23.9%的高速增长，铝带的生产离不开卷取机。正是在这样的背景下，各铝加工企业需要能够生产出高质量铝带的先进卷取机。1.2 卷取机发展研究现状铝带冷轧带生产线，卷取机是关键设备之一。在轧制过程中与主机或其他设备共同作用，实现稳定轧制；用于

6、铝带卷成卷材，用于生产、运输和储存。在带钢热轧机（ HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/3105684.htm t _blank 热轧机）、冷轧机和 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/404186.htm t _blank 线材轧机中，安装在成品机架后；在单机架可逆冷带钢轧机中，它们安装在轧机前后。此外，它还安装在连续 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/23281.htm t _bl

7、ank 酸洗机组、纵剪机组、 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/57271.htm t _blank 退火机组、涂层机组等各种精整机组中。在现代高速铝带冷轧机中，卷取机的卷取轴通常采用封闭式四斜角楔形。卷取轴结构。四斜楔形卷取轴结构简单，形状对称，动平衡性能好。 ，卷取速度可达1000m/min以上 9 。它广泛用于连续或可逆轧制和精整装置。按其用途可分为安装在主轧机前后和各辅机内两种。具有工作量大、环境恶劣、故障率高的特点，不仅影响连轧的产量和质量，而且保证了后续酸洗和镀锌。随着铝带生产向高生产率、高精度方向发展，卷材越

8、来越重，卷取力越来越大，轧制速度越来越高，对产品质量的要求也越来越严格。因此，对卷取设备提出了更高的要求。在国外，可以进行机电液压及自动化整体设计制造能力的企业很多。水平较高的公司有德国SMS-DEMAG 、日本石川岛播磨（IHI）和三菱重工（MHI）等 10 。综合来看，德国、日本几家公司的卷取机夹送辊一次寿命一般为2 2.5个月，卷取钢卷数量约为20000 25000卷，卷取重量600 75万吨。该机一次使用可达到卷取100万吨钢卷的能力。新日铁和日立公司新开发的液压下卷取机是世界上第一台具有良好卷取性能和可靠性的液压下卷取机。采用减振架降低冲击效果，前几圈可立即收紧，然后通过收卷辊的弹跳

9、机构消除前几圈带材表面的压痕。目前，世界上最先进的卷取机是卡鲁塞尔卷取机。国外学者对卷取机的研究主要包括： （1）卷取温度的研究。 研究卷取温度对钢材性能的影响。通过对卷取过程温度模拟模型的分析，将卷取温度作为整个轧制过程中的参数之一，研究了在一定卷取温度下钢的金相组织变化与卷取温度。合金钢等不同材料的机械性能和磁性能的影响，最终达到提高产品性能的目的。 卷取温度控制研究。通过优化冷却水喷淋速度和喷淋方式的控制，达到尽快冷却到卷取所需温度的目的。 (2)钢材在卷取过程中的变形机理研究。通过研究钢在轧制和卷取整个过程中的显微组织，最终达到提高钢的力学性能的目的。例如，美国钢铁研究所和美国能源部联

10、合开发了热轧钢生产线力学性能模型HSMM第6版。 0（The Hot Strip Mill Model） ，通过研究分析钢在轧制和卷取全过程中的变形显微组织、卷取温度、卷取钢的晶体粒度、钢的力学性能（如抗拉强度）可以进行分析。强度、屈服强度、伸长率等）来预测。 HSMM已被部分钢企采用 11-12 经过几十年的发展，目前卷取机技术已达到较高水平。但受国情影响，与国外相比，我国发展了高速卷取、超薄带卷卷取、卷取轴二次伸缩等新技术。技术还远远落后。卷取机的设备质量水平和卷取工艺的选择直接影响热轧生产线的产量和带钢的质量。目前，我国大部分铝企业的卷取设备都比较陈旧，造成轧制厚度小、卷取质量差的缺点。

11、这与我国国民经济的快速发展格格不入，与对带钢质量要求的日益提高格格不入。因此，必须改变国有冶金装备落后的现状，加快技术改造，推进冶金装备制造国产化进程。近年来，随着国民经济形势的不断回暖，一些钢铝企业引进和改造了大量的卷取机设备，缩短了我国在卷取机技术领域与国外的差距。我国部分采用国外公司最先进的产品，但国外各大公司出于经济考虑，在设备上增加了重要的设计技术，在一定程度上阻碍了我国卷取机技术的发展。难以具备独立设计能力。我国对卷取机的研究主要集中在： （1）卷取温度控制的研究与仿真分析。近年来，人们的研究工作包括对带钢在输出辊道上的传热机理的研究，以及建立带钢冷却过程模型的温度控制数学模型的开

12、发。在卷取控制领域，我国学者通过建立合理的仿真模型或控制算法，对卷取系统的控制效果进行了研究和分析。 (2)机械结构的设计和卷取参数的确定。在机械结构设计方面，一般是对卷取机机械结构的改进，卷取参数的确定主要用在两个方面。一方面可以优化原设备的卷取参数，从而提高卷取质量，降低故障率；进行改进。卷取机的核心部件是卷取轴，卷取轴的设计基于卷取理论。盘绕理论的现状卷取理论研究主要由千联和日本学者进行，也有德国、英国等一些国家的学者进行。前联和日本的许多学者对卷取轴的相关问题进行了研究，因此提出了卷取轴设计中要考虑的卷取径向压力的各种计算公式。一些公式所做的假设忽略了一些重要因素，一些学者将这些因素考

13、虑在内。例如，Hiroshi Suzuki、Jinichiro Araki 等在他们的文章中提到了条带之间的摩擦因素。 Wadsley 和 Edwards 简单地建立了一个数学模型来计算线圈截面的应力分布。在国内，重型机械厂机械科学研究所和重型机械研究所对卷取轴的压力和强度进行了一些测量和研究。赵提出了一种计算有色金属加工用卷取机卷取轴径向压力的方法。赵式 13 。1980年代，国家对卷取的研究大多集中在卷取轴压力的计算上，并借鉴和发展了一些国外的研究成果。将卷取轴单位压力的计算作为弹性理论的平面问题求解，得到考虑卷材各向异性的卷取轴单位压力计算公式。卷取机的理论计算方法之一对卷取机卷取轴的单

14、位压力有了进一步的认识。其中，连家创教授等。进行了卷取过程中卷取部分的三维应力分布和卷取轴的单位压力。深入研究。 1990年代以来，国外重点关注卷取力的控制和建模。在力控制方面，分别提出了卷取恒力控制新方法、卷取数学模型的建立与探讨、卷取力的变参数控制、卷取过程中力曲线的设定等方法。我国等国外学者也对卷取过程中的力控制进行了研究，提出了卷取过程中的最优力曲线。 ;此外，卷取力工艺设置不当，卷取轴设计不足，导致快速卷取不稳定，造成卷取形状不良等。这些文献都没有对带钢卷取过程中的带钢应力分布及其对卷取力的影响和要求进行任何研究 14-18 。目前一些径向压力计算公式及相关说明 19-28 (1)

15、行政长官。英格利斯公式该公式是根据厚壁圆柱体弹性力学平面轴对称性的拉丁美洲公式推导出来的，可用于中、小型不胀缩卷取轴的径向压力计算。军队。其中： 条带的单位力， ；线圈的外半径， ；卷取轴的等效半径， ；卷取轴的外半径， ；(2) AB Trekiev 公式该公式同样来源于厚壁圆柱体的弹性变形理论，但考虑了卷材的各向异性弹性体效应，可用于计算弓形板结构卷材轴的径向压力.式中：卷取力，N；, 条带宽度和厚度, ;带卷直径和材质综合系数：其中卷取轴和带材的弹性模量；, 卷取轴和带材的泊松系数；, 卷取轴的等效半径和外径。当碳带盘绕时，然后， ，然后。当卷径较大时，卷取轴的径向压力是一个有限值，即：

16、然而，Trekyakov 公式在卷取有色金属带材和卷取带材之间没有区别；同样，卷取冷钢带和卷取热钢带也没有区别。只适用于冷轧带钢。(3)周国英公式该公式是将线圈视为由多层连续带环组成的弹性圆柱体，并考虑线圈层间的摩擦力，从而推导出卷取轴径向压力的计算公式：式中： 单位卷取力， ，为卷取力，为宽度，为带钢厚度；, 卷材的弹性模量和泊松比；- 线圈的最大外半径；, 卷取轴材料的弹性模量和泊松比；, 分别为卷取轴的外半径和等效半径；- 钢带层之间的摩擦系数，用于卷取冷钢带， ，用于卷取热钢带， 。关于卷取轴当量半径的确定：如果是弧形块式卷取轴，建议取弧形块最薄弱部分的半径作为卷取轴的当量半径；对于四

17、角锥型卷取轴的等效半径，可等效为弹性变形 条件得到：其值为： ，其中： ，其中为横截面边长平均值的一半金字塔轴。扇形块卷取轴和四棱锥卷取轴不是厚壁圆柱体，但在计算卷取轴的径向压力时，卷取轴被认为是弹性厚壁圆柱体。以收线轴为外半径，其半径为收线轴的等效半径。不同的值，对应的径向压力也不同。事实上，卷取轴的径向压力有一定的最大限值。迄今为止，已根据一些推荐值选择了大多数等效半径，用于扇形块卷轴和四角锥体卷轴。还需要指出的是，在计算卷轴的径向压力时，同时取扇形块和四角锥卷轴。显然，这是不合适的。计算表明，等效半径的计算结果相差很大，甚至有两倍左右，说明在实际计算中，只给出了周围的值，没有给出确定的值

18、。 .可见，等效半径值的选择要注意。(4)连家创方这个公式是从带卷径向压力微分方程和带钢卷取的边界条件推导出来的。其中， _由上式可知，在的情况下，此时，达到了极限值，即此时卷取轴的单位压力一般可以按最大值计算，大大简化了计算。式中： 单位卷取力， ，为卷取力，为宽度，为带钢厚度；线圈直径与外半径之比， ，为线圈最大外半径，为线圈轴的外半径；带材的弹性模量与卷材的径向压缩系数之比， ；, 为卷取轴的泊松比和弹性模量；, 为线圈的泊松比和弹性模量；- 卷取轴的直径与外径之比， 。(5)根据“支撑筒”的屈曲情况，可列出下列方程：其中： 卷取带钢力；, 带材宽度和厚度；-任意i层卷材半径（卷取轴外半

19、径与带钢最大外半径之和的一半） ；-支撑圆柱体的假想外半径或假想线圈半径；-卷取轴的等效半径（一般以扇形板最薄处的半径作为等效半径） ；-收线轴的外半径或假想的支撑圆柱的半径；, 带材的弹性模量和泊松比；, 卷取轴的泊松比和弹性模量；-条带间的紧密系数（一般为0.95 ） ； _ _- 收紧轴刚度。得到该值后，可根据下式得到卷取机卷取轴表面的单位径向压力：公式： t条带的单位力。(6) BH梁博采夫径向压力计算公式：在哪里：, 卷取轴和带材的弹性模量；, 卷取轴与卷材的泊松比；, 带钢卷取力和带钢厚度；, 带材宽度和卷材半径；, 收线轴半径和外半径。以这种方式计算的力远大于实验结果。(7)级数

20、和总和的径向压力公式：卷取带钢受卷取轴径向位移的影响，产生层间摩擦，限制了卷取轴径向压力的增加。是卷取轴的刚度系数。其中： , 分别为线圈和卷取轴的半径；, - 分别是卷取的单位力和卷材之间的摩擦系数。(8)赵径向压力公式线圈被看成是一个密度可变的多层环面，线圈密度决定了力和变形之间的关系。当时当时当时其中： , 单位力, , 其中为密封系数。用于钢带；用于有色金属该算法的实际应用非常有限，因为必须知道各种材料的密实度系数 C 的实验数据。当C值不同时，对结果的影响很大。1.4 论文的主要工作和意义本文首先分析了国外铝材的发展和卷取机的发展，以了解卷取机在轧钢行业的重要地位，然后分析了目前卷取

21、钢带卷取轴径向压力的研究现状。卷取轴是卷取机的重要组成部分。然后，508mm对铝带卷取时的卷取理论和卷取轴的直径进行了一系列研究：(1)分析了卷轴结构的参数。研究了确定卷取轴直径、卷取轴长度和卷筒角度的方法和理论。(2)径向压力研究。根据弹性、数学序列和微积分等知识，研究了卷取轴卷取铝带时卷取轴的径向压力，为今后卷取轴的研究和设计提供了理论指导。(3) 计算蝶形弹簧的恢复力。蝶形弹簧是发条轴的重要组成部分。上弦卸载时，蝶形弹簧的恢复力使上弦轴收缩。根据其大小和数量计算恢复力，并将结果作为下一次仿真所需的参数。(4)对卷取轴的结构进行分析，利用三维软件UG建立卷取轴的三维模型。(5)对卷取轴的各

22、部位进行受力分析，并对其进行简化得到三维仿真模型，然后利用adams软件对卷取轴进行仿真，确定伸缩缸的参数。(6)由于卷取轴工作在高强度环境中，需要对卷取轴进行强度分析。根据有限元理论，利用大型通用软件ANSYS对扇形板、楔块和线轴进行有限元分析，为卷取轴的设计或结构优化提供理论依据。卷取轴。卷径变化与卷取轴径向压力的计算公式一直是困扰卷取机卷取轴设计的主要问题。目前卷取轴的设计主要是靠经验和类比，所以会有一些不合理的地方，一个卷取轴的成本在几十万到几百万之间，造成很大的浪费。如果能准确推导出卷径变化与卷取轴径向压力之间的计算公式，推导出其他机构选择的相关参数，用于指导卷取轴的设计，使卷轴结构

23、经济适用，则该公式将具有理论和实践意义。.第二章卷取轴主要参数的理论研究与计算2.1卷取轴结构参数的确定设计收线轴，首先要了解收线轴的一些结构参数。本节设计确定卷取轴直径、卷取轴筒体长度、卷取轴主要部件斜角等参数。2.1.1卷轴直径的测定对于冷轧带钢卷取机，卷取轴直径的选择一般根据层带在卷取过程中不产生塑性变形的设计原则。对于热轧带钢卷取机，在带钢的前几圈需要一定程度的塑性变形，以获得整齐、致密的卷材。卷取轴外径的确定与带钢厚度、宽度、材质、卷材重量、卷取轴本身结构、强度和刚度要求等五个因素有关。卷取轴直径的选择一般应考虑卷取轴上卷取的弹塑性弯曲程度、卷取轴的强度和卷取的塌陷情况。塌陷是指收线

24、轴从线圈中取出后，几层线圈沿径向塌陷。卷取轴直径过大时，放卷后易塌卷。卷轴直径过小时，卷轴强度不够。在实际设计中，在满足卷取轴强度的条件下，卷取轴的直径往往选择尽可能小。这对防止倒塌非常有利28 。从弹塑性理论可以推导出：收线轴外径： (mm)(毫米) (2-1)其中： ; 卷取温度下轧材的屈服极限的D不宜过大或过小，应综合考虑卷取工艺和材料强度。实际生产中使用的卷取轴的直径往往小于上式（2-1）计算的值，即卷取几圈是否有塑性变形都可以开卷时拉直。如果卷取的带材厚度很大，则使用可更换的卷取轴或套筒式卷取轴，并根据带材的厚度和工艺要求更换卷取轴。经验公式也可用，例如：（卷取带材时）（卷取有色金属

25、时）式中带钢的最大卷取厚度以国外对应的卷取轴直径类推，卷取轴的直径为：D= 508mm。2.1.2卷取轴长度的测定在中小型轧机中，带钢的宽度比料筒窄很多，卷取轴的长度比较丰富。足够的长度有利于合理安排伸缩机构或下降部件的接触应力。机筒长度一般大于或等于辊筒长度。本文取卷取轴的长度1850mm。2.1.3支柱斜角的确定从卷取机的结构可以看出，卷取轴的伸缩是由液压缸驱动的心轴和与扇形板相配合的滑柱完成的。为使收卷轴正常工作，卷筒斜角的选择非常重要。从胀缩量的角度来看，所需的角度太大，但如果太大，会导致阀芯在加载时滑回。角度的大小应接近并略大于斜面的摩擦角 29 。当斜面角小于滑动摩擦面的摩擦角时，

26、无论卷取轴承受多大的径向压力，阀芯和芯轴都不会相对滑动。整体刚性增加。随着线圈径向压力的增加，不可能产生少量的强制缩径（这种缩径大大减少了径向压力向筒体表面的传递），导致线圈对气缸的损耗卷绕轴。压力急剧增加，使伸缩机构负荷过重，应力过高。当时，卷取轴的径向压力大于卷筒表面的摩擦力和轴向伸缩液压缸的推力，楔块产生相对运动，所以卷取机的卷取轴将在卷取过程中收缩 30 。目前设计的卷轴都是的“缩径卷轴”。在卷取过程中，卷取轴压力达到一定值后，卷取轴开始收缩。这时，卷取轴的压力会下降。随着卷取工作的继续，径向压力将不断增加。增加到一定值后，卷取轴又会收缩。一般在整个卷取过程中，卷取轴需要进行3 4次收

27、缩。在选择斜角时，可以认为阀芯表面是半润滑的光滑表面。如果更合适的话，这个角度是可取的，对于轻载卷取轴可以扩大到 29 。根据实际生产经验，线圈最好在轴上取线轴。2.2 卷取机卷取轴径向压力研究卷取机卷取轴径向压力的计算公式很多，这与卷取机卷取轴的种类和重点有关。有的侧重于理论推导，有的侧重于应用研究。而且，这些公式通常都有一定的假设，所以在相应的卷取轴设计计算中都会用到这些公式。卷取轴的主要参数是直径、径向压力和伸缩筒的平衡力，其中卷取轴的径向压力是一个非常重要的参数。其计算结果与卷取铝卷的直径有关，也影响铝卷的卷取质量。此外，在零件的强度校核和液压胀缩缸平衡力的计算中，需要知道卷取轴的径向

28、压力。一般认为，卷取机卷取轴的径向压力与实际工况下的卷取力和卷取直径，以及卷取卷取轴的径向刚度（包括卷取层间的变形效应）有关。线圈）。和卷轴的伸缩性能）、线圈层间的介质和表面状态、层间的滑动和摩擦以及线圈的宽度等因素都与 31 等因素有关。由于这些问题在理论分析和实验研究上都存在很大的困难，虽然国外许多学者多年来做了大量的研究工作，但仍然无法准确计算出卷取轴的径向压力。对扇形板卷取轴的结构分析可知，胀缩缸的推力和大小对卷取轴的正常运转起关键作用。为了计算伸缩缸的推力和尺寸，首先要计算带材在收紧轴表面的径向压力。 _ _ _ _ _2.2.1根据迭代法确定径向压力铝卷和卷取轴被视为厚壁弹性圆柱体

29、。在力的作用下，每层铝卷都受到均匀的径向压力P i 。考虑到铝卷的收缩率和外径在压合压力的作用下产生的变形量，从而降低铝带的卷取力。计算公式来源于卷轴压力是各层线圈对卷轴的径向压力增量之和。(1) 公式的推导1）力消失的计算。成卷带钢的原始单位力为，由于外环的压力，环被压缩变形，从而导致带钢力的消失。图2.1 卷取轴端面受力图条带间的摩擦力会减小层间的条带力，可得到力平衡方程：, - 是线圈被压缩后第i层的实际力和线圈最初施加的力； 线圈消失的力量，- 线圈力消失系数；- 第 i 层施加的总径向压力和上面的层数；- 分别是带材的厚度和线圈第 i 层的半径。然后有：( 2-2 )2)计算单元体的

30、受力。以线圈微元为研究对象，受力如图2.2和图2.3所示。图 2.2 最外层单元体受力图 图 2.3 第 i 层单元体受力图减小直径时，线圈的最外层只与下一层产生摩擦，而部分线圈层的上下两层都产生摩擦。基于此思路，由图 2.2、图 2.3 和公式（2-2） 单位宽度单元体受力平衡条件可得：最外层（第n层）第 n-1 层第 i 层（中间一层）由于它很小， ，可以从上面的公式中求解：第一项是，总称是（2-3）根据序列的知识，可以从公式（2-3）得到：(2-4)卷取轴的径向压力由公式（2-4）求得：(2-5)那时，因为，上式可以简化为(2-6)式中卷取轴的半径和卷取的半径。(2)系数的确定系数值与线

31、圈的种类、摩擦系数等因素有关，与线圈的直径成反比，与线圈之间的摩擦系数成正比。五卷铝带卷取轴的实际生产使用情况如下：例（1）卷取轴直径，铝带1mm厚度505mm和宽度1600mm，最大卷径 ，1800mm卷取力2吨；卷取轴锥角为14 ，液压系统压力为6.3 MPa ，实际油缸直径为250mm，摩擦系数为0.15 ，油缸效率为90% 。从以上参数可以得出：气缸推力式中液压缸系统压力；- 液压缸的缸径；- 气缸工作效率。参考文献 32 中油缸与径向压力的关系公式，可得其中带材宽度；- 金字塔角（斜角）；- 摩擦系数。线圈单元力将上述计算值代入( 2 - 6 ) 即可求解其他三个卷取轴的实际使用情况

32、如下：直径和对应的最大卷取直径分别为200mm和 1000mm； 300和1500 ； 由例（1）中的计算公式可知， （ 2-7 ）由于这三个卷取轴的参数与例（1）不同，只有卷取轴的直径和最大卷取直径与公式（2-7）无关。示例（1）是相同的，即。(3)卷取轴直径，铝带2mm厚度508mm和宽度1700mm，最大卷径 1920mm，卷取力2吨；卷取轴锥角为15 ，液压系统压力为10MPa ，实际油缸直径为0.15，250mm摩擦系数为0.15 。气缸效率为90% 由(2-7)的计算公式可以推导出根据以上生产的5个卷取轴的经验，卷取轴在卷取铝带时，是可取的；实际生产中使用的四卷钢带的卷取轴如下：(

33、1)卷取轴直径 508mm，1430mm钢带厚度和宽度1.5mm，最大卷取直径2100mm，卷取力10.51t，卷取轴锥角14 ，液压系统压力13.7 MPa ，实际气缸直径为355mm由(2-7)的计算公式可以推导出(2)卷取轴直径 508mm，1150mm钢带厚度和宽度5mm，最大卷取直径1850mm，卷取力5.75t，卷取轴锥角10 ，液压系统压力13.7 MPa ，实际气缸直径为140mm由上述参数和公式（2-7）可以推断出(3)卷取轴直径 610mm，1570mm钢带厚度和宽度2.5mm，最大卷取直径1900mm，卷取力13t，卷取轴锥角14 ，液压系统压力13.7MPa ，实际气缸

34、直径为355mm0.1由上述参数和公式（2-7）可以推断出(4)卷取轴直径，610mm钢带3mm厚度和宽度1630mm，最大卷取直径 2100mm，卷取力10t，卷取轴锥角16 ，液压系统压力14MPa ，实际气缸直径为348mm0.15由上述参数和公式（2-7）可以推断出从以上生产钢带的经验来看，是可取的。2.2.2基于支撑筒思想的径向压力计算将线圈视为多层弹性圆柱体，考虑层间摩擦的影响，考虑到当线圈厚度达到临界值时，卷取轴上的压力不会增加，成为“支撑圆柱体”将在线圈部分产生。 ，从而计算出卷取机卷取轴应承受的径向压力。该计算方法摒弃了卷取线圈时所有线圈层对卷取轴产生径向压力的传统思想，提出

35、仅将构成“支撑鼓”的线圈层对卷取轴产生的压力作为线圈.承受轴承 33 上的径向压力。(1) 卷取轴变形计算带钢的弹性模量与卷取轴的弹性模量相同，是各向同性的。在恒定力和各层无滑动条件下，卷取轴的径向压力分析是弹性力学的平面轴对称问题。极坐标中的应力函数表示的应力分量是不考虑物理力的平衡微分方程的解，总结如下 34 ：(2-8)极坐标系下的相容方程为(2-9)其中, 分别为径向法向应力和环向法向应力, 分别是剪应力和应力函数在平面问题中，当弹性体的形状和它所承受的外力都与轴对称且与论证无关时，这类问题称为轴对称平面问题。显然，由于对称性，其应力函数只是径向坐标的函数。若不考虑体力，则由式(2-9

36、)可得到应力函数满足的方程，由此可得到应力函数的通解相应的应力分量为： EQ EQ (2-10)将方程（2-10）代入物理方程，再对几何方程积分，同时求解相应的位移。对于平面应力，结果为35 ：(2-11)式中， 分别为径向位移和周向位移；, - 分别是泊松比和弹性模量。其中，系数和两项为刚体位移，计算时应省略。表示由围绕轴（中心）旋转的角度产生的位移。对于封闭的轴对称物体，如果外力和几何约束都是轴对称的，则，因此， 。此时(2-12)设等厚环的半径为 ，外径为，并承受均匀的压力和外部压力，如图2.4所示。求解, ,需要边界条件，代入式（2-12）可得：(2-13)图 2.4 受均匀压力的厚壁

37、圆筒外径外表面的径向弹性位移（时间）为：(2-14)式中卷取轴的等效半径。(2) 支撑筒半径的计算笔者认为，当第一层形成支撑筒时，比第一层大的各层对卷绕轴的径向压力几乎为零，可以忽略不计。当第 i 层形成支撑圆柱体时，第 i+1 层形成的径向压力使支撑圆柱体的变形为零，即.然后有：简化(2-15)其中- 线圈的泊松比和弹性模量- 分别是卷轴上的径向压力和第 i 层上的径向压力。从文献 28 知道，如果我们接受它，我们有(2-16)- 带卷之间的摩擦系数。冷卷取0.35 ；热轧带钢取0.35。将公式（2-16）代入公式（2-15），得到支撑圆柱成型时的半径关系(2-17) (3) 线圈径向压力的

38、计算带状线圈可视为外半径为1 、半径为1的弹性支撑圆柱体，承受外压和压力。由此，可以得到带状线圈表面的径向弹性位移为(2-18)从接触条件可知，线圈表面的位移等于卷轴外表面的位移，即由式（2-14）和（2-18）可知解决方案必须订购，那么上式简化为（2-19）将(2-16)代入(2-19)，得到卷取轴径向单位压力的计算公式那个时候是可以的2.2.3根据微积分法计算径向压力对卷曲微元进行受力分析，得到微分方程。线圈的径向弹性模量在数学上被视为变量。根据卷取力，得到边界条件，列出平衡方程，得到卷取机卷取轴径向压力的计算公式。(1) 线圈截面的变形连续性方程和径向压力平衡微分方程如下18 ：(2-2

39、0)式中线圈的矢量直径与泊松比；第i个线圈的实际力和径向压力；带材的弹性模量与卷材的径向压缩系数之比， ；称为卷材径向压缩系数，它与带钢厚度、表面粗糙度等因素有关。(2)等厚环的半磅为，外半径为，承受均匀压力和外压。由轴对称平面问题可知，厚壁圆柱体的切向应力为34(2-21)由于线圈只被压缩，切向应力可以从 (2-21) 获得(2-22)式中线圈外径和卷取轴外径；- 卷取轴上的径向压力。将 (2-22) 代入 (2-20) 得到(2-23)是一个二阶非齐次线性方程，所以让解决方案必须因此（2-24）平衡方程由参考文献17可知： (2-25)将 (2-24) 代入 (2-25) 得到边界条件：

40、(1) 最外层线圈的卷取单位力为，则(2-26)- 卷取的单位力,是卷取力，是宽度，是带材的厚度。边界条件：（2）线圈外表面的径向压力为零，则有(2-27)联立方程（2-26）和（2-27）可以求解由式（2-24）可知，此时作用在卷取轴上的单位压力为(2-28)将上述总和代入(2-28)得到径向压力求解为：在2.3 蝶形弹簧设计计算蝶形弹簧是由带状、带状或带状锻造毛坯加工而成的盘形弹簧，简称碟形弹簧。它具有三大特点 36 ：（1）刚性高，减震能力强，能承受大载荷，变形小。 （2）它具有可变刚度的特性，并且可以通过正确选择压缩过程中变形量和蝴蝶弹簧的厚度的比率来获得不同的特征曲线。特性曲线可以是

41、线性的、增加的、减少的或其组合。 (3)相同的蝶形弹簧采用不同的组合，得到的弹簧特性也大面积不同。可以使用对合、叠加和复合的组合。为了获得具有特殊特性的曲线，组合碟簧也可以由不同厚度的碟簧组成，也可以由尺寸相同但每组片数逐渐增加的碟簧组成。蝶形弹簧常用于压力机、大炮、飞机等机械产品中，作为减震和强缓冲的弹簧。但是，即使在制造过程中蝶形弹簧的高度和板厚有微小的误差，它的特性也会有很大的偏差。因此，这种弹簧需要较高的制造精度，以保证载荷偏差在内容范围内。与其他弹簧相比，这是它的缺点。蝶形弹簧是承受轴向载荷的碟形弹簧。分为无支撑面和有支撑面两种。它们可以单独使用，也可以组合或组合成一组碟形弹簧。了解

42、静态或可变负载。(a) 无支承面 (b) 有支承面图2.5计算应力的单个弹簧的横截面位置图2.6蝶形蝶形弹簧单片式蝶形弹簧的计算公式：(2-29)当蝶形弹簧变平时，上式简化为其中单个弹簧的载荷，N；弹簧厚度，mm；蝶形弹簧外径，mm；单片蝶形弹簧的变形量，mm；蝶形弹簧受压时的变形计算值，mm；弹性模量，MPa；-泊松比。其中，计算系数也可根据下表2.1得到表 2.1值列表1.901.921.941.961.982.002.022.040.6720.6770.6820.6860.6900.6940.6980.702对于带有支承面的弹簧，计算系数其中，对于无支撑的表面弹簧。卷轴上蝶形弹簧的作用主

43、要是在卸卷时。当液压缸卸压时，卷轴的扇形板在蝶形弹簧的恢复力作用下缩回，从而卸卷。根据结构要求，我在扇形板上选择的蝶形弹簧参数为： , , , ;钳口处选择的蝶形弹簧参数为： , , , .在使用单片蝶形弹簧时，由于变形量和载荷值往往不能满足要求，因此往往将几种蝶形弹簧组合成不同的类型，以满足不同的使用要求。根据卷轴中蝶形弹簧的作用，本次设计的卷轴中，采用的组合形式为逆向组合。计算公式为：(2-30)其中，, ,是组合碟形弹簧的载荷、变形和自由高度根据以上参数，可通过公式（2-29）得到；表 2.2 蝶形弹簧的参数值系列/毫米/毫米/毫米/毫米/毫米/毫米/N5628.521.63.67843

44、00二4522.41.751.33.051182951系列扇形板选用的蝶形弹簧参数；系列钳口处选用蝶形弹簧的参数。2.4 本章小结本章的主要目的是对卷取轴的主要参数进行理论研究。 (1) 介绍了卷取轴直径、料筒长度、卷筒斜角的选择依据，并确定了各参数的取值。 (2)对卷取轴的径向压力进行了一系列研究。采用迭代法、支撑筒思想和微积分法对径向压力进行了研究，为今后卷取轴的设计提供了理论依据。 (3)对卷轴结构的碟形弹簧进行了研究。确定蝶形弹簧的尺寸和数量，根据其设计计算公式计算其回复力，为后面的仿真分析中的受力做理论准备。.第 3 章 线圈轴的结构分析和 3D 建模3.1 卷取机卷取工序带钢头离开

45、精轧机，卷取机准备好运行。这时，上力辊被压下，助卷辊围绕着卷轴。在各自的辊隙调节机构的控制下，力辊和辅助辊在上下力辊之间、辅助辊和卷取轴之间保持适合带钢厚度的辊隙。当带钢进入卷取机时，强制辊的前导板被正确引导。在导板装置的帮助下，在施力辊与卷取轴之间形成一条封闭的路径，使带材能够顺利地缠绕在卷取轴上。工作条件下轧机与卷取机的速度关系如图3.1所示。在准备状态下，带钢的速度不宜过高，否则不利于带钢咬入力辊，也不利于收卷轴。辊道的速度高于轧件的速度（即立轧机的速度） ，从而防止了带钢的堆积。力辊的速度高于轧件的速度，便于轧件的咬合。收卷轴辅助辊的转速高于强制辊，有利于带卷上的收卷轴。在正常卷取过程

46、中，力由卷取轴和机车车辆之间的速度差来维持。卷取机应具有足够的加速能力，以尽快达到最大速度，以最大限度地提高生产能力。收卷时，力辊的速度低于收线轴的速度，以保持收卷力。降低辊道速度可以增加带钢的阻力，防止带钢尾部跳动。收卷时应采用较低的卷取速度，以免带尾离开轧机后剧烈摆动，造成事故。图3.1 1700热轧带钢卷取速度系统图就绪状态； 正常卷取状态； 卷绕状态； 第一加速度； 二次加速度； 精轧机； 输出辊道； 力辊； 卷取轴； ; - 磁带头； - 磁带头卷轴； - 带尾方法； - 带尾； - 带尾方法； - 胶带尾部总结卷取生产经验，卷取工艺对卷取设备性能的要求可归纳为以下几个方面：咬合和卷

47、取速度高；可处理大吨位带卷，提高带钢生产率；可卷制较大厚度的带材，特别是厚带材和合金带材，以扩大品种；具有强大的调速能力，实现稳定的力和稳定的卷取过程；可以生产更大的可以在较低的温度下卷取，以提高带钢的质量和机械性能（这要求卷取机本身具有更好的强度和刚度） ；卷带边缘整齐，便于储存和运输；高速卷取时，卷取轴具有良好的动平衡性能；卷取轴可伸缩，便于卸料作业。此外，卷取机还应具有能适应高温环境、结构简单、动作可靠、维修方便等特点。3.2收卷轴的结构卷取机本体由卷取轴、实心芯轴、伸缩油缸及回转接头、减速箱、活动支架和放卷装置等组成。卷取轴是卷取机的核心部分，直接影响卷取。收线机的工作状况和带钢的卷取

48、质量。为此，要求卷取轴具有冷却和润滑系统。为了能够在大带钢压力的作用下减径和卸卷，需要有足够的强度和刚度。这些都决定了卷取轴结构的复杂性。此外，在受力较大的情况下，为改善卷取轴的受力状态，悬臂端应设置活动支撑。卷取轴一般有以下结构形式：实心卷取轴式、链板式、弧形块径向液压颚式封闭式、扇形块四角锥型和扩锥型、扇形块八角锥等。现阶段，冷轧机主要有两种应用，扩锥型和四角锥型 37 。(1)实心卷取轴式：结构简单，强度和刚度高，无夹爪。缺点：不易卸卷，轧制力过大造成塑性变形。近年来，已被可控伸缩卷轴所取代，转盘双卷轴结构也常被采用。(2)链板式：结构较复杂，刚性差，制造难度大。(3)弧形块径向液压颚式

49、封闭式：弧形块卷取机主要用于宽带钢精轧线的卷取。卷取轴的伸缩方式有凸轮式、轴向圆柱楔形伸缩式和径向圆柱式。凸轮式和轴向圆柱楔形胀缩式目前基本不再使用，而径向圆柱式由于结构紧凑，使用可靠，在国外新设计的精整卷取机中得到广泛应用，使用条件好。弓形块绕线轴结构如图3.2所示，由主轴和弓形块组成。图 3.2 所示的卷取轴也可以使用450和610两种直径，并且可以快速更换。卷取轴结构紧凑，实际使用效果好。弓形块卷取轴的主要缺点是卷取轴的非对称结构，高速卷取时动平衡性能差，卷取轴圆柱度差引起的力波动。径向柱塞密封设计和加工精度要求高，容易漏油，影响带钢表面质量。图3.2 径向活塞弓形块绕轴结构图1平衡缸；

50、 2卷取轴； 3腺体； 4夹紧接头； 5增压缸； 6胀缩缸； 7旋转接头(4)扇形块八角封闭式：近年来，冷轧机向高速、重卷取、自动化方向发展，卷取机的结构有了很大的改进。首先，为了减小卷取机的转动惯量，提高启动、调速、制动性能，电机直接驱动卷取轴。其次，为了解决扇形块之间的间隙在展开时对薄带材表面质量的影响，卷取轴采用四棱锥和嵌件（即八角锥）结构，卷取轴可以膨胀后成为一个完整的圆柱体。身体。收线轴为封闭式，电机由装有快拆齿轮套的齿式联轴器直接驱动。收线轴的伸缩不是靠转动液压缸和输油接头来实现的，而是由液压缸带动杠杆、带动凸轮叉、用三组弹簧带动连杆机构完成的。为收缩。图 3.3 八角收线轴结构1

51、蝶形弹簧； 2扇形板； 3金字塔轴； 4拉杆； 5滚动轴承； 6花键轴； 7样条；调整螺栓； 11环形弹簧； 12胀缩滑套和斜块； 13杠杆换档拨叉； 14齿式联轴器； 15传动轴； 16放卷导杆； 17放卷油缸； 18放卷推板； 19插入； 20头罩(5)四角锥型：为克服实心卷取轴的开卷困难，设计了四棱锥卷取轴。当四棱锥轴扩径时，伸缩缸直接推动棱锥轴使扇形块径向位移。由于没有中间力的传动部分，锥轴直径变大，强度变高，可承受力可达600kN 。卷绕轴的锥体轴有正锥型和倒锥型。图3.4为1180型20辊轧机的卷取轴，主要由锥轴、扇形块、钳口和胀缩筒组成，结构比较简单。主要部件是金字塔轴和扇形板。

52、工作时，通过伸缩油缸的拉动使锥体轴前后移动，利用锥体轴与扇形板的斜面相互配合，达到胀缩的目的。收缩。这种结构具有以下优点：刚度较高，结构简单，润滑方便，配合面防尘效果好。缺点是制造成本高，加工难度大。图 3.4 四棱锥收线轴结构1旋转接头； 2伸缩液压缸； 3传动空心轴； 4四棱锥轴； 5颚式活塞； 6弹簧； a、b、c、d油路(6)四斜角楔形卷取机：图3.5为1420四斜角楔形卷取机的卷取轴，由主轴、芯轴、楔块、扇形块、胀缩筒组成。当心轴在伸缩缸的推动下作轴向运动时，扇形块和外楔块径向伸出，楔块的顶面和扇形块的外表面形成一个完整的圆。盘绕的细条不会产生压痕。这种卷轴最大的特点是主轴和扇形块易

53、于加工。由于楔块只支撑扇形块的两个翼片，因此卷取轴的强度和刚度有所减弱，适用于受力较小的校平单元和精整线。图 3.5 四斜楔形卷取轴结构1层楔； 2外楔； 3心轴； 4主轴； 5扇区块3.3 卷取轴的选择及工作原理卷取机主要由卷取轴、伸缩缸、旋转接头和传动系统组成。传动系统由电机、制动器、联轴器和减速器组成。卷取轴的伸缩一般是通过液压控制卷取轴尾部的伸缩缸来实现的，卷取轴的转动是由电机通过联轴器和联轴器带动卷取轴旋转来实现的。减速器。卷取轴旋转将酸洗带卷成卷，卷取材料通过卷取轴的伸缩卸荷，实现卷取机的卷取和开卷工作。本文选用扇形块卷取轴。在铝带冷轧机的卷取机中，这种卷取轴具有应满足现代铝带冷轧

54、机生产工艺要求的优点：（1）卷取轴的强度可以满足铝带卷取的要求和可以承受很大的力量。 (2)封闭式四斜楔形卷取轴截面几何对称性好，具有较高的动平衡性能，适用于高速卷取。由于卷轴旋转稳定性好，受力波动小。在高速铝带冷轧机的卷取机设计中，如果采用无钳口卷取轴，进一步提高了断面的对称性，卷取轴的动平衡性进一步提高； (3)卷取轴膨胀时，三个扇形板和三个径向楔形块构成一个封闭的圆柱体。它们之间没有明显的凹槽和缝隙。这样卷材层不会出现局部塌陷和表面压痕，有利于提高卷材质量。特别适用于冷轧铝带的卷取； (4)卷取轴直径大，便于装卸套筒和卸料； (5)四斜楔形卷取轴比其他类型的卷取轴更容易加工。 ，更容易获

55、得高精度的卷取轴，从而保证卷取轴的准确、灵活和可靠的运行 38 。卷取轴是卷取机的核心部件，用于卷取带钢。卷取轴设有卡爪，能可靠地夹住带材头部，形成受力。卷取轴由液压缸控制实现伸缩，工作稳定可靠。卷取轴由副轴体、主轴、芯轴、滑柱、扇形板、楔形块、蝶形弹簧、定爪、动爪等组成（见图3.6 ） 。卷取轴的伸缩是由液压缸推动主轴中间的芯轴和线轴实现的。当伸缩油缸推动芯棒向左移动时，依靠斜面的作用，芯棒带动阀芯轴向移动，从而推动楔块、定爪和动爪产生径向位移。 ，而楔形块与扇形板相互作用，从而推动扇形板径向移动，最终使楔形块、固定颚板、活动颚板和扇形板形成一个完整的圆；当液压缸解除推力时，扇形板和动颚在弹

56、簧恢复力的作用下呈碟形缩回，心轴向右移动减小直径。卡爪位于两楔块连接处，扩径时卡爪夹紧；缩径时张开钳口，即可进给皮带。液压缸装置固定在减速机上，由变频交流电机通过减速机带动卷取轴的转动。最终的卷取轴如下图所示：直径为508mm的卷取铝带卷取轴图3.6 508mm卷取轴结构及装配图3.4 收线轴的建模与虚拟装配当使用二维工程图形来表达三维世界中的物体时，需要借助抽象思维重构人脑中的三维模型，这是一个复杂且容易出错的过程。 3D建模技术将设计在人脑中的产品通过3D模型直接表达出来，无需借助2D图纸、绘图规则、人脑抽象即可获得产品的3D空间结构，直观. 3D模型还可以直接用于工程分析，尽早发现设计的

57、不合理之处，大大提高设计效率和可靠性。 UG建立的卷取轴三维模型包括楔块（图3.7）、扇形板（图3.8）、主轴（图3.9）、副轴体（图3.10）、压环（图. 3.11)、固定钳口(图3.11)。图 3.12），活动钳口（图 3.13）。图 3.7 楔块 3D 模型图 3.8 扇形板 3D 模型图 3.9 主轴 3D 模型图 3.10 副轴 3D 模型 图 3.11 压环 3D 模型图 3.12 固定钳口图 3.13 活动钳口虚拟装配是 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/238938.htm t _blank 虚拟制造的重要

58、组成部分。通过建立产品数字化装配模型，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，可以方便地模拟和分析产品的装配过程，可以验证装配设计和操作的正确性。是否为了及早发现潜在的装配问题，估计产品的装配性能，并将这些装配信息反馈给设计人员，修改模型，将装配过程可视化。使用该技术不仅有利于并发工程的发展，而且可以大大缩短产品的开发周期，降低生产成本，提高产品的市场竞争力 39-45 。UG NX7.0的装配建模过程实际上就是建立装配关系的过程。装配模块可以快速将零件组合成一个产品，也可以在装配的上下文中创建新的零件模型并生成详细列表。此外，在装配中，可以参考其他零部件进行零部件配对设计，对装配模型进行间隙

59、分析、重量质量管理等操作。组装卷取轴结构模型如图3.14所示，零件布置图如图3.15所示，组装卷取轴立体图如图3.16所示。图 3.14 卷取轴结构图 3.15 卷取轴部件分布图 3.16 收线轴的 3D 视图3.5 章节总结本章主要分析卷取机的卷取过程、卷取轴的组成结构和工作原理。根据这些原理，确定合适的卷取轴结构，最后绘制出二维卷取轴的装配图。根据二维图纸，建立各部件的3D模型图，完成卷取轴的3D模型组装，为后面的仿真分析做准备。.第四章卷轴胀缩缸推力研究4.1 卷取轴伸缩机构受力分析图 4.1 伸缩机构受力图 图 4.2 伸缩机构运行时受力分析图1阀芯； 2心轴 1线轴； 2心轴卷取机工

60、作时，伸缩机构受力分析如图4.1和图4.2所示“1”是自由体，写出平衡方程(4-1)式中-为楔形摩擦面的摩擦系数，计算时取（润滑良好时）。“2”为自由体，三个心轴表面的总摩擦力为，写出平衡方程(4-2)将式(4-1)代入式(4-2)，可得(4-3)由于角度比较小，可以认为上式变为(4-4)作用在卷绕轴阀芯上的压力为：(4-5)其中： 卷取轴的直径；- 带材宽度；- 卷取轴上的径向压力。将（4-5）式代入（4-4）式可得4.2 采用仿真方法确定胀缩缸参数卷取轴是卷取机的主要部件，它可以使铝带在卷取过程中膨胀而不塌陷。油缸的选择是关键。目前，国家卷取机卷取轴伸缩液压缸的设计主要是通过理论推导的方法