卡罗塞尔卷取机运动特性分析及结构设计毕业设计.doc
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1、重庆大学本科学生毕业设计(论文)卡罗塞尔卷取机运动特性分析及结构设计Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversitySTRUCTURAL AND KINETIC CHARACTERISTIC ANALYSIS OF CARROUSEL COILERUndergraduate: Zhang feiSupervisor: Prof. Wang yongqin Major: Mechanical Design,manufacturing and automationCollege of Mechanical EngineeringChongqing
2、UniversityJune 2011摘 要卷取机是成卷轧制和带材精整机组中的关键设备,其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。轧钢生产实践证明,卷取机的工作状态直接影响着轧机,特别是连轧机生产能力的发挥。因此,对强力、高速卷取设备的研究一直受到重视。卷取机有很多种类,按其卷取对象可分为:冷带材卷取机、热带材卷取机、小型线材卷取机等;按其用途可分为大张力卷取机和精整卷取机。本课题的研究对象卡罗塞尔卷取,又称双卷筒卷取机,属于大型高速回转类机器,广泛应用于各类带钢生产线,是目前世界上最先进的冷轧带钢卷取机。卡罗塞尔卷取机
3、,它以连续、高速的方式收集卷取带钢。由于该机设计非常紧凑,可很大程度上节省设备安装及使用空间,同时具备卷取效率高、连续性好等优点,在国内外的轧钢生产中得到了广泛的应用。本论文就是对卡罗塞尔卷取进行运动特性分析和结构设计。首先,对卷取机的用途、分类以及基本结构进行简明的介绍。其次,对卡罗塞尔卷取机的结构进行阐述,并对其工作原理进行分析,包括卷取机主传动系统,卷筒,涨缩机构,旋转和锁定系统的结构及工作原理。然后,通过计算,确定卡罗塞尔卷取机主传动系统及卷筒的一些基本参数。最后,在确定的参数的基础上,利用有限元分析软件对传动系统及卷筒轴的性能进行分析。关键词:卡罗塞尔卷取机,卷筒,结构分析,参数分析
4、,传动系统ABSTRACT Coiling machine is the most important equipment of the roiling and finishing belt material unit.The usage of the coiling machine is to collect the overlength mill bar,and to take up them into rolls,in order to reserve and transport.Coiling machine is a very imoprtant equipment of the a
5、ccessories of the rolling mill,and is widely used in strips and tubes producing.The rolling operations indicates that the functional conditions of the coiling machine direct influence the roilling machine,especially the production capability of the tandem mill.So,the research of the coiling machine
6、is very important. Depending on different coiled materials,the coiler can be divided into many types,such as tropical coiler,old coiler and small wire coiler.Also,according to its use,it can be divided into big tension mill and finishing mill. The carrousel coiling machine is also called double roll
7、ing coiling machine.It belongs to large and high-speed-rotary machines and is widely used in all kinds of steel production line.And currently it is the most advanced cold strip mill in the world.Carrousel coiling machine collect is the coiling strip very quickly and continuously.The design of this m
8、achine is very compact,and it can save equipment space greatly.It is wildly used in the world also along with its high efficiency and continuity. This thesis is to analyse structural and kinetic characteristic of the carrousel coiler.First of all , It introduces the use, types and the basic structur
9、e of coiler to you briefly.Second,It introduces the structure of the machine as well as its working principle including the main transmission system,coil,rise shrink institutions,rotate and lock shrinking institutions.Then,through calculation, make sure some parameters of the main transmission syste
10、m and the coil. At last,on the basis of the parameters,analyse the transmission system and the roil shaft using finite element analysis software.Key words: carrousel coiler, coil, struture analysis, parameter analysis, transmission analysis目 录摘要ABSTRACT1 绪论1 1.1 冷带钢卷取机的介绍 1 1.1.1 冷带卷取机的分类1 1.1.2 冷带卷
11、取机的工艺特点 1 1.1.3 冷带卷取机的结构 2 1.2 卡罗塞尔卷取机介绍 3 1.3 项目研究的意义来源及可行性论证 5 1.3.1 项目研究的学术意义 5 1.3.2 项目研究的工程意义5 1.3.3 项目经济效益和可行性论证 5 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析7 2.1 卡罗塞尔卷取机的工作原理7 2.1.1 主传动系统工作原理72.1.2 卷筒结构工作原理7 2.2 卡罗塞尔卷取机的主要构件 8 2.2.1 卷筒82.2.2 大转盘9 2.2.3 芯轴 103 基本参数的确定113.1 主传动系统设计113.1.1 主电机的选型及校核113.1.2 双档减速比调速范围选择133
12、.1.3卷取速度的调节143.1.4减速器的速比选择143.1.5联轴器选型153.1.6 减速器及齿轮座关键部件设计163.1.7 双列圆锥滚子轴承选型23 3.1.8 输入输出轴设计校核263.1.9 普通平键和花键联接的校核293.2 卷筒主要参数的选择和计算313.2.1 卷筒直径的选择313.2.2 卷取张力的取法323.2.3 卷筒胀缩机构的分析333.2.4 卷取机工作时卷筒的收缩333.2.5 钢卷卸卷时卷筒缩径344 卷筒轴的有限元分析374.1 有限元理论概述374.2 有限元软件MSC PATRAN的简介374.3.1 建立模型374.3.2 有限元步骤384.3.3 有
13、限元应力分析405 结论43参 考 文 献44 1 绪论1.1 冷带钢卷取机的介绍卷取机是成卷轧制和带材精整机组中的关键设备,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。轧钢生产实践证明,卷取机的工作状态直接影响着轧机,特别是连轧机生产力的发挥。因此,对强力、高速卷取设备的研究一直受到重视。卷取机有很多种类,按其卷取对象可分为:冷带材卷取机、热带材卷取机、小型线材卷取机等;按其用途可分为大张力卷取机和精整卷取机。本项目主要介绍的是冷带材卷取机。目前,冷扎带钢的卷取多采用卷筒式卷取机,其设备配置较为简单,主要由卷筒及其
14、传动系统、压力辊、活力支撑和推卷、卸卷等装置组成。高生产率的卷取机往往还设有助卷辊。1.1.1 冷带卷取机的分类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种。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。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(本项目所用的),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,常用于轧制线做大张力的卷取。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之分。1.1.2 冷带卷
15、取机的工艺特点就工艺目的讲,和热带钢的卷曲相比,冷带钢卷取有以下特点。 张力 冷带钢卷取机的突出特点是采用较大张力。由于张力直接影响产品质量尺寸精度,因此对张力的控制有严格的要求。目前,冷带卷取机都采用双电枢或多电枢直流电机驱动,并尽量减小传动系统的传动惯量,提高调速性能,以实现对张力的严格控制。各种生产线的卷取张力见表1-1。轧制卷取时,表1-1中应考虑加工硬化因素,精整卷取薄带时,张应力应取大值。表1-1 卷取张力表机组可逆轧机连轧机精整机组带厚/mm0.30.1 12 24张应力/Mpa 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。 钢
16、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。 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1-1所示。卷取机机架1是活动的,光电元件4检测带钢边缘,带钢跑偏将使光电元件产生输出信号,放大后,经电液伺服控制器5控制油缸6随时调整卷筒位置使带卷边缘保持整齐。图1-1 自动纠偏装置1.1.3 冷带卷取机的结构 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。 实心卷筒卷取机一
17、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。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。 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400一600kN),常用于多辊可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷取。 八棱锥卷取机近年来冷轧机向高速、重卷、自动化方
18、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。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。 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。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
19、。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。 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。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2
20、5MPa。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。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 卡罗塞尔卷取机介绍 卡罗塞尔(Carrousel)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,其内部驱动系统非常的复杂(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。 卡罗塞尔卷取机可广泛应用于各类带
21、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,并且能够快速建立张力,延长稳定轧制时间,提高成材率。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.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。卡罗塞尔卷取机主要由:传动系统、卷筒组件、活动支承、大转盘组件(旋转锁紧装置)、辅助卷取系统等部分组成。该卷取机有两种典型形式,其主要区别是传动系统,按传动系统的差异分为芯轴式和行星式两种,如图1-2、图1-3所示。这两种结构各有优缺点: 芯轴式,其优点包括:结构紧凑重量轻;
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