卡罗塞尔卷取机运动特性分析及结构设计_毕业设计(编辑修改稿)

卡罗塞尔卷取机运动特性分析及结构设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

凑重量轻；均为外啮合，传动平稳、应用广 泛。 其缺点包括：制造相对困难；装配精度要求较高；传动件的互换性稍差，备 件种类偏多。 ②行星式，其优点包括：制造相对简单；装配相对容易；传动件的互换性好， 备件少。 其缺点包括：小齿轮强度不好；设备重量偏大；小规格钢卷使用不理 想； 行星内齿副传动平稳性差。 本课题主要研究的是芯轴式双卷筒卷取机。 项目研究的意义来源及可行性论证 项目研究的学术意义 近年来，国内卷取设备水平正在逐步提高，这就迫切要求相应的理论研究的深入。 国内许多研究人员针对 CARROUSEL 卷取机做出了一定的研究工作，包括设备结构和工作原理的研究，以及运用仿真分析软件进行分析计算，但总体上对于卷取机有许多关键技术还没有完全掌握，该领域的理论和成果还不是很完善。 我国当前对该卷取机技术的研发正处在一个起步阶段，相关可参考资料有限，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。 通过这次研究尽可能的使该领域的理论和成果完善、系统化。 项目研究的工程意义 随着我们钢铁工业稳步发展，近年钢铁企业主要设备技术水平也有了显著的提高，为提高企业的市场竞争力，就必须采用先进高效的设备，这对先进设备的设计水平就提出了新的课题。 卷取机作为连续冷轧生产线的关键设备，其生产效率及成本、能耗的高低，无疑在整条生产线中占有举足轻重的地位。 CARROUSEL卷取机，是一种双卷筒卷取机，相比于其他卷取机，具有以下显著的特点：卷取效率高，连续性好；设备结构紧凑，可大大节省安装空间，并且由于缩短了卷取机与轧机的距离，能够快速建立张力，延长稳定轧制时间，提高成材率；由一台CARROUSEL 式卷取机取代两台卷取机，减少出口设备数量，故障点大大减少；更适宜卷取薄卷；但结构复杂，设计制造难度相对较大。 综合比较，并从长远角度来看， CARROUSEL 卷取机关键技术的研发，对于提高轧钢厂家的经济利益、产品质量和市场竞争力都具有极大的现实意义。 项目经济效益和可行性 论证 芯轴外套式双卷筒卷取机综合技术开发，对攻克关键设备技术，具有非凡的重庆大学本科学位论文 1 绪论 6 战略意义： ① 芯轴外套式双卷筒卷取机基于其特有的优点，被公认为国际同类设备中具有领先水平的设备； ② 芯轴外套式双卷筒卷取机综合技术开发采用了先进的分析计算方法，结合了强大的仿真设计软件，实现了整机的优化设计； ③ 项目设计结果，可有效的指导工程设计，缩短设计周期，提高设计效率。 芯轴外套式双卷筒卷取机，具有良好的市场前景。 该项目的成功开发，为我公司在冷轧设备设计带来显著的经济效益和社会效益。 重庆大学本科学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 7 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 卡罗塞尔卷取机的工作原理 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取带钢。 它由双卷筒及其传动系统、胀缩机构、共享的大转盘及其传动系统 (图 25)、外支撑和压力辊组成。 MP CMP CMP C1 3 a2 2 a1 7 1 3 b2 2 b4 b3 b53 a2 31 b2 b2 a76 1 a4 a 1a、 1b 卷筒 2a、 2b 头套 3a、 3b 套筒 4a、 4b 涨缩缸 5 齿轮箱 23 芯轴 6 转盘减速箱 7 联轴器 17 减速箱 13a、 13b 电机 22a、 22b 联轴器 图 21 芯轴式双 卷筒卷取机 主传动系统工作原理 传动系统是卡罗塞尔卷取机的核心部分，芯轴式传动系统卷取机的传动示意图如图 21 所示，传动系统由电机、联轴器、齿轮减速箱、外空心长轴、内空心长轴、芯轴、齿轮机构组成。 两个卷筒分别有各自的减速机构传动，电机到卷筒的传动路径为：电机 — 联轴器 — 减速箱 — 齿轮箱 — 卷筒。 卷筒结构工作原理 卡罗塞尔卷取机卷筒部分工作原理 (如图 22)如下： 重庆大学本科学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 8 图 22 卡罗塞尔卷取机卷取过程 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 1，如图 22(a)所 示，卷筒 1 处于胀径状态，在助卷器的助卷下卷取，进入稳定的卷取状态后助卷器让开，大转盘在大转盘驱动系统（图 25）的驱动下转动 180176。 ，如图22(b)所示， 1 号位置的卷筒 1 在卷取状态下转到 2 号位置，卷筒 1 加速到卷取速度继续进行卷取，如图 22(c)所示，同时 2 号位置上的卷筒 2 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 1 上带卷达到额定卷重后，通过传感器，张力辊压下，启动滚筒式飞剪机剪断钢板，带卷在三个压辊作用下将甩尾带钢卷好，然后卷筒 1 缩劲，卸卷，卸卷小车运走钢卷，与此同时 1 号位置上的卷筒 2 启动并逐渐达到喂料速度，开始穿带卷取，如图 22(d)、 (e)所示 ；至此，卷取机完成一个回转工作周期； 当达到图 22(a)的状态时大转盘再次转动，重复前述步骤。 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。 卡罗塞尔卷取机的主要构件 如上图 21 所示，芯轴外套式双卷筒卷取机的主要构件有：卷筒、大转盘、芯轴、减速箱、电机等部分。 卷筒 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 缩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。 此种结构的卷筒棱锥轴截面大，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图 24 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。 重庆大学本科学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 9 图 23 卡罗塞尔卷取机卷筒结构示意图 图 24 卡罗塞尔卷取机剖面卷筒结构示意图 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。 大转盘 大转盘驱动系统（如图 25）是由外齿圈、小齿轮、电机及减速装置组成，电机通过减速装置驱动小齿轮，通过大小齿轮啮合，从而驱动大转盘转动。 定位锁紧装置的作用是保证将卷筒固定在准确的工作位置，在大转盘的下方位置对称布重庆大学本科学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 10 置两个限位块及由液压缸控制的锁紧装置。 当 两个卷筒更换位置时，需要大转盘顺时针旋转 180176。 ，此时卷筒仍处于卷取状态，因此卷筒的传动采用类周转轮系传动机构。 图 25 大转盘及其传动系统 芯轴 芯轴外套式双卷筒卷取机采用的是两个套筒（内同心轴、外同心轴）套在一个芯轴上，三者可以各自运动，通过俩套筒分别将电机的转动传到 2 个卷筒上（如上图 21 所示）。 重庆大学本科学位论文 3 基本参数的确定 11 3 基本参数的确定 主传动系统设计 双卷筒卷取机主传动设计，主要包括以下几个部分：主电机选型校核，联轴器选型，减速器及齿轮座中齿轮传动设计，双列圆锥 滚子轴承选型，输入输出轴设计校核，普通平键，花键联接的校核等。 主电机的选型及校核 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。 卷取机速度控制要同时考虑一下两个因素：为适应机组速度变化而调整卷取速度时，不应影响电机的驱动力矩；为适应卷径变化而调整卷筒转速时，不应引起张力波动。 一般卷取机都同时采用恒力矩和恒功率两种调速方法，分别适应上述两种情况，以充分利用电机的容量。 ① 卷取机功率计算 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和动力 矩。 ⑴ 卷筒静力矩计算 卷筒的静力矩为： 12M TR M M   （ ） 式中： T —— 卷取张力（ N ）； R—— 带 卷半径（ m ）； 1M —— 使带钢塑性弯曲的变形力矩（ Nm ）， 21 /6sM bh  ； 2M —— 摩擦力矩（ Nm ），  2 /2M Fd  ； s —— 带材屈服极限； b—— 带材宽度（ m ）； h—— 带材厚度（ m ）； F—— 轴承受力（ N ）； d—— 轴承平均直径（ m ）； —— 轴承的摩擦系数； ⑵ 卷取静态功率计算 卷取静态功率为：1000j MvP R （ ） 将式 带入式 得： 12210006 0 . 510001 0 0 0 1 0 0 0jsT R v M v M vPRb h vTv F d vRR     （ ） 重庆大学本科学位论文 3 基本参数的确定 12 在功率计算中，式 的后两项的功率和比较小，通常情况为总功率的5%~10%，故把这两项折合成弹塑性变形系数 K，取 ~机的计算功率： 1000j KTvP  （ ） jP—— 电机的计算功率，（ KW ）； v—— 最高卷取速度（ /ms） —— 总效率，包括传动效率，摩擦损失，一般为 ~； 假设电动机的额定转速为 en 、最高转速为 maxn ，则交流变频电机在恒功率时的调速范围为： maxenq n ，成品钢卷的最大外径（ D）与带卷的内径（ d）比值 p ，当maxenDpqdn   时，电机的实际功率为： jPP ，但是在现在的带材生产线中，为了提高机组的生产效率，成品带卷的最大外径与内径之比 p 往往要大于 q ，此时令 pgq。 卷取时，卷取速度保持恒定，卷筒的转速随着卷径的变化而变化，由于 pq ，所以卷筒的转速变化范围超出交流变频电机的调速范围，选择电机功率时，应该考虑增加电机的计算功率，以保证电机在额定转速下工作时，有足够的力矩满足带材卷取时候所需要的张力，计算功率时应考虑增大电机的计算功率。 即电机的实际功率为： jgPP ，式中 g 为放大倍数。 例 ：根据设计参数：张力为 80000N，最高卷取速度为 20m/s，取弹塑性变形系数 K 为 ，电机总效率为。 由式 求得主电机功率为 2347KW，图纸上选取电机 2160KW。 由此可知以该方法选取电机和实际选取的电机有较好的一致性。 ② 卷取机动态功率计算（作为验算标准） 在设计中，要考虑带材卷取时候动态力矩对卷取功率的影响，为了方便起见，往往只是在静态功率上乘以 ~ 的动力系数，可以满足一般工程设计的要求，随着计算机的发展，在高速薄带材的轧制和卷取中，越来越多地采用计算机实时控制，这就需要为计算机提供十分精确的卷取力 矩、卷取动态力矩以及由动态力矩所引起的张力损失的数学模型。 动力矩有两部分，一部分是由于卷筒速度变化重庆大学本科学位论文 3 基本参数的确定 13 而引起的；另一部分是卷径。