卷取机

1轧钢机械第九章：卷取机（教材第十二章）计划学时：4学时2§1热带钢卷取机卷取机功用：卷取超长轧件（一般指线材、带材），以便储存、运输。它是热带钢轧机的配套设备，又可再分为地上式与地下式两种。以地下式的为最常用。一、设备布置与卷取工艺1、地下式卷取机的配置这种类型的卷取机位于工作辊道的下面，所以称之为地下式的卷取机。特点：工作条件恶劣，处于连续交替作业，生产节奏快。结构：由夹送辊、前后导尺、导板、助卷辊、卷筒组成。具体见F12-1。342、卷取工艺——控制速度以控制卷取张力。——带钢卷取。5以下简述卷取工艺过程：1、控制张力必须控制速度：当带钢头部离开轧机以后，辊道的速度必须大于轧制速度，目的是防止堆钢。而进入夹送辊以后，夹送辊的速度必须大于轧制速度，以建立张力。2、助卷辊的作用：轧件头部经导板进入卷筒与助卷辊之间，卷上2-3圈以后，助卷辊方可松开（厚板除外）。3、卷筒与轧机同步加速，卷取。4、卷取终了，必须使夹送辊速度小于卷筒速度，以维持张力。而且卷取速度应低，以保持稳定。一般现代化的卷取机最大卷取速度v=30m/s，卷重：45t，带钢厚度达：25mm；全部采用计算机控制，大卷重、高速化以提高生产能力。6带钢热连轧机地下式卷取机7一、1700三辊式卷取机的结构（地下式）性能及结构特点——见表12-1（p407）卷取速度：8-22m/s，卷重：30t；它由张力辊、卷筒以及助卷辊组成。1、结构与组成：张力辊：由上下辊组成（D1/D2=2：1，以利咬入。同时上辊偏向前方，以利轧件下弯），用气缸调整上辊的开闭；辊缝用千斤顶调整。张力辊前有风动导尺，其作用是使带钢边缘齐整。张力辊后有导板，使带钢能顺利进入卷筒。在有多台卷取机轧件8的情况下，上辊抬起，使带钢通过它进入下一台卷取机。2、卷筒：在高压下能实现胀缩，要有足够的强度与刚度。要有辅助支承，以增加刚度。一般采用斜楔式的斜面柱塞式，当液压缸（或复位弹簧）使得锥形心轴左移时，斜面效应使得卷筒张开，反之使卷筒收缩。卷筒的驱动有电机直接驱动及通过减速传动两种方式。直接驱动必须妥善解决胀缩缸设置问题。93、助卷辊：一般设有三个助卷辊沿圆周方向120度均布，起到压紧带钢头几圈的作用。武钢1700热轧卷取机助卷辊采用气动式的压紧方案，如图所示。助卷辊的最大的问题在于由于带钢头部层叠引起的冲击问题。过大的冲击往往引起助卷辊的损坏。在实际生产中采用液压控制的办法以减少冲击。10§2冷带钢卷取机开卷机卷取机11一、冷带卷取机的类型及工艺特点1、分类一般为卷筒式，主要由胀缩卷筒及传动装置组成，卷筒同时配有皮带助卷器或钳口。为改善轧制条件，改善板形，卷取整齐，卷取时必须有一定的张力。按张力的大小，可分为：轧制及平整线上的大张力卷取机及精整线（退火、酸洗、涂层作业线）上的卷取机。其卷筒大多是棱锥式、弓形块式。也有用实心卷筒的。2、工艺特点——张力：σ0以可逆式轧机为最高，比张力最大达0.5~0.8。而精整线为0.05~0.10最低（比张力定义为张力与相对应材料的屈服极限之比）。——几何形状：无论张开或缩起，必须为一整圆不能有缺口。12——稳定性：对于大张力薄带卷取，有产生塌卷的可能，这是不能允许的。——纠偏控制：一般采用光电元件——伺服阀，进行在线纠偏。如图所示。13二、冷带卷取机的结构一般以卷筒的结构进行分类。1、实心卷筒卷取机：其结构最简单，刚度大，可受大张力；但无法胀缩故无法卸卷。2、四棱锥卷取机：用于20辊1180轧机。它由四个扇形块、四棱锥（α=7045）及胀缩液压缸组成。液压油由左端的旋转接头进入液压缸使胀缩液压缸右移，同时使棱锥轴右移；锥轴上的四个斜面将扇形板沿径向顶开。而棱锥轴左移则实现卷筒收缩。在卷筒表面安有钳口，以固定带钢头部。14该卷筒刚度大，强度高，并可承受大的张力。缺点：卷筒涨开以后不是一个整圆。152、八棱锥卷取机：为改善带钢卷取的质量，使卷筒胀开以后为一整圆，发展了八棱锥卷取机。其扇形块锥角：α=12045，镶条锥角：α=1604351；增加镶条的目的在于填充扇形块间的间隙，使得卷筒无论张开或收缩均为一整圆。16其特点如下：——在卷筒压力较大时，由于其锥角较大，故可产生自动缩径，从而使压力减小。——胀缩楔块的楔角小于其摩擦角，故在卷取时，胀缩缸不受卷取力影响。除以上类型以外，还有弓形块式的（张开不是一个整圆），在冷轧原料段中也广为应用。17§3卷取机的设计计算首先根据工艺要求确定其结构形式，结构参数，最后进行强度校核。一、卷筒主要参数确定1、卷筒直径及筒身长冷带卷取——内层带材不产生塑性变形。热带卷取——开始几圈产生一定的塑性变形，以得到密实、整齐的带卷。由弹塑性理论可以推出：卷筒外径：D冷≥Ehmin/σs(mm)(12-1)D热≤0.2Eh平均/σs(mm)(12-2)其中：h平均=(hmax+hmin)/2；σs——卷取温度下轧件的屈服极限，其大小见p419。182、卷筒径向压力计算卷筒外径D不宜过大，也不宜过小，应综合考虑卷取工艺及材料强度。也可用经验公式，如：D=（150——200）hmax筒身长一般大于等于轧辊辊身长。卷筒胀缩量△D=15——40mm，热带取上限。卷筒径向压力直接影响卷筒强度以及胀缩缸的推力；并影响卷取质量。它受许多因素的影响：如与张力，带卷外径，卷筒刚度，层间滑动及摩擦等因素有关。由于该问题在理论上极具深度，故而难度很大。以下仅介绍这方面的部份研究成果。19——英格利斯（C.E.Englis）公式：其本假设：将带卷及卷筒均视作厚壁弹性圆筒，在张力作用下，每层带卷均受一均布的径向压力Pi的作用，而卷筒压力是所有各层带卷对卷筒所产生的径向压力增量之和。假设带材与卷筒弹性模量相同，各向同性，在张力恒定、各层无滑动的条件下，卷筒径向压力分析为弹性力学的平面轴对称问题。在卷取第i+1层带钢时，由拉密解答及r2处的变形协调条件，可解出卷筒径向压力增量△Pi为：MPaprrrrrrpii.2221222122(12-3)20而pi=σ0h/r；σ0——单位张力MPah——带材厚度r——第i层带材半径，mmr1——卷筒当量内半径r2——卷筒当量外半径对弓形块卷筒：r1=弓形块最薄处内径；实心卷筒：r1=0；21.对四棱锥卷筒：ArAAArr2ln22222221A——棱锥横断面的二分之一边长的平均值（mm）。令h=dr，以积分代替和式，得出卷筒表面压力P的公式：MParrrRrrdpppcRcrii212221222210ln122Rc——带卷外径，mm；而带卷表面的切应力（12-5）：MParrrRrrc212221222210ln122（12-4）22.以上公式表明，卷筒压力及其切向压力是带卷及卷筒的尺寸（r1、r2、Rc）以及张力的函数。卷筒压力P随当量内半径r1的增加而减少，随带卷外径Rc增大而增大；切向压力σt随当量半径r1的增加而减少，随Rc增大而增大（负值）。23——自动缩径卷筒径向压力的计算由以上分析可以看出，r1=0的实心卷筒，带卷D越大，则卷筒表面的压力P越大；这样使得卸卷困难，并使得卷筒及棱锥容易发生破坏。为此，新设计的卷筒采用自动缩径，或称之为“可控刚度卷筒”；即采用棱锥角等于7度30分到8度的卷筒，使其大于磨擦角而不致自锁。其原理如下：当带卷外径Dc增加时，卷筒压力随之增大，而作用在棱锥上的水平力Q＇也增大。当Q＇Q时，棱锥轴向右移，使卷筒压力P减小，而Q＇也随之下降。随着带卷外径的增加，卷筒压力P与Q＇又增加，当其到达其临界值P0时，又产生缩径而使其减小。这种当径向压力不断增加—缩径—压力减小—压力增加……这一过程称之为缩径。24缩径使卷筒径向压力减小，一般缩径量为0.18—3mm。但过大的缩径量会使内层带卷切向应力加大，甚至引起塌卷。所以必须正确确定P0的值，保证适量的缩径。25——自动缩径时压力计算的丛书和公式：MParRcfkp210ln21而系数k：k=c[0.15+1/(1.5+(Rc/r2)2)]c——卷筒刚度系数；对四棱锥卷筒c与关系见图12-20。当锥角=14度——16度时，推荐c=1.45—1.6，以此作为平衡力的计算依据。这是自动缩径状态下的卷筒压力计算公式，教材还给出了自锁状态下的径向压力计算公式。以上公式可用于卷筒的强度校核。26——胀缩缸平衡力的计算根据以上推出的卷筒径向压力计算公式，即可对胀缩缸的平衡力进行计算。锥面间的反力：如图，带卷对每一扇形块的等效压力：DBpdpBrP22cos24/02B——带卷宽；D——卷筒外径。27假设卷筒收缩时，扇形块受力如图示，由力的平衡条件，可解出法向力N：]sin2cos1/[222ffPN2、胀缩缸平衡力计算由图可以得出：NfffPQtan21)(tan4222228由于在卷取过程中，tgαf2，即卷筒不自锁，这就必须有Q0方可平衡。由上式简化之，得：NfDBpQ)(tan222对于不自动缩径的卷筒tgαf2，此时，Q用于卸卷，其方向与图示相反：NfDBpQ)tan(222f2一般取0.08——0.12.一般自锁角由f确定，当α6度时自锁；而α=7.5—8度时，可实现自动缩径。而棱锥锥角越大，轴向平衡力越大。29二、卷筒传动设计1、卷取机的速度控制为适应机组出口速度而调速时，由于此时带钢的张力与带卷的半径不变，所以驱动电机的驱动力矩不变——应调电压。（N=Fv，功率N随速度而增大）即恒力矩。当卷径变化而需调速时，张力应保持不变，此时驱动力矩是变的——应调励磁。（N不变、即恒功率）2、电机的额定转速与速比卷取计算转速：nj=30vmax/πRcmax(r.p.m)30对电机直接驱动的卷取机：ner≥nj，否则，减速机的速比为：i=ner/nj3、励磁调速范围与最大卷径比为保持卷取过程中恒张力卷取，必须保持恒功率，这就意味着，其励磁调速范围应满足以下要求：由于有：vmax=2πRcner/60i=πDnmax/60i；所以：nmax/ner=2Rc/D，D——卷筒外径。314、卷取时电机功率计算卷取功率一般由卷取张力，塑性弯曲变形，卷取速度，摩擦阻力确定：kWTvkNNjer1000)(max2（12-13）k2——塑性弯曲及摩擦影响系数，取k2=1.1—1.2。T——张力，N；v——卷取速度，m/s；η——传动效率，0.85—0.9。（Tv）max表示在各种工艺条件下，Tv乘积的最大值。Nj为计算功率。如有两台以上卷取机同时交替工作，则：kWtttNNwwjer0（12-14）32tw、t0——为卷取时间及间歇时间；一般有：tw=t0，所以有：Ner=0.7Nj过载校核：Mz/λη≤Mer(12-15)λ——电机的过载系数，Mer——电机额定力矩=9550Ner/ner(N.m)而最大力矩：Mz=MT+Mb+Mj+MfNm(12-15a)各力矩的意义及计算方法如下：•带材弯曲产生的阻力矩：Mb=Bh2σs/4i×10-3Nm33NmPidMRjjjj3102PRj表示第j个轴承的支反力，它应由张力与卷筒、最大卷重共同产生。•加速卷取的动力矩：•张力产生的阻力矩：MT=DwBhσ0/2i×10-3NmDw--带卷外径•卷筒轴承的摩擦阻力矩：NmGDDDiBSGDdtdniMpwmj2449221082.38