大張力卷取機(jī)上套筒的應(yīng)用分析

供稿|代晶波,馬運(yùn)剛 / DAI Jing-bo, MA Yun-gang

內(nèi)容導(dǎo)讀

對(duì)大張力四棱錐卷筒在縮徑工作狀態(tài)下所受徑向力進(jìn)行分析,通過(guò)在卷筒上增設(shè)一個(gè)套筒并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)了集實(shí)心卷筒與縮徑四棱錐卷筒的優(yōu)點(diǎn)于一身的目的.有效提高了四棱錐卷筒的承載能力,拓寬了該類(lèi)型卷筒的應(yīng)用范圍,如在較薄較寬帶材、合金鋼、不銹鋼等軋制領(lǐng)域的應(yīng)用.

卷取機(jī)是軋鋼車(chē)間的主要輔助設(shè)備之一.冷軋帶鋼卷取機(jī)是在常溫下將很長(zhǎng)的帶鋼卷成鋼卷的機(jī)械設(shè)備,同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶張力軋制,以達(dá)到降低軋制負(fù)荷,減少帶鋼翹曲現(xiàn)象,提高帶鋼表面質(zhì)量的目的[1].近代冷軋生產(chǎn)向高速度、大張力、大卷重方向發(fā)展,這就對(duì)卷取機(jī)的強(qiáng)度和剛度提出了更高的要求.

在可逆式軋機(jī)上軋制時(shí),帶鋼的張力由卷取機(jī)產(chǎn)生.因而這種卷取機(jī)要承受很大的張力,在寬帶或多輥軋機(jī)軋制合金鋼薄帶材時(shí)帶鋼的張力有時(shí)可達(dá)400~500 kN,甚至更高.帶鋼對(duì)卷筒產(chǎn)生的徑向壓力極大.很長(zhǎng)一段時(shí)間里都是應(yīng)用帶鉗口的實(shí)心卷筒來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求.這是因?yàn)槌跗诘乃睦忮F卷筒錐面傾斜角α=6°小于摩擦角,在工作過(guò)程中卷筒棱錐面處于自鎖狀態(tài),徑向壓力有時(shí)達(dá)到350~700 MPa.在這種壓力下卷筒會(huì)產(chǎn)生塑性變形,錐面壓力過(guò)高,難于卸卷,磨損也較快[2-4].

設(shè)備現(xiàn)狀

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,四棱錐卷筒的結(jié)構(gòu)逐漸改進(jìn),棱錐斜角加大到7°以上,一般采用7°30′、7°45′、8°.其目的在于創(chuàng)造卷筒在卷取過(guò)程中產(chǎn)生自動(dòng)縮徑的條件.并在脹縮缸回路加裝常開(kāi)式溢流閥,調(diào)整溢流閥的壓力就可控制卷筒的自動(dòng)縮徑量,從而使卷筒達(dá)到可控剛度的目的[1].

實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)卷筒自鎖時(shí),隨著帶材層數(shù)的增加,徑向壓力不斷增大.但若棱錐角不自鎖,則隨著徑向壓力的增加,卷筒直徑會(huì)產(chǎn)生微量的收縮,據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這一縮徑量可達(dá)0.18~3 mm,對(duì)降低卷筒徑向壓力就起到了很大的作用.圖1以對(duì)比形式表示出自動(dòng)縮徑(α=7°45′)與自鎖卷筒(α=6°)實(shí)測(cè)徑向壓力變化曲線(xiàn)[1-2].這是由于卷筒在縮徑的同時(shí),帶材各層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì),帶材各層間的摩擦阻力起著內(nèi)層支撐外層的作用,從而使卷筒的徑向壓力降低.但應(yīng)指出,帶材間產(chǎn)生不適量的相對(duì)滑動(dòng)是不允許的,因?yàn)檫@會(huì)損傷帶材表面.縮徑卷筒的理想工作狀態(tài)是,控制脹縮液壓缸的壓力大小,使帶材表面在無(wú)劃傷的條件下,縮徑量盡量大些.

圖1 不同棱錐角的壓力試驗(yàn)曲線(xiàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,每卷帶材要經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)道次才能軋制成成品,也就意味著每道次卷筒承受的徑向力也不盡相同,縮徑量也會(huì)發(fā)生變化.

現(xiàn)通過(guò)不銹鋼軋制實(shí)例來(lái)說(shuō)明該問(wèn)題.卷筒徑向壓力的計(jì)算方法目前較多,這些公式在推導(dǎo)時(shí)一般都把卷筒簡(jiǎn)化為一個(gè)厚壁圓筒,考慮了圓筒受力后的彈性變形與應(yīng)力的關(guān)系,但沒(méi)有考慮卷筒的自動(dòng)縮徑和帶層之間的摩擦.每道次卷筒所受徑向壓力如表1.

表1 每道次卷筒所受徑向壓力

改進(jìn)分析

生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,卷筒縮徑量控制在1 mm以?xún)?nèi)比較合理.實(shí)際上在大張力卷取機(jī)上卷筒脹縮缸能力和所采用的液壓回路保持這一數(shù)值是比較困難的.在不降低最后幾道次軋制張力,努力提高脹縮缸能力及改進(jìn)鉗口設(shè)計(jì)的前提下,可以考慮在卷筒外加上一個(gè)套筒來(lái)改善四棱錐縮徑卷筒的服役環(huán)境,如圖2所示.

圖2 加套筒后卷筒受力簡(jiǎn)圖

由受力圖可知,套筒主要受帶卷施加的徑向壓力P,4塊扇形板對(duì)套筒的支反力N,軋制張力T和內(nèi)徑摩擦力F.

假設(shè)工作狀態(tài):不考慮扇形板的支撐作用,卷筒只為套筒的相對(duì)靜態(tài)平衡提供摩擦力F,使力F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小等于軋制張力T產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩.套筒不看作剛性體,在P的作用下,套筒會(huì)發(fā)生彈性變形,即

分析表1數(shù)據(jù)可知,卷筒所受的徑向壓力在不同道次中變化很大,在脹縮缸結(jié)構(gòu)尺寸不可能做的太大,脹縮缸液壓壓力又是控制不變的情況下,在后面幾道次時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)很大的縮徑量.這不僅可能導(dǎo)致層間帶面劃傷,還會(huì)有卸卷后塌卷的可能.引起塌卷現(xiàn)象的因素很多[3],但主要原因還是卷筒縮徑量過(guò)大引起的.縮徑量過(guò)大則引起鋼卷內(nèi)層切向力過(guò)高,再加上鉗口凹陷處卷筒無(wú)徑向力支撐,造成鋼卷內(nèi)層在此處的力系失去平衡,產(chǎn)生塌陷.例如武鋼20輥軋機(jī)卷筒縮徑量已超過(guò)2.5 mm,產(chǎn)生過(guò)多次塌卷,造成生產(chǎn)事故.套筒發(fā)生縮徑.

有了套筒剛度的支撐,卷筒所受徑向壓力會(huì)很小.為安全起見(jiàn),設(shè)計(jì)時(shí)可以將產(chǎn)生摩擦力的正壓力加大,由四棱錐卷筒的縮徑功能來(lái)實(shí)現(xiàn),使達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡條件下的套筒剛度足夠大[5].即使這樣,卷筒所受的徑向壓力也會(huì)遠(yuǎn)小于不加套筒時(shí)的徑向壓力.有了套筒剛度的支撐,對(duì)于帶鋼卷取過(guò)程來(lái)說(shuō),基本等效于卷在實(shí)心卷筒上.這樣既保證了在卷取機(jī)處的帶鋼板形,又不會(huì)產(chǎn)生塌卷現(xiàn)象.因此,對(duì)套筒剛度的合理設(shè)計(jì)--不使套筒在發(fā)生彈性縮徑時(shí)出現(xiàn)帶材表面劃傷的現(xiàn)象便成了解決問(wèn)題的關(guān)鍵.

套筒優(yōu)化

鑒于服役條件的不同,套筒的主要參數(shù)壁厚和長(zhǎng)度有必要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).圖3展示了套筒、卷筒所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)模型.為保證設(shè)計(jì)的套筒有足夠的剛度與強(qiáng)度,進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)不考慮扇形塊的支撐作用,使套筒內(nèi)徑自然收縮,分析模型如圖4所示,運(yùn)用Simulation軟件進(jìn)行有限元優(yōu)化分析.

圖3 結(jié)構(gòu)模型爆炸圖

圖4 分析模型

以表1中的第7道次為設(shè)計(jì)條件,計(jì)算中R應(yīng)取套筒外半徑,考慮到套筒應(yīng)有足夠的安全系數(shù),故仍采用原計(jì)算數(shù)據(jù).套筒在1300 mm寬度范圍受141 MPa的徑向壓力,設(shè)定套筒長(zhǎng)度優(yōu)化范圍1400~1800 mm,套筒壁厚100~300 mm,依據(jù)已知參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行迭代優(yōu)化[6],優(yōu)化目標(biāo)為應(yīng)力最小化、變形最小化.軟件自動(dòng)優(yōu)化出:套筒長(zhǎng)度1633.5 mm,壁厚205.3 mm.優(yōu)化后的套筒有限元分析結(jié)果云圖見(jiàn)圖5,最大變形量在內(nèi)壁中部大小為0.576 mm,最大von Mises等效應(yīng)力亦在內(nèi)壁中部大小為385.1 MPa.

圖5 有限元分析結(jié)果

將優(yōu)化后的套筒應(yīng)用于生產(chǎn),即使沒(méi)有卷筒的支撐,套筒外徑的縮小量?jī)H有1.064 mm,不會(huì)導(dǎo)致縮徑時(shí)帶面的劃傷.卷筒縮徑1.153 mm(套筒內(nèi)徑縮小量)即可達(dá)到上述的假定工作狀態(tài),此時(shí)卷筒受到較小的徑向壓力.由于在優(yōu)化計(jì)算施加載荷時(shí)取了較大值,因此可將圓整后的寬度1630 mm,壁厚205 mm作為套筒的最終設(shè)計(jì)參數(shù),此時(shí)仍有足夠的安全系數(shù).如表1所示軋制工藝,可以在第5道次開(kāi)始使用套筒,這樣便有效保護(hù)了卷筒,達(dá)到滿(mǎn)足軋制工藝需求的目的.

不同的軋制生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用的套筒也應(yīng)是不同的,即使在同一條生產(chǎn)線(xiàn)上軋制不同規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)也應(yīng)使用與其相適應(yīng)的套筒規(guī)格,以便更有效地保護(hù)卷筒,減少生產(chǎn)事故.

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)卷筒在服役時(shí)的受力情況進(jìn)行分析,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的使用情況,對(duì)在卷筒上加裝套筒的使用工況進(jìn)行了理論分析,并對(duì)套筒進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).使四棱錐卷筒在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了集實(shí)心卷筒與縮徑卷筒的優(yōu)點(diǎn)于一身,有效提高了四棱錐卷筒的承載能力,拓寬了該類(lèi)型卷筒的應(yīng)用范圍,使其能應(yīng)用于大張力軋制的生產(chǎn)線(xiàn)上.

加裝套筒法已經(jīng)在很多生產(chǎn)線(xiàn)上得到推廣應(yīng)用.例如:軋制普碳鋼時(shí),在最后道次加裝,不僅保護(hù)了卷筒,而且還保證了成品的質(zhì)量.在酒鋼20輥軋機(jī)上軋制不銹鋼帶時(shí),當(dāng)產(chǎn)品厚度小于1 mm時(shí)開(kāi)始使用套筒,從根本上解決了塌卷問(wèn)題,同時(shí)也保證了產(chǎn)品質(zhì)量.

卸卷時(shí)套筒隨帶卷一起卸下,后道工序如復(fù)卷時(shí)套筒便可分離出來(lái),循環(huán)使用.既解決了大張力卷取問(wèn)題又不增加輔助時(shí)間.但套筒在多次重復(fù)使用可能會(huì)產(chǎn)生塑性變形,因此要經(jīng)常檢查、修復(fù),以保證其充分發(fā)揮作用.

致謝:本課題在進(jìn)行過(guò)程中,得到了公司博士后流動(dòng)站和王銘宗教授的大力支持,在此一并表示最真摯的感謝.

[1] 邊金生. 軋鋼機(jī)械設(shè)備. 北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[2] 黃華清. 軋鋼機(jī)械. 北京:冶金工業(yè)出版社,1979.

[3] 鄒家祥,施東成. 軋鋼機(jī)械理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 北京:冶金工業(yè)出版社,1993.

[4] 劉瑞堂. 機(jī)械零件失效分析. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[5] 王文斌. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[6] 張洪信,趙青海. ANSYS有限元分析自學(xué)手冊(cè). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.