极薄板开卷机设计与计算

①ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1981 年出生， 作者简介： 杨柳， 男， 工程师， 硕士， 毕业于武汉科技大学机械设计理论专业， 主要从事轧机平整机设备设计与研究
— 27 —
总
第 193
期
冶
金
设
备
2012 年 2 月第 1 期
如图 3 所示， 卷筒上合力为 F = 270270N。 3． 1 开卷机支反力计算 卷筒主轴为 卷筒主轴受力简图如图 4 所示， 三支点、 变截面超静定结构， 而且截面变化很大， 通过材料力学的方法计算比较困难。 这里采用
图4
卷筒轴受力图
Ra － 外支撑反力； Rc， Rb － 齿轮箱反力； P － 卷筒主轴均布力； D － D － 危险截面
在 ANSYS 中选用 Link 单元体， 将主轴根据 分 别 定 义 截 面 属 性。 对 截面 变 化 定 义 为 8 段， Ra、 Rb、 R c 三点采用简支梁约束， 在受力段均布 加载 P = 230N / mm， 分析结果如图 5 所示。
1
引言 也 极薄板是具有高附加值的钢材品种之一，
设计前进行准确的强度和挠度计算显得十分重 要。 2 开卷机卷筒结构型式 宝钢益昌薄板厂双机架平整机是用于极薄 其开卷机结构型式如图 1 所 板生产的重要设备， 示， 卷筒主要部件有： 卷筒主轴、 棱锥体 1 、 扇形 棱锥体 2 、 横键、 拉杆等。在卷筒涨缩时， 拉杆 板、 通过横键拉动棱锥体在主轴上滑动， 棱锥体斜面 通过斜面驱动扇形板作径向 与扇形板斜面接触， 运动。由 于 卷 筒 尺 寸 受 到 限 制， 棱锥体分为三 与主轴间隙配合， 主轴直径较小， 为受力薄弱 段， 的部件， 下面主要针对主轴进行强度校核 。
the shaft dimension of mandrel is also restricted， and check ＆ evaluation to the fatigue strength of the manduction ， drel shaft is necessary in high speed， heavy load， large impact working condition． This article has regarded Baosteel temper mill as the target， analyzed the shaft stress and static deflection， calculated fatigue strength， optimized the deimproved safety coefficient． sign of mandrel shaft ， KEYWORDS Paperthin strip Payoff reel Mandrel shaft Fatigue limit Finite element
是我国钢材品种中缺口最大、 进口最多、 供需矛 每年需耗巨资进口， 产品特点 盾最突出的品种， 屈服限小， 最小厚度仅为 0． 15mm。 开卷 就是薄， 机是极薄板平整机组的重要设备， 在轧制过程中 其工况为高速、 重载、 大冲 为带钢提供稳定张力， 击， 对设备强度提出了很高要求； 另一方面， 为了 生产厂钢卷直径越来越大， 卷重也越 提高产量， 来越大， 开卷机所需承载能力也随之提高。 根据 工艺 要 求 极 薄 板 开 卷 机 卷 筒 真 圆 直 径 仅 为 420mm， 由于卷筒直径较小， 卷筒轴更加单薄， 在
4 平均卷重 13t 计， 即年生产 3 ． 5 × 10 个钢卷。 平
式中： S τ —扭矩作用时的安全系数； τ － 1 —对称循环应力下的材 料 扭 转 疲 劳 极 MPa； 限， K τ —扭转有效应力集中系数； β—表面质量系数； MPa； τa ， τ m —弯曲应力值和平均应力， ε τ —尺寸影响系数； ψ τ —平均应力折算系数； 根据开卷机工作情况， 扭转应力循环特性 应力幅和平均应力为： 脉动循环， τa = τ max ； τm = τa 2
卷重量： G = 24150kg； 开卷张力： T = 24kN； 开卷速 度： V = 1500m / min； 卷筒直径： 420mm； 卷筒涨缩 范围： 380mm ～ 430mm。 开卷机立面简图如图 2 所示， 开卷机张力方 在平整过程中， 张力大小保持不变， 向为斜向下， 方向随着卷径变化而变化， 这里取最大值状态。 卷筒主轴在工作中不仅受到钢卷重量和带钢张 而且还要在高的转速下承受一定冲击 力的作用， 负荷， 这种冲击负荷主要有以下两种形式： 1 ） 钢 卷形状不规整而产生的惯性冲击； 2 ） 退火后带钢 在开卷时由粘接而产生的张力波动。 经现场观 察来料钢卷卷形较好， 因此惯性冲击较小， 可以 忽略； 经罩式退火炉退火后的薄带钢层间粘结比 较严重， 在开卷过程中带钢层间撕裂会导致张力 这里取张力冲击系数 1． 75 ， 卷筒受力分析 波动 ，
（ WISDRI Engineering ＆ Research Co． ， Ltd， Wuhan 430223 ）
ABSTRACT A type of small dimension mandrel is required according to the technics of paperthin strip pro-
Total No． 193 February 2012
冶 金 设 备 METALLURGICAL EQUIPMENT
总第 193 期 2012 年 2 月第 1 期
极薄板开卷机设计与计算
杨
柳①
湖北武汉 430223 ）
（ 中冶南方工程技术有限公司
摘要
极薄板生产要求较小的开卷机卷筒 ， 卷筒主轴截面尺寸受到限制 ， 在承受高速、 重载、 大冲击的工
期
冶
金
设
备
2012 年 2 月第 1 期
计的全方位在线对弧调整装置， 对弧调整变得十 分简单方便： 按照检测结果， 使用扳手调整丝杆 不用增添 实现对弧调整； 达到了不用起重设备、 有效防止使用起重设 调整片就可以对弧的目的， 因配合失误造成的伤害， 实现了安全本 备对弧， 质化； 同时提高了连铸机对调整精度， 减少设备 提高生产效率， 取得了良好的效果。 检修时间， 4 结束语 在扇形段四个支撑点上分别布置四套所设 通过其丝杆带动支撑点绞座 计的对弧调整装置， 移动， 带动扇形段支撑点滑动、 转动， 实现扇形段 翻转、 扭动， 从而实现扇形段全方位在 整体平移、 线精确对 弧， 并靠调整螺纹自身锁紧保持稳定 解决了连铸机扇形段 （ 冷却段 ） 之间在线安 性， 检修更换时整体对弧精度不高的难题。 上述 装、 设计与应用， 可根据不同结构的扇形段再作具体 满足现场要求。 所设计的全方位对弧调整 设计， 调整维修方便、 在线对 装置的优点是： 结构简单、 弧调整范围大， 适合对矩形坯、 板坯连铸机扇形 段对弧方式的改造， 可大幅度提高矩形坯、 板坯 减少设备维修时 连铸扇形段在线检修对弧精度，
杨柳： 极薄板开卷机设计与计算
2012 年 2 月第 1 期
单根主轴使用寿命 5 年进行疲劳强度计算。 选 择卷筒轴材料为 30Cr2Ni2Mo， 调质处理， 其余取 值为 σ － 1 = 512MPa； K σ = 1 ． 77 ； β = 1 ． 7 ； ε σ = 0 ． 54 ； ψ σ = 0 ． 43 ； σ a = 106 ． 93MPa； 带入式（ 1 ） 得： 改善前 D － D 截面弯曲安全系数： S σ = 1 ． 752 改善后 D － D 截面弯曲安全系数： S σ = 2 ． 488 改善设计后安全系数提高 1 ． 42 倍。 3． 3
2 S2 τ + Sσ 槡
（ 3）
S τ = 4 ． 333 代入式 （ 3 ） 得 S = 将 S σ = 2 ． 488 ， 2 ． 153 许 用安全系数取 S p = 1 ． 8 ， 比较许用安全系 （ 转 70 页） — 29 —
均生产单个钢卷开卷机转动次数约为 1000 转， 以
总
第 193
取值 τ － 1 = 312MPa； K τ = 2 ． 39 ； β = 1 ． 7 ； ε τ = 0 ． 6 ； ψ τ = 0 ． 43 ； τ a = 25． 96MPa； 带入式（ 2 ） 得： S τ = 4． 333 3． 4 综合安全系数 D － D 截面综合安全系数为： S= Sσ Sτ
图6 卷筒主轴 D － D 截面图
5 3
扭转疲劳强度校核 D － D 截面扭矩 T d = 4． 2 × 10 7 N． mm D － D 截面模量如图 5 所示 （ 考虑空心圆筒，
W z = 4 ． 23 × 10 mm D － D 截面弯矩：
M d = 4 ． 521 × 10 7 N． mm 截面最大弯曲应力： σ max = M d / W z = 106 ． 93MPa D － D 截面的弯曲安全系数 Sσ = σ －1 Kσ σ + ψσ σm βε σ a （ 1）
图5 扇形段支撑点对弧调整装置布置图
分析主轴应力状态及静态挠度 ， 计算 况下进行疲劳强度校核十分必要 。以宝钢极薄板平整机开卷机为对象 ， 疲劳强度， 优化设计， 提高安全系数。 关键词 极薄板 开卷机 卷筒 主轴 疲劳极限 有限元 A 中图分类号 TG333． 2 + 4 文献标识码
Design and Calculation of Pay-off Reel for Paper-thin Strip Yang Liu
图1
5 —横键； 6 —拉杆
开卷机卷筒图
1 —卷筒主轴； 2 —棱锥体 1 ； 3 —扇形板； 4 —棱锥体 2 ；
定义为多个杆单元组 有限单元法将此主轴离散， 合在一起， 分段定义杆单元的截面属性， 非常有 利于分析这种结构。 采用有限单元法分析卷筒主轴支反力和挠 度。
3
卷筒主轴疲劳强度校核 根据工艺要求， 开卷机设计条件参数为： 钢
图5
卷筒主轴受力有限元分析图
Rb、 R c 及挠度 f： 提取计算值： R a、 Ra = 68750N； Rb = 332700N； Rc = － 131180N； f = 0． 754mm 3． 2 开卷机主轴疲劳强度计算 D － D 截面位于弯矩最大的位置 （ 如图 4 所 直径由 220mm 过渡到 200mm， 截面较小 示） ， 而且存在过渡倒角， 应力集中系数最大。 取 D － D 截面为危险截面进行疲劳强度校核 。提取 D － D 截面如图 6 所示。 D － D 截面系数（ 选取最小值进行计算） ： — 28 —
键以及中间横孔对轴承的影响） z p = 1． 04 × 10 6 mm3 截面最大扭转剪应力： τ max = T d / z p = 25． 96MPa 截面扭转安全系数： Sτ = τ －1 Kτ τ + ψτ τm βε τ a （ 2）
式中： S σ － 弯矩作用时的安全系数； σ － 1 － 对称循环应力下的材料弯曲疲劳极 MPa； 限， K σ － 弯曲应力集中系数； β － 表面质量系数； MPa； σa ， σ m － 弯曲应力值和平均应力， ε σ － 尺寸影响系数； ψ σ － 平均应力折算系数。 由式（ 1 ） 知， 为了提高弯曲安全系数主要有 以下方式： 1 ） 增大 σ － 1 ， 提高材料的疲劳极限； 2 ） 增大 β， 对主轴提高精加工等级和进行表面强化 处理； 3 ） 降低 K σ ， 对主轴过渡倒角及键槽取合适 降低应力集中系数。 的倒角和倒圆， 如图 6 所示， 基本设计中键槽终止线与过渡 其应力集中系数互相影响， 为了 倒角距离很近， 降低 K σ ， 可将键槽终止线与过渡倒角在设计上错 避免应力集中系数在此处累积， 改 开 50 ～ 70mm， 进设计后 K σ 由 2 ． 51 降低到 1 ． 77 。 根据开卷机工作情况， 其弯曲应力循环特征 为对称循环， 应力值和平均应力为： σ a = σ max ； σ m = 0 以年产量 45 ． 2 万 t， 年生产时间 6000 小时，