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卡罗塞尔卷取机动态特性分析及仿真研究pdf

归档日期:04-24       文本归类:动态扭斜      文章编辑:爱尚语录

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  重庆大学 硕士学位论文 卡罗塞尔卷取机动态特性分析及仿真研究 姓名:戴文军 申请学位级别:硕士 专业:机械设计及理论 指导教师:王勇勤 2010-05 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 卷取机是带钢生产线上的重要设备,广泛应用于带材生产中。随着现阶段钢 铁产业结构的不断调整,卷取设备正向着高速度、大张力、高自动化程度的方向 发展。 卡罗塞尔卷取机是目前世界上最为先进的冷轧带钢卷取设备,目前国内大部 分卡罗塞尔卷取机都是整套引进,对其理论研究都不是很深入,特别是扭振及动 态响应方面研究更少。例如在实际生产应用中,轧钢设备的传动系统安全系数尽 管取得较大,但还是时有发生用静态理论分析无法解释的设备事故。经现场实测 和理论研究表明,这些事故往往与传动系统的扭振及动态冲击有关。对卡罗塞尔 卷取机的动态特性进行深入的研究,对该设备的国产化具有很大的工程应用价值。 本论文依托某工程技术股份有限公司和重庆大学签署的“芯轴外套式双卷筒 卷取机综合技术开发”项目,对卷取机进行动态特性分析及仿真研究,主要内容 包括: 分析了卡罗塞尔卷取机的工作原理及机构形式;针对卷取机的传动系统应用 集中质量法及惯量、刚度等效原则进行了简化并建立了扭振力学模型;利用拉格 朗日方程法建立了动力学数学模型,通过MATLAB 编程求解得到系统扭振固有频 率及主振型,并与有限元法相互验证;建立了系统的动态响应分析模型,采用经 典模态理论计算了特定负载下的动态响应及响应放大系数;为优化主传动系统的 动力结构设计,对卷取机进行灵敏度分析,得到了刚度灵敏度及惯量灵敏度;利 用 ADAMS 软件的多体动力学仿真功能对卷取机系统进行动力学仿真,模型中融 入了传动精度,齿轮啮合刚度以及轴的阻尼比等影响因素,并分析了各因素对卷 取动态特性的影响趋势。 本论文在国内外资料相对缺少的条件下,对卡罗塞尔卷取机的动态特性进行 了较为深入的研究,为卡罗塞尔卷取机的设计优化及工程应用提供了必要的理论 依据。 关键词:卡罗塞尔卷取机,扭振分析,动态响应,灵敏度,动力学仿真 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ABSTRACT Coiler is an important equipment in the strip production line, which is widely used in the production of strip rod. With the steel industry structure adjusted step by step at this stage ,coiler equipment has been made towards the high speed, high tension and high automation. The carrousel coiler is the most advanced cold strip coiler device in the world. As most carrousel coiler was introduced from abroad, the study of carrousel coiler is not quite further, especially the study of torsional vibration and dynamic response. For example,in the practical production, there are many equipment accidents that cannot explained with the static theory, in spite of the safety factor of steel rolling equipment was took as large as possible. The field measurement and theoretical study have shown that these incidents are often related with the torsional vibration of transmission. It’s quite important for localization of carrousel coiler by make deep research on the dynamic characteristics. Based on the project called “comprehensive technology development of carrousel coiler”, which is signed between a company and Chongqing University, the dynamic characteristics of the coiler was analyzed and studied in this paper, and main work was as follows: The working principal of carrousel coiler is introduced ;The torsional vibration mechanical model of transmission system is built by employing lumped-mass method and equivalence principle; using Lagrange equation method to establish the dynamic mathematical model, using MATLAB program to get the natural frequency and principal mode of torsional vibration and getting fine mutual verification with fem analysis; building the dynamic response analysis model and using classical modal analysis theory to calculate the amplification factor; in order to optimize structure design ,analyzing the main transmission system sensitivity , getting the stiffness sensitivity and inertia sensitivity; at last,building the carrousel driven system simulation model by using ADAMS Multi-body dynamics function, analyzing how the transmission accuracy 、gear mesh stiffness、damping ratio of shaft affect the carrousel coiler dynamic characteristics. In this paper, under the conditions of the lack of relevant information both at home and abroad, the dynamic characteristics of the coiler are deeply researched, applying the II 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 theoretical basis for the design and optimization of carrousel coiler. Keywords: carrousel coiler, torsional vibration analysis, dynamic response,sensitivity, dynamic simulation III 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1.1 冷带钢卷取机概述 卷取机是带钢生产线上的重要设备,广泛应用于带材生产中,其主要作用是 将超长轧件卷取成卷,以便于贮存和运输。卷取机是一个集机械、液压、控制、 电器、传动为一体的复杂系统,其设备质量水平的高低直接影响带钢生产线的生 产效率和带钢的质量。随着钢铁产业结构的逐步调整,国内外大多数钢铁生产线 的卷取设备正向着高速度、大张力、高自动化程度的方向发展。因此,对高速、 大张力卷取设备的研究越来越受到重视。 卷取机技术经过几十年的发展,已经达到了一个较高的水平。目前,冷轧带 钢卷取机绝大多数采用卷筒式卷取机,其设备配置比较简单,主要由卷筒及其传 动系统、压紧辊、活动支撑和推卷、卸卷等装置组成。卷筒及其传动系统构成卷 [2] 取机的核心部分。另外,高生产率的卷取机往往还设有助卷器 。 1.1.1 冷带钢卷取机的分类 ① 冷带卷取机按用途可分为大张力卷取机和精整卷取机两类。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;精整卷取机主要用在连续退 火、酸洗、涂镀层及纵剪、重卷等生产机组[2] ; ② 冷带卷取机按卷筒的结构特点可分为实心卷筒卷取机、四棱锥卷筒卷取 机、八棱锥卷筒卷取机及四斜楔和弓形块卷取机。前三种强度好,径向刚度大, 常用于轧制线做大张力卷取;后两种结构简单,易于制造,常用于低张力的各种 精整线; ③ 按卷筒数目或卷取方式,可分为单卷筒卷取机及双卷筒卷取机,本文研究 的卡罗塞尔卷取机就是双卷筒卷取机; ④ 此外,大张力卷取机的卷筒从性能上有固定刚度卷筒和可控刚度卷筒之 分。 1.1.2 卷取机卷筒结构 ① 实心卷筒卷取机 早期卷取机卷筒大部分都是实心卷筒,这种卷筒结构简单,而且能承受较大 的轧制张力。实心卷筒强度和刚度最大,卷取时产生的弯曲变形很小,可保持均 匀的张力,这种卷取机多用于冷轧薄带和极薄带材的多辊轧机上。但实心卷筒不 能胀缩,卸卷须采用倒卷方法。为提高作业率,德国施罗曼公司设计和制造的MKW 八辊轧机的前后卷取机的卷筒都是实心的,机后卷取机为双卷筒。装在—个转盘 上,其中一个卷筒作为轧制卷取用,另一个已卷好带卷的卷筒作为轧机后面的重 卷机组的开卷机用,通过转盘回转,两个卷筒交换使用。 1 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 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。也可将胀缩卷筒另装 [1][2] 上套筒,起刚性卷筒的作用,卷取后,套筒随带卷一起卸下 。 ② 棱锥式卷筒结构的卷取机 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较大的力,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。初期使用的四棱锥式卷筒存在一定得缺陷, 棱锥轴的锥角为 6°左右,小于相对运动表面的摩擦角,使得扇形块和棱锥轴之间 处于自锁状态,在卷取过程中卷筒基本和实心卷筒刚性一致,当卷取带钢完成时, 其张力可以达到非常大,有可能会使外力抽离扇形块非常艰难,无法实现缩径。 随着初期的棱锥卷筒缺陷的出现,后面逐渐出现了可控胀缩卷筒。可控胀缩 卷筒主要将棱锥轴的倾角大一些,一般取7°~8°,使它大于摩擦角而不自锁。这样 可以保证在良好的润滑条件下,卷筒在工作时会自动缩径,限制卷筒径向压力的 增大。通过控制胀缩液压缸的供油压力,就可以控制卷筒的收缩量,从而控制了 卷筒的径向压力值,达到了卷筒可控胀缩的目的。 在以上介绍的棱锥式卷筒结构中,为了防止扇形块的轴向移动,一般在扇形 块中端部设有钩环,使它与齿轮轴相连。实践表明,此类钩环强度较弱,很容易 失灵发生事故,为克服这一缺点,出现了倒棱锥式卷筒结构,其工作原理与顺棱 锥式卷筒结构相同,唯独棱锥倾斜方向相反。此时,棱锥轴不在受压而是受拉, 扇形块不是受拉而是受压,大大改善了受力情况,结构显得更为合理,因而现在 运用也较为广泛。 近年来冷轧机向高速、重卷、自动化方向发展,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,其卷筒棱锥轴强度高, 扇形块刚度大,但结构较复杂,加工精度高,弹簧易损坏[1][2] 。 ③ 四斜楔卷取机 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。 这种卷筒的最大特点是主轴和扇形块加工方便。由于斜楔只支持扇形块的两 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 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。 ④ 弓形块卷取机 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。凸轮和轴向缸斜楔胀缩式目前基本上已经不再采 用,而径向缸式由于结构紧凑,使用可靠,在国内外新设计的精整卷取机上普遍 采用,使用情况良好。弓形块卷筒的主要缺点是卷筒结构不对称,高速卷取时动 [1][2] 平衡性能较差 。 1.2 选题背景及研究现状 随着钢铁工业稳步发展,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。卷取机技术经过几 十年的发展,已经达到了一个较高的水平。 卡罗塞尔卷取机是目前世界上最为先进的冷轧主体设备。该设备属于大型高 速回转类机器,其内部驱动系统相当复杂,是一种设计和制作难度非常高的冶金 机械设备。卡罗塞尔卷取机可广泛应用于各类带钢生产线,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。该设备在国外已得到较为广泛使用。 与传统的卷取机相比,在设备的组成上减少了一套转向辊及穿带导向装置、一套 卷取机压辊及推板装置、一台皮带助卷器、一台活动支承、一台卸卷小车及卸卷 小车轨道等。因此转盘式双卷筒卷取机具有极大的发展潜力,将成为带钢冷连轧 生产线上的首选卷取设备。 目前全世界有能力设计和制造这种卷取机的厂家较少。到目前为止,仅有石 川岛、三菱重工、日立、新日铁、SMS、DEMAG 、DANIELI 等几个国外顶尖公 司具备独立设计这种卷取机的能力。 近年来,国内卷取设备水平正在逐步提高,但目前国内应用的卡罗塞尔卷取 机并不多。国内最先是由宝钢从西马克和日本整机引进的,后来其它厂家渐渐也 开始选择这种卷取机,其中包括宝钢、鞍钢、武钢、马钢、邯钢等。但从目前国 内钢厂所上的双卷筒卷取机来看,全部为国外设计,国内合作制造,部分关键配 套件仍由国外引进。基于目前的形势,国内许多研究人员针对卡罗塞尔卷取机做 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,这是一个不利因素,但也是一个挑战,给我们提供了更为 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 广阔的可研究空间。 1.3 本文的研究意义及内容 1.3.1 本文的研究意义 卡罗塞尔卷取机,是一种双卷筒卷取机,相比于其它卷取机,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;由一台卡罗塞尔卷取机取代两台卷取机,减少出口设备数量,故障率大大 减少,更适宜卷取薄卷;但结构复杂,设计制造难度相对较大。因此,对卡罗塞 尔卷取机作深入的理论研究,具有重要的现实意义。 在课题的研究过程中利用多个学科的基础理论及先进计算机软件相融合的手 段,对卡罗塞尔卷取机深入研究。其中涉及到传动系统精度研究、传动系统扭振 特性、动态特性仿真等问题;运用到了材料力学、机械振动学、数值计算、动态 仿真等方面的知识;借助了先进的有限元软件、MATLAB 数学工具、ADAMS 仿 真软件等工程分析应用软件进行辅助设计,其中包含了优化设计、软件工程等思 想方法,可以说本课题在学术上具有一定的先进性。 由于卡罗塞尔卷取机较其它同类产品有众多优点,在国内钢铁公司应用越来 越广泛,因此新上和改造的项目不能都依赖国外,而要逐步使之国产化。如这些 新上和改造项目均由国内厂家自行来完成,经济效益将是相当可观。本课题在国 内外相关资料缺乏的条件下,建立了卷取带钢时的弹塑性弯曲变形的力学模型和 数学模型,确定了结构参数的设计计算方法。而本文研究的动态特性也为卡罗塞 尔卷取机的整机优化设计提供了一定的理论依据。其设计方法和计算的准确性, 成果的新颖性和先进性,达到了一定的领先水平。因此,课题的研究成功必将产 生巨大的经济和社会效益。 1.3.2 本文的研究内容 为了从理论上解决卷取机的合理设计,掌握其核心技术,本文从以下几个方 面对卷取机的动态特性进行了较深入地理论分析和研究,建立了一整套数学模型, 同时利用先进的计算机辅助设计及仿真软件对卷取机虚拟仿真。针对卡罗塞尔卷 取机动态特性分析及仿真所涉及的内容,论文主要包括卷取机工作原理、传动系 统的扭振分析、传动系统的灵敏度分析、卷取机动态特性仿真研究等内容。以下 逐一简要说明: ① 卷取机工作原理分析 查阅文献资料,根据文献资料分析目前已有的卡罗塞尔卷取机的工艺特点, 并对本文的研究对象——芯轴式卡罗塞尔卷取机的结构及工作原理作重点分析, 进一步了解卷筒、传动系统及辅助卷取系统等部分的结构形式和工作过程,为后 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 续研究打下了基础。 ② 卷取机传动系统的扭振分析 此部分主要研究内容有:依据振动学理论,利用集中质量参数法简化建立卷 取机主传动系统扭转振动力学模型,在此基础上建立自由振动数学模型,分析其 模态特性及主振型;研究系统在加载下的动态响应,求取系统的扭矩放大倍数。 ③ 卷取机灵敏度分析 在扭振分析简化模型的基础上,建立了主传动系统灵敏度分析数学模型,通 过MATLAB 编程计算,得出影响该系统的参数因子。通过该项研究,不仅可以有 针对性地修改系统,还可以避免“合拍”现象的产生,进而达到提高产品质量、 延长设备寿命的目的。 ④ 卷取机动态特性仿真研究 利用 ADAMS 多体动力学仿真功能,融入齿轮传动精度、齿轮啮合刚度以及 轴的柔性体特性等影响因素,研究卷取过程动态响应情况,评价机械系统的稳定 性和可控性,对设备进行仿真分析,得出其关键部件的速度、加速度等结果参数 曲线;为结构参数的优化设计提供理论依据。 5 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 2.1 卡罗塞尔卷取机工作原理介绍 2.1.1 卡罗塞尔卷取机基本结构 卡罗塞尔卷取机,又称双卷筒卷取机,属于大型高速回转类机器,其传动轴 长,传动级数多,因此内部驱动系统结构相对复杂,也是目前世界上最先进的冷 [5] 轧带钢卷取机 。 卡罗塞尔卷取机广泛应用于如全连续的冷轧生产线等的各类带钢生产线,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。该设备适用于新上的带钢卷取生产线,也可用于改造 落后的工程项目。目前,国内如鞍钢、宝钢等越来越多的钢企选择使用卡罗塞尔 卷取机,但基本都是从国外整体引进。 卡罗塞尔卷取机主要由:卷筒组件、传动系统、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行星式和芯轴式两种结构,如图2.1 及图2.2 所 示。 1—卷筒驱动 1;2—外同心轴;3—卷筒驱动2 ;4—内同心轴;5—转盘驱动装置; 6—卷筒 1;7—卷筒2 ;8—大转盘 图2.1 芯轴式卡罗塞尔卷取机 Fig2.1 Concentric Shaft carrousel coiler 6 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 1—卷筒驱动 1;2—平行轴 1;3—行星齿轮副 1;4—行星齿轮副2 ;5—卷筒驱动2 ; 6—平行轴2 ;7—转盘驱动装置;8—卷筒 1;9—卷筒2 ;10—大转盘 图2.2 行星式卡罗塞尔卷取机 Fig2.2 Parallel shaft carrousel coiler [8] 这两种结构各有优缺点 。 ① 芯轴式,其优点包括:结构紧凑重量轻;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。 2.2.2 卡罗塞尔卷取机工作原理 ① 首先,1 号卷筒启动并达到喂料速度,带钢通过穿带装置并在助卷器的协 助下,带钢头部绕入 1 号卷筒,通过卷筒胀缩装置建立稳定的张力后卷筒升速( 图 2.3a) ,达到正常卷取速度; ② 带钢卷取到适当圈数后,大转盘公转驱动装置启动,将转盘旋转,旋转过 程中继续卷取带钢( 图2.3b) ; ③ 大转盘选装 180°后,1 号卷筒转到2 号卷筒位置(即正常卷取位置) ,锁定 装置的锁定挡块伸出并将 2 号卷筒锁紧,进入正常工作状态。而2 号卷筒则转到 了原1 号卷筒位置,进入卷取准备工作( 图2.3c) ; ④ 当卷取的钢卷直径或重量达到设定值时,飞剪前的压送辊压下,助卷器升 起抱紧助卷位置上的钢带卷。此时,设在卸卷位置处的卷取机压辊压下,设置在 7 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 卷取机前的滚筒飞剪将带钢切断,同时,另外一个已做好卷取准备工作的卷筒开 始穿带卷取( 图2.3d) 。卸卷小车与卷取机的推板同步运行,将带卷从卷筒卸下,然 后卸卷小车将带卷送走,至此卷取机一个回转工作周期结束。 图2.3 卡罗塞尔卷取机工作原理示意图 Fig2.3 Schematic diagram of carrousel coiler working principle 2.2 卡罗塞尔卷取机主传动系统简介 1a、1b—卷筒;2a 、2b—头套;3a、3b—套筒; 4a 、4b—胀缩缸;5—齿轮箱;6—转盘减速 箱;7—联轴器;17—减速箱;13a、13b—电机;22a 、22b—联轴器;23—芯轴 图2.4 芯轴式卡罗塞尔卷取机 Fig2.4 Concentric Shaft carrousel coiler 8 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 传动系统是卡罗塞尔卷取机的核心部分。本文研究的卡罗塞尔卷取机为芯轴 式传动系统卷取机,其传动示意图如图2.4 所示,传动系统由电机、联轴器、齿轮 减速箱、空心长轴、芯轴、齿轮机构组成。两个卷筒分别由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。 2.3 卡罗塞尔卷取机卷筒组件分析 芯轴式卡罗塞尔卷取机包含结构尺寸相同的两个卷筒,卷筒主要由 4 块楔形 块、4 块扇形板、空心轴、拉杆、油缸等部分组成,每一块楔形块上有6 块斜面。 两个卷筒皆安装在大转盘上,其安装位置关于大转盘的回转中心对称。卷筒结构 采用可控胀缩的带有楔块的倒四棱锥结构,根据前面介绍的卷筒结构形式可知, 此类结构兼顾了许多优点,如包括可控胀缩装置便于卸卷及减小径向力,倒四棱 锥改善了棱锥轴与扇形块的受力情况,而带有楔块可以使带钢基本没有压痕,提 高了卷取质量。此外,该结构对称性及平衡性好,刚度抗弯刚性较大。 卷筒结构如图2.5 所示。卷筒的胀缩径由安装在卷筒后面的液压缸实现的,该 胀径系统属于液压伺服控制系统,它在将液压能转换成机械能的同时,对工作机 构实施控制。控制原理是由液压驱动卷筒中心的拉杆,然后带动与扇形块相互配 合的斜楔块轴向移动来完成的。 当卷筒需要胀径时,胀缩液压缸给油,带动中间的拉杆向右移动,由于拉杆 与斜楔块端部是通过接头连接起来的,从而带动斜楔块也向右移动,通过斜楔块 与扇形块的斜面作用,使得扇形块沿径向移动,达到胀径的目的。而当要卸卷时, 则油缸反向给油达到缩颈的目的。 1—扇形块;2—楔形块;3—空心轴;4—拉杆;5—胀缩缸 图2.5 卡罗塞尔卷取机卷筒结构示意图 Fig2.5 Structure schematic diagram of carrousel coiler mandrel 2.4 卡罗塞尔卷取机大转盘组件分析 卡罗塞尔大转盘组件如图2.6 所示,主要包括回转大转盘、大转盘驱动系统、 9 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 定位锁紧装置,托轮装置。其中回转大转盘结构较为庞大,因此设计为剖分结构, 分为上半部及下半部转盘,两部分通过螺栓连接成完整的圆盘结构。大转盘驱动 系统是由外齿圈、小齿轮及减速装置组成,电机通过减速装置驱动小齿轮,从而 带动装在大转盘前端面的大的外齿圈驱动大转盘实现公转。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置两个限位块 及由液压缸控制的锁紧装置。 1—驱动系统;2—大转盘;3—托轮装置 图2.6 大转盘组件 Fig2.6 Rotary disk component 2.5 卷取机其它组件介绍 除以上介绍的主传动系统,卷筒组件,大转盘组件外,卡罗塞尔卷取机还包 含活动支撑、压辊及助卷器等其它设备。 ① 活动支撑 活动支承采用液压升降式结构,如图2.7 所示,由液压缸驱动实现升降。当回 转大转盘转动到位锁定后,升降液压缸推动升降托架至卷筒轴心线位置,使托架 支撑住卷筒轴连接套,液压缸锁定,直至带材卷取结束。 ② 卡罗塞尔卷取机压辊 卷取机压辊安装在卡罗塞尔卷取机卷筒附近,压住带钢的尾部。上下辊通过 两个液压缸在带钢尾端前部压住正在卷取的带卷。 10 重庆大学硕士学位论文 2 卡罗塞尔卷取机结构及原理分析 1—卷筒2—升降托架3—液压缸。 图2.7 活动支承结构示意图 Fig2.7 Structure schematic diagram of expansion bearing ③ 助卷器 现代化的冷连轧机带钢出口速度越来越高,为了提高轧机生产率,缩短辅助 操作时间,在冷连轧机组中的卷取机的卷筒均不采用钳口,而用助卷器帮助带钢 卷绕在卷筒上。本文研究的卡罗塞尔卷取机采用皮带助卷器,形式为单带垂直移 动式。在前枢轴臂的端部将提供一个液压操作的带钢导板用于引导带钢的头部。 通过液压缸将皮带缠绕在卷筒上。 2.6 本章小结 本章对卡罗塞尔卷取机基本结构进行了介绍说明,对比了目前行星式和芯轴 式两种不同传动结构的两种卡罗塞尔卷取机的优缺点;阐述了卡罗塞尔卷取机的 卷取过程即工作原理;对本文研究对象——芯轴式卡罗塞尔卷取机各主要组件: 卷筒组件、传动系统、活动支承、大转盘组件、辅助卷取系统等的基本结构进行 了逐一介绍。 11 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 3.1 机械振动基本理论 3.1.1 机械振动概述 所谓机械振动是指物体在其平衡位置附近作往复运动,这种振动可通过位移、 速度、加速度等物理量随时间的变化来表示。解决机械振动问题要用到数学、力 [12] 学等基础理论,同时还要用到计算技术和实验技术 。 随着生产的不断发展,现代机器设备正向重型、高速、轻载发展,生产中提 出的振动问题越来越多,如大型发电设备因振动过大被迫停机,甚至整套设备遭 到严重损坏;机床因刚度不足,在切削时产生较大的自激振动致使满足不了加工 精度;大型轧钢设备经常发生事故,这些都带来极大的危害。诸如此类的机械振 动问题在产品设计和新产品的开发上,也是不可忽视的很重要的一个方面。 力学系统的振动研究开始得比较早,而机械振动作为一门学科得到发展时间 较晚。这是因为早期机械的运动速度低,振动问题不突出。随着工业的发展,机 械结构逐渐庞大复杂,速度也越来越高,为了节省材料,提高经济效益,机械结 构越来越轻巧。因而振动造成的事故逐渐增多。机械振动已开始引起人们的重视, 成为必须解决的一个问题。目前,把机械振动的研究成果应用到各种机械的振动 问题中去,提高设计水平,延长使用寿命,得到更大的经济收益,已成为各行各 业的重要课题。 一般地说,机械产品、工程结构或零部件都可理解为振动系统。外界对于系 统的输入包括初始干扰、外部激振力等称为激励,而系统对外界影响的反应,如 振动系统某部位产生的位移、速度、加速度及应力等,称为振动系统的响应或输 出。图3.1 简明地表明了激励、响应和系统三者之间的关系,机械振动就是研究这 三者的关系,从理论上讲,激励、系统和响应三者知其二可求出第三者。因此常 见的振动问题可以分成下面几种基本课题: 图3.1 振动系统简图 Fig3.1 Vibration system diagram ① 系统识别,在已知激励和响应的情况下求系统参数,对已有的机械系统进 行激振,测得在激振下的响应,然后可进一步得到振动系统的全部结构参数。 12 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 ② 响应分析,已知输入和系统的参数,求系统的响应,即求系统的振动位移、 振动速度和振动加速度响应,为设计计算机械结构刚度、强度等提供依据。 ③ 环境预测,已知系统的输出及系统振动性质,确定系统的输入,以判别系 统的环境特性。 这些基本课题在工程实际中应用很广,研究它们需要深入了解振动系统的性 质和它与外界激励、系统响应之间的关系,这些是机械振动研究的基本内容。 3.1.2 离散系统与连续系统 实际振动的物体系统(简称振系)往往是很复杂的,在理论分析中,通常把实际 物体系统简化为离散系统和连续系统两大类。 ①离散系统又称集中参数系统,描述该系统的主要物理量是用集中参数.振 体只具有质量,弹簧只具有弹性,阻尼器只起阻尼作用,三者相互独立,分别为 点质量或刚体、集中刚度和集中阻尼。 集中参数系统的自由度数目取决于对问题的分析要求,并形成相应的集中参 数(质量、弹簧和阻尼) 。由于集中参数间相互独立,且与时间无关,它们的运动方 程在数学上只需要用常微分方程描述,因此在理论分析和计算上有许多优点。本 文就采用该种方法进行分析研究。 ②连续系统又称分布参数系统,这种系统的质量、弹性和阻尼不再被离散为 集中参数,而是用分布质量、分布弹性以及分布阻尼描述。例如某些梁的横向振 动,质量沿梁轴线分布不同,横截面抗弯刚度沿梁轴线分布不同,它的振动就要 采用弹性体振动方法来解决,这种振动系统就称为连续系统。由于连续系统中, 质量、弹性及阻尼都与各点处的几何位置有关,各点处振动位移既与该点处的几 何位置有关又与时间有关,因此分析连续系统在数学上需要用偏微分方程理论, 计算分析上较前一种方法复杂。 3.2 扭振力学模型及其简化 3.2.1 传动系统扭振分析模型 近年来,冶金工业不断向大型化、高速化、自动化方向发展,随着产品重量, 生产速度的不断增加,以及对产品质量要求的不断提高,设备与载荷,设备与产 品质量之间的矛盾日益突出,虽然大型轧钢主设备和辅助设备的主传动系统安全 系数取得较大,但还是会发生不少用静态理论分析无法解释的设备事故。这些事 故往往与传动系统的扭转振动有关。 在研究卡罗塞尔卷取机主传动系统动力学问题上,本文采用集中质量参数模 型,将它离散为多自由度弹性系统,即由无变形的惯性组件和无惯量的弹性组件 所组成的质量——弹性系统,以建立既符合实际结构体系又能如实反映其动力学 13 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 特征的力学模型。组成这个系统的物理参数主要有:惯性组件的转动惯量J 和弹性 组件的刚度系数K 。 为了计算该传动系统的固有频率,将传动系统简化为集中质量系统,在系统 简化的过程中,通常把粗而短的传动元件简化为惯量而忽略其扭转刚度,把细而 长的传动元件简化为扭转弹簧而不计其转动惯量,并且略去一些影响不大的元件, 根据以上的简化手段,可将卡罗塞尔卷取机的传动系统变为图3.2 所示的简图: J J J J —电机的转动惯量; —接轴头的转动惯量; —减速箱处齿轮 1 的转动惯量; —减 1 2 3 4 J J J 速箱处齿轮2 的转动惯量; —减速箱处齿轮3 的转动惯量; —齿轮4 的转动惯量; — 5 6 7 K K 齿轮5 的转动惯量;J —卷筒的转动惯量; —电机输出轴的扭转刚度; —减速箱输入 8 1 2 K K 轴的扭转刚度; —减速箱输出轴的扭转刚度; —卷筒动力输入轴的扭转刚度 3 4 图3.2 传动系统简图 Fig3.2 Transmission system diagram 3.2.2 转动惯量和刚度的计算方法 J 转动惯量 是度量刚体转动时其惯性大小的物理量,它表述了刚体在外力矩 作用下绕定轴转动的瞬时效应,即某时刻的合外力矩将引起刚体该时刻转动状态 的改变,即使刚体获得角加速度。 dω d 2θ M Jε J J 2 (3.1) dt dt 式中: ω——刚体回转角速度,rad/s ; t ——刚体回转运动时间,s; θ——刚体回转角位移,rad 。 14 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 轴段扭转刚度定义为在轴段两端产生单位角位移所需要的扭转力矩,由材料 力学可知,轴段相对角位移为: Ml Δθ (3.2) GI p 式中: E G——剪切模量,MPa ,G , ——泊松比, ——材料的弹性 μ E 2 1+μ ( ) 模量,MPa ; I 4 P ——截面的惯性矩,mm ; . M——轴段力矩,N m ; 由式(3.2),可得到轴段的刚度为: M GI K P (3.3) Δθ l πD 4 πGD4 对于实心轴:I P ,因此K 32 32l 对于空心轴:I π(D 4 −d 4 ) ,因此K πG( D4 −d 4 ) P 32 32l 转动惯量与物体的几何形状及质量分布情况有关,对于密度均匀分布的圆柱 体绕其轴线 空心物体的转动惯量公式如下: 1 4 4 J πρl (D =−d ) (3.5) 32 式中: 3 ρ ——刚体的密度,g/mm ; l ——刚体的长度,mm ; D ——刚体的外径,mm ; d ——刚体的内径,mm 。 如果轴段的外形十分复杂时,可以认为是由简单的轴段串联而成。根据转动 惯量串联的等效原则可知,复杂轴的转动惯量可以简单等于各分段转动惯量之和。 对于形状复杂的轴段,认为是由简单形状的轴段串联而成,等效刚度表示为: 1 K (3.6) 1 + 1 ++ 1 K K K 1 2 n 式中: K ,K ,K K ——各轴段的刚度。 1 2 3 n 15 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 3.2.3 传动系统扭振等效模型的建立 在扭振系统中,常常会出现分支系统与齿轮等主传动系统相连,而分支系统 与主系统的转速不同。为了便于计算,通常采用简化手段,认为分支系统与主系 统转速相同,适当调整分支系统的转动惯量,从而保持分支系统扭振特性不变, 简化基本模型如图3.3 所示。 图3.3 转动惯量的等效示意图 Fig3.3 Schematic diagram of equivalent rotational inertia n n 如图3.3 a 所示,主系统的转速 ,分支系统的转速为 ,分支系统与主系统 1 2 J 相连的齿轮的转动惯量为 ,将这一系统转化为如图3.3 b 所示的系统,则转化 a1 前的分支系统中,根据转化前后的动能相等,则可求出转换后当量转动惯量为: J a 2 i2 ⋅J a1 (3.7) 式中: i n / n 1 2 。 与分支系统等效转动惯量的计算方法类似,等效刚度的转化原则是调整前后 轴段的弹性势能不变,认为分支系统与主系统具有相同的转速,但分支系统的刚 度要作变化,如图3.3 所示,齿轮的传动比为i,则分支系统的转换刚度为: 2 (3.8) K i K a 2 a1 根据图3.3,可将该系统进行进一步简化,为了计算方便,将高速轴元件向低 速轴转换,转换后如图3.4 所示。 图3.4 等效后的传动系统示意图 Fig3.4 Schematic diagram of equivalent transmission system 16 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 经计算可得知: ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 Z Z Z Z Z Z Z Z Z J 3 5 J ;J 3 5 J ;J 3 5 J =+ 3 5 J + 5 J ; 1 ⎜ ⎟ 1 2 ⎜ ⎟ 2 3 ⎜ ⎟ 3 ⎜ ⎟ 4 ⎜ ⎟ 5 Z Z Z Z Z Z Z Z Z 1 4 1 4 1 4 2 4 4 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞2 Z J 5 J =+J ;J J 4 ⎜ ⎟ 6 7 5 8 Z 4 ⎝ ⎠ ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 ⎛ ⎞2 Z Z Z Z Z K 3 5 K ;K 3 5 K ;K 5 K ;K K 1 ⎜ ⎟ 1 2 ⎜ ⎟ 2 3 ⎜ ⎟ 3 4 4 Z Z Z Z Z 1 4 1 4 4 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 式中: z z z z z 、 、 、 、 ——齿轮 1、2 、3、4 、5 的齿数; ——电机折算 J 1 2 3 4 5 1 到卷筒轴上的转动惯量; ——接轴头折算到卷筒轴上的转动惯量; ——减速 J J 2 3 箱处齿轮1、2 、3 折算到卷筒轴上的转动惯量; ——齿轮4 、5 折算到卷筒轴上 J 4 的转动惯量; ——卷筒的转动惯量; ——电机输出轴折算到卷筒轴上的扭转 J K 5 1 刚度; ——减速箱输入轴折算到卷筒轴上的扭转刚度; ——减速箱输出轴折 K K 2 3 算到卷筒轴上的扭转刚度; ——卷筒动力输入轴折算到卷筒轴上的扭转刚度。 K 4 3.3 固有频率和振型解析法计算 3.3.1 数学模型的建立 数学模型是按一定的规则在力学模型的基础上建立起来的,具体方法有影响 系数法、传递矩阵法、拉格朗日方程法。本文采用拉格朗日方程法,对系统进行 动力学分析建模。拉格朗日方程的特点是: ① 理想的约束力在方程中不出现; ② 在具有任意个自由度的系统中,独立方程的数目恒等于系统的自由度,这 样便可以建立具有n 个自由度系统的两大类力学方程——n 个微分方程耦合成的数 学模型: ⎡ ⎤ (3.9) J θ [C ] θ [K ] θ Q ⎣ ⎦{ }+ { }+ { } { } 式中: ⎡ ⎤——系统的惯量矩阵,如式(3.10)所示, 为各个惯性组 J J , J , J , J , J ⎣ ⎦ 1 2 3 4 5 件的转动惯量; ⎡J ⎤ ⎢ 1 ⎥ J ⎢ 2 ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ J J 3 (3.10) ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ J 4 ⎥ ⎢ J ⎥ ⎣ 5 ⎦ 式中: 17 重庆大学硕士学位论文 3 卡罗塞尔卷取机扭振分析 θ , θ , θ ——分别表示等效惯性组件的角位移、角速度、角加速度列 { } { } { } 阵。 T θ [θ ,θ ,θ ,θ ,θ ] ; { } 1 2 3 4 5 T θ [θ ,θ ,θ ,θ ,θ ] ; { } 1 2 3 4 5 T θ [θ ,θ ,θ ,θ ,θ ] ; { } 1 2 3 4 5 Q ——系统的外载荷列阵,设其为时间t 的函数; { } T Q [Q (t ),Q (t ),Q (t ),Q (t ),Q (t )] ; { } 1 2 3 4 5 [K ]——刚度矩阵,对于线性弹性系统,它总是对称的,K ,K ,K ,K 为 1 2 3 4 连接系统中各惯性元件的刚度,刚度矩阵如式3.11 所示。 ⎡ K −K ⎤ ⎢ 1 1 ⎥ −K K +K −K ⎢ 1 1 2 2 ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ K −K 2 K 2 +K3 −K3 (3.11) ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ −K3 K3 +K 4 −K 4 ⎥ ⎢⎣

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