【正文】 足夠的強(qiáng)度與剛度。 1700熱帶材卷取速度制度圖Ⅰ—準(zhǔn)備狀態(tài)；Ⅱ—正常卷取狀態(tài)；Ⅲ—收卷狀態(tài)；—第一加速度；—第二加速度；—精軋機(jī)；—輸出輥道；—張力輥；—卷取軸；—助卷輥；—帶頭出；—帶頭卷上；—帶尾接近；—帶尾出；—帶尾接近 ；—帶尾出總結(jié)卷取生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，可將卷取工藝對(duì)卷取設(shè)備性能的要求概括為以下幾個(gè)方面：具有較高的咬入和卷取速度；能處理大噸位的帶卷，以提高帶材生產(chǎn)率；能卷取較大厚度范圍的帶材，特別是厚帶及合金帶材，以擴(kuò)大品種；具有較強(qiáng)的速度控制能力，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的張力和穩(wěn)定的卷取過(guò)程；能產(chǎn)生較大的張力并能在較低的溫度下卷取，以改善帶材的質(zhì)量和機(jī)械性能(這要求卷取機(jī)本身具有較好的強(qiáng)度和剛度)；所卷帶卷邊緣整齊，便于貯存運(yùn)輸；高速卷取時(shí)，卷取軸有良好的動(dòng)平衡性能；卷取軸可脹縮，便于卸卷操作。正常卷取時(shí)，由卷取軸與軋件之間的速度差保持張力。在準(zhǔn)備狀態(tài)下，帶材的速度不宜過(guò)高，否則既不利于帶材咬入張力輥，也不利于卷上卷取軸。此時(shí)，上張力輥下壓，助卷輥圍抱卷取軸。分別通過(guò)迭代法、根據(jù)支承筒的思想和微積分方法來(lái)對(duì)徑向壓力進(jìn)行了研究，為以后設(shè)計(jì)卷取軸提供理論依據(jù)。 蝶形彈簧的各參數(shù)值系列/mm/mm/mm/mm/mm/mm/NⅠ562784300Ⅱ451182951Ⅰ系列—扇形板處所選用的蝶形彈簧各參數(shù)；Ⅱ系列—鉗口處所選用的蝶形彈簧各參數(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求扇形板處所選用的蝶形彈簧Ⅰ型號(hào)各參數(shù)為：，；鉗口處所選用的蝶形彈簧Ⅱ型號(hào)各參數(shù)為：。（a)無(wú)支承面 （b）有支承面 單個(gè)彈簧及計(jì)算應(yīng)力的截面位置 對(duì)合蝶形彈簧單片蝶形彈簧的計(jì)算公式： （229）當(dāng)，即蝶形彈簧壓平時(shí)，上式簡(jiǎn)化為 式中 —單個(gè)彈簧的載荷，N。因此這種彈簧需要由高的制造精度來(lái)保證載荷偏差在允許范圍內(nèi)?？刹捎脤?duì)合、疊合和復(fù)合的組合方式。具有三大特點(diǎn)[36]：（1）剛度大，緩沖吸振能力強(qiáng)，能以小變形承受大載荷。（1）帶卷內(nèi)部的形變連續(xù)性方程與徑向壓力平衡微分方程如下[18]： （220）式中 —帶卷的矢徑和泊松比；—第i層帶卷的實(shí)際張力和徑向壓力；—帶材彈性模量與帶卷徑向壓縮系數(shù)的比值，；稱為帶卷徑向壓縮系數(shù)，它與帶材厚度、表面粗糙度等因素有關(guān)。卷取冷態(tài)帶材；。（2）支承筒半徑的計(jì)算作者認(rèn)為當(dāng)?shù)趯有纬芍С型矔r(shí)，大于第層的層數(shù)對(duì)卷取軸的徑向壓力幾乎為零，可以忽略。表示繞軸（中心）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度所產(chǎn)生的位移。（1）卷取軸變形量的計(jì)算帶材與卷取軸彈性模量相同，各向同性，在張力恒定、各層無(wú)滑動(dòng)的條件下，卷取軸徑向壓力分析為彈性力學(xué)的平面軸對(duì)稱問(wèn)題極坐標(biāo)下應(yīng)力函數(shù)表達(dá)的應(yīng)力分量，為不計(jì)體力的平衡微分方程的解，將其匯總?cè)缦耓34]： (28)極坐標(biāo)系中的相容方程為 (29)式中、—分別為徑向正應(yīng)力和環(huán)向正應(yīng)力、—分別為切應(yīng)力和應(yīng)力函數(shù)在平面問(wèn)題中，當(dāng)彈性體的形狀及承受的外力都對(duì)稱于軸而與幅角無(wú)關(guān)，這類問(wèn)題稱為軸對(duì)稱的平面問(wèn)題。液壓系統(tǒng)壓力14MPa，實(shí)際油缸直徑為348mm，油缸效率取90%。實(shí)際油缸直徑為140mm，油缸效率取90%。液壓系統(tǒng)壓力10MPa，實(shí)際油缸直徑為250mm，油缸效率取90%。由參考文獻(xiàn)[32]中油缸與徑向壓力關(guān)系公式可得其中—帶材寬度；—棱錐角（斜面角）；—摩擦系數(shù)。（2）系數(shù)的確定系數(shù)值與帶卷的種類、摩擦系數(shù)等因素相關(guān)，且與帶卷的直徑成反比，與帶卷間的摩擦系數(shù)成正比。 卷取軸端面受力圖由內(nèi)層的帶材張力會(huì)因帶卷間的摩擦而減小，可得力平衡方程：、—分別為帶卷受壓后第i層實(shí)際張力和帶卷原始施加的張力；—帶卷消失的張力，—帶卷張力消失系數(shù)； —第i層及以上層數(shù)施加的總徑向壓力；—分別為帶材的厚度和帶卷第i層的半徑。 根據(jù)迭代法確定徑向壓力將鋁帶卷及卷取軸均視作厚壁彈性圓筒，在張力作用下，每層鋁帶卷均受一均布的徑向壓力Pi的作用，考慮鋁帶卷的縮徑及外層壓力作用產(chǎn)生的變形量，從而使得鋁帶卷張力減少的因素。而且在后文中零件的強(qiáng)度校核和液壓脹縮油缸平衡力計(jì)算中都需要知道卷取軸所受徑向壓力。 卷取機(jī)卷取軸徑向壓力計(jì)算的公式很多，這個(gè)與卷取機(jī)卷取軸的類型和側(cè)重點(diǎn)有關(guān)。目前所設(shè)計(jì)的卷取軸都是α＞ψ的“縮徑卷取軸”。從擴(kuò)大脹縮量的角度來(lái)看，希望角偏大，但大了又引起滑柱受載時(shí)而滑回，為防止滑回又需很大的軸向推力，從而導(dǎo)致油缸直徑增大。也可用經(jīng)驗(yàn)公式，如： (卷取帶鋼時(shí)) (卷取有色金屬時(shí))式中 ——帶材最大卷取厚度通過(guò)與國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的卷取軸直徑進(jìn)行類比，取卷取軸直徑為：D =508mm。這對(duì)于防止塌卷是十分有利的[28]。卷取軸直徑的選擇一般應(yīng)考慮到，帶卷在卷取軸上彈塑性彎曲程度，卷取軸強(qiáng)度以及帶卷塌卷等。而本節(jié)就是對(duì)卷取軸的直徑、卷取軸的筒身長(zhǎng)度及卷取軸主要零部件滑柱的斜面角等參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和確定。卷徑變化與卷取軸徑向壓力之間的計(jì)算公式，一直是困擾卷取機(jī)卷取軸設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。（4）分析卷取軸結(jié)構(gòu)形式，并且用三維軟件UG建立了卷取軸的三維模型。根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)、數(shù)學(xué)數(shù)列和微積分思想，當(dāng)卷取軸卷取鋁帶材時(shí)，對(duì)卷取軸所受的徑向壓力進(jìn)行了研究，為以后研究和設(shè)計(jì)卷取軸做理論指導(dǎo)。 論文的主要工作及意義本文首先分析了國(guó)內(nèi)外鋁材的發(fā)展?fàn)顩r及卷取機(jī)的研制情況，從而了解卷取機(jī)在軋制業(yè)中的重要地位，然后分析了目前卷取鋼帶材的卷取軸徑向壓力的研究現(xiàn)狀。式中：、—分別為帶卷和卷取軸的半徑；、—分別為卷取單位張力和帶卷間的摩擦系數(shù)。梁勃采夫的徑向壓力計(jì)算公式:式中：、—卷取軸及帶材的彈性模量；、—卷取軸及卷材的泊松比；、—卷取帶材的張力及帶材厚度；、—帶材寬度和帶卷半徑；、—卷取軸內(nèi)半徑和外半徑。 —任意i 層卷材半徑(可取卷取軸外半徑與帶材最大外半徑之和的一半)；—假想支承筒外半徑或假想卷材內(nèi)半徑；—卷取軸當(dāng)量?jī)?nèi)半徑( 一般取扇形板最薄處半徑為當(dāng)量?jī)?nèi)半徑)；—卷取軸外半徑或假想支承筒內(nèi)半徑；、—帶材的彈性模量及泊松比；、—卷取軸的泊松比及彈性模量；—帶材間的緊密系數(shù)( 一般取0. 95)；—卷取軸剛度。（4）連家創(chuàng)公式這個(gè)公式是根據(jù)鋼卷徑向壓力微分方程式和帶鋼卷取的邊界條件來(lái)推導(dǎo)的。到目前為止，大多數(shù)當(dāng)量半徑按某些推薦值選用，對(duì)于扇形塊式卷取軸，對(duì)于四棱錐式卷取軸取。關(guān)于卷取軸當(dāng)量半徑的確定：若是弓形塊式卷取軸建議取弓形塊最薄弱處的半徑作為卷取軸當(dāng)量半徑；對(duì)于四棱錐式卷取軸的當(dāng)量半徑，可以按照彈性變形時(shí)等效條件求出：其值為：，其中：，式中為棱錐軸橫斷面邊長(zhǎng)的平均值之半。當(dāng)卷取碳帶材材時(shí)，則，于是。這些文獻(xiàn)對(duì)帶材卷取過(guò)程中帶材應(yīng)力的分布及其對(duì)卷取張力的影響和要求未作研究[1418]。把卷取軸單位壓力的計(jì)算當(dāng)作彈性理論平面問(wèn)題進(jìn)行求解，得出考慮帶卷各向異性的卷取軸單位壓力計(jì)算公式，在蘇聯(lián)人的研究基礎(chǔ)上探討了確定帶卷徑向壓縮系數(shù)的一種理論計(jì)算方法，對(duì)卷取機(jī)卷取軸單位壓力有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，其中國(guó)內(nèi)連家創(chuàng)教授等人對(duì)卷取過(guò)程中帶卷內(nèi)部的三維應(yīng)力分布和卷取軸單位壓力進(jìn)行了深入研究。有些公式作的假設(shè)忽略掉了一些重要的因素，部分學(xué)者將這些因素考慮進(jìn)去，如鈴木弘，荒木甚一郎等就在文章中提到了帶材層間摩擦力的因素。一方面可對(duì)原有設(shè)備的卷取參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高卷取質(zhì)量，降低故障率等；另一方面是在引入國(guó)外的卷取設(shè)備后，學(xué)習(xí)其技術(shù)，然后對(duì)一些核心技術(shù)、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。近幾年來(lái)，在建立帶鋼冷卻過(guò)程模型方面，人們的研究工作包括帶鋼在輸出輥道上換熱機(jī)理的研究及溫度控制數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)。這與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展對(duì)帶材質(zhì)量要求越來(lái)越高是不相適應(yīng)的，因此我們必須改變國(guó)有冶金設(shè)備落后的現(xiàn)狀，加快技術(shù)改革，推進(jìn)冶金設(shè)備制造國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。例如美國(guó)鋼鐵研究院及美國(guó)能源部合資開(kāi)發(fā)了熱軋鋼材生產(chǎn)線的機(jī)械特性模型HSMM version 6．0(The Hot Strip Mill Model)，通過(guò)對(duì)軋制和卷取全過(guò)程中鋼材變形微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，可以對(duì)卷取溫度、卷取后鋼材的晶體顆粒大小、鋼材的機(jī)械性能(如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等)進(jìn)行預(yù)測(cè)。②對(duì)卷取溫度控制的研究。目前世界上最先進(jìn)的卷取機(jī)為卡羅塞爾卷取機(jī)。在國(guó)外，能夠進(jìn)行機(jī)電液和自動(dòng)化整體設(shè)計(jì)制造能力的公司有很多，水平較高的公司有德國(guó)SMSDEMAG公司、日本的石川島播磨公司(IHI)和三菱重工業(yè)公司(MHI)等[10]。它廣泛用于連續(xù)式或可逆式軋制、精整機(jī)組，按其用途可分為安裝在主軋機(jī)前后和各輔助機(jī)組之中兩種。 用來(lái)將鋁帶卷取成卷，以便生產(chǎn)、運(yùn)輸和貯存。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)鋁加工業(yè)已成為全球最大的鋁材生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)，并已發(fā)展成為國(guó)際市場(chǎng)重要的鋁材生產(chǎn)供應(yīng)基地。隨著全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及鋁型材加工用途不斷擴(kuò)展，全球鋁型材加工的產(chǎn)量由2001年約869萬(wàn)噸增長(zhǎng)至2009年約1550萬(wàn)噸，%。根據(jù)國(guó)際鋁協(xié)統(tǒng)計(jì)，2010年除中國(guó)之外的世界原鋁產(chǎn)量為2429萬(wàn)噸，%。原鋁產(chǎn)量的空前增長(zhǎng)歸因于發(fā)展中地區(qū)和新興經(jīng)濟(jì)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程的快速城鎮(zhèn)化[6]。2005年, 全球共計(jì)50個(gè)國(guó)家的200多家電解鋁企業(yè)總產(chǎn)能達(dá)363618萬(wàn)噸，2000多家鋁加工企業(yè)總產(chǎn)能3700萬(wàn)噸，全球板帶產(chǎn)量1702萬(wàn)噸,年增長(zhǎng)4%,擠壓材產(chǎn)量1106萬(wàn)噸，年增長(zhǎng)率414%，箔材產(chǎn)量290萬(wàn)噸,年增長(zhǎng)515%[45]。因此我國(guó)鋁加工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能應(yīng)該有較大的發(fā)展空間， 。年)；鋁材美國(guó)的消費(fèi)量為28kg/(人第1章 緒論金屬帶材卷取理論研究與卷取軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)碩士學(xué)位論文第1章 緒論 選題背景鋁箔具有優(yōu)良的特性，廣泛用于車輛、船舶、航空航天、建筑、房屋、包裝容器、電子電氣、機(jī)械制造、絕熱材料，裝飾品以及裝潢商標(biāo)等各個(gè)領(lǐng)域[1]，而我國(guó)人均鋁的消費(fèi)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距甚大,按本世紀(jì)初的統(tǒng)計(jì)資料僅與世界平均值相當(dāng)。年),(人年)。近年來(lái), 全球鋁的生產(chǎn)和應(yīng)用快速發(fā)展, 從1940年的100萬(wàn)噸 增長(zhǎng)到2005年的3100多萬(wàn)噸, 65年間鋁產(chǎn)量增長(zhǎng)了31倍。而中國(guó)和印度是原鋁消費(fèi)量增長(zhǎng)最快的國(guó)家，% %。其中板帶材產(chǎn)量約為500萬(wàn)噸，箔材產(chǎn)量約為170萬(wàn)噸，型材約為900萬(wàn)噸[7]。2009年全球生產(chǎn)鋁型材加工的國(guó)家和地區(qū)約有9個(gè)，包含的生產(chǎn)企業(yè)約2000余家，中國(guó)作為鋁消耗增長(zhǎng)最快的國(guó)家，其涵蓋的產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能的比重超過(guò)50%，位列第一。截至2009年，中國(guó)消費(fèi)量占全球消費(fèi)量的比值達(dá)到47%，而日本、歐洲和北美洲分別僅占到了6%、21%、8%，中國(guó)已經(jīng)成為鋁型材加工的消費(fèi)大國(guó)[8]。 卷取機(jī)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀在鋁帶冷軋帶材生產(chǎn)作業(yè)線上，卷取機(jī)是關(guān)鍵的設(shè)備之一，在軋制過(guò)程中與主機(jī)或其它設(shè)備建立張力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制。在現(xiàn)代化高速鋁帶冷軋機(jī)組中，卷取機(jī)卷取軸通常采用閉式四斜楔卷取軸結(jié)構(gòu)，四斜楔卷取軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀對(duì)稱，動(dòng)平衡性能好，卷取速度可達(dá)1000m/min 以上[9]。從而對(duì)卷取設(shè)備提出了更高的要求。由日本新日鐵公司和日立公司新研制的油壓式地下卷取機(jī)是世界上第一臺(tái)卷取性能好和可靠性大的油壓式地下卷取機(jī)，它能實(shí)現(xiàn)自壓緩振，采用緩振框架降低沖擊作用，頭幾圈能實(shí)現(xiàn)立即卷緊，進(jìn)而用助卷輥的彈跳機(jī)構(gòu)消除頭幾圈帶材表面的壓痕。通過(guò)對(duì)卷取過(guò)程溫度仿真模型的分析，將卷取溫度作為整個(gè)軋制過(guò)程中的參數(shù)之一，研究一定卷取溫度下鋼材的金相組織等的變化以及卷取溫度對(duì)低碳鋼、合金鋼等不同材料的機(jī)械性能、磁力特性能等的影響，最終達(dá)到提高產(chǎn)品性能的目的。通過(guò)研究軋制和卷取全過(guò)程中的鋼材微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后達(dá)到提高鋼材機(jī)械性能的目的。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋁企業(yè)的卷取設(shè)備都比較陳舊的現(xiàn)狀，造成軋制的厚度范圍小，帶材的卷取質(zhì)量差等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)卷取機(jī)的研究主要集中在：(1)卷取溫度控制方面的研究和仿真分析。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，一般是卷取機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，而卷取參數(shù)的確定主要應(yīng)用于兩方面。前蘇聯(lián)和日本的很多學(xué)者研究過(guò)與卷取軸相關(guān)的問(wèn)題，于是就提出了各種設(shè)計(jì)卷取軸要考慮的帶卷徑向壓力的計(jì)算公式。八十年代，國(guó)內(nèi)對(duì)卷取的研究大都針對(duì)卷取軸壓力的計(jì)算，借鑒和發(fā)展了國(guó)外的一些研究成果。國(guó)外如韓國(guó)學(xué)者也對(duì)卷取過(guò)程中的張力控制進(jìn)行了研究，提出卷取時(shí)的最佳張力曲線，認(rèn)為交錯(cuò)纏繞、帶卷滑移、刮傷等大多數(shù)操作問(wèn)題發(fā)生在帶卷卷取期間；而且，不合適的卷取張力工藝設(shè)定和不充分的卷取軸設(shè)計(jì)導(dǎo)致快速卷取的不穩(wěn)定性，致使出現(xiàn)卷形不良等情況。式中：—卷取張力，N；、—帶材寬度和厚度，；—帶材卷徑與材料的綜合系數(shù)：其中、—卷取軸、帶材材料彈性模數(shù)；、—卷取軸、帶材材料泊松系數(shù)；、—卷取軸當(dāng)量?jī)?nèi)半徑和外徑。（3）周國(guó)盈公式此公式是將帶卷作為連續(xù)帶環(huán)多層組合的彈性圓筒，并考慮帶卷層的摩擦，從而導(dǎo)出卷取軸徑向壓力的計(jì)算公式：式中：—卷取單位張力，為卷取張力，為帶寬，為帶厚；、—帶卷材料的彈性模量、泊松比；—帶卷的最大外半徑；、—卷取軸材料的彈性模量、泊松比；、—分別為卷取軸的外半徑和當(dāng)量?jī)?nèi)半徑；—帶材卷層之間摩擦系數(shù)，對(duì)于卷取冷態(tài)帶材卷取時(shí)，對(duì)于卷取熱態(tài)帶材時(shí)。的數(shù)值選取不同，與之對(duì)應(yīng)的徑向壓力也不同，實(shí)際上卷取軸徑向壓力有某一最大極限值。由此可見(jiàn)，當(dāng)量半徑數(shù)值的選取，應(yīng)引起重視。（5） 按照“支承筒”失穩(wěn)條件經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以列出如下方程:式中：—卷取帶材張力；、—帶材寬度及厚度。H其中，為卷取軸剛性系數(shù)。對(duì)于鋼帶；對(duì)于有色金屬該算法實(shí)際應(yīng)用時(shí)很有限的，因?yàn)楸仨氈栏鞣N材料的緊密系數(shù)C的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)C值取值不同時(shí)，對(duì)結(jié)果影響很大。（2）徑向壓力的研究。根據(jù)其尺寸和數(shù)量，計(jì)算恢復(fù)力，得出結(jié)果作為下一步仿真