酸洗机组三棱锥卷取机卷筒装置设计毕业设计开题报告

酸洗机组三棱锥卷取机卷筒装置设计毕业设计开题报告本文简介：武汉科技大学本科生毕业设计开题报告毕业设计开题报告学院机械自动化学院专业机械工程及自动化学号201103130158学生姓名张涛指导教师李宁15目录一立题依据···················3二文献综述···················32.1冷带钢卷取机卷筒的结构型式分类········

酸洗机组三棱锥卷取机卷筒装置设计毕业设计开题报告本文内容：

武汉科技大学本科生毕业设计开题报告

毕业设计开题报告

学

院

机械自动化学院

专

业

机械工程及自动化

学

号

201103130158

学生姓名

张涛

指导教师

李宁

15

目录

一

立题依据

···················3

二

文献综述

···················3

2.1冷带钢卷取机卷筒的结构型式分类··········3

2.2卷筒助卷装置················7

2.3国内冷轧厂机组工艺简介·············10

三

设计内容···················11

3.1主要设计参数·················11

3.2参数分析···················11

3.3设计中的关键问题··············12

四

方案设计···················12

4.1卷筒结构选型··················12

4.2钳口选型···················14

4.3卷筒选择方案确定················14

五

设计要求····················14

六

设计进度····················15

七

参考文献····················15

毕业设计开题报告

一、立题依据

1、

酸洗工艺介绍

带钢冷轧前必须酸洗，是为了去除对冷轧有害的原料钢卷表面上的氧化铁皮,因为氧化铁皮在冷轧时会损坏轧辊表面，而导致带钢表面产生缺陷。现在常用的是带钢连续盐酸酸洗。先进的冷轧厂多采用高速运行的连续酸洗机组或推拉式酸洗。以连续酸洗为例，是将带钢连续地通过几个酸洗槽进行酸洗。为使作业线上过程连续，将前一个热轧带钢卷的尾部和后一个钢卷头部焊接起来，酸洗后带钢按需要的卷重、卷径切断带钢并收卷。

2、连续酸洗机组组成简介

这种酸洗机组所以被称为连续的，是因为带钢连续地通过盛有酸溶液的酸洗槽。为了使过程连续将后一卷带钢的端头与前一卷带钢的尾端焊接起来，再从酸洗槽通过，待带钢卷到一定重量，切断带钢，并把卷成的带卷卸下。

卷取机是酸洗线及冷轧机组中重要的组成设备，它主要负责将酸洗后或冷轧后的带钢卷成卷料以方便运输以及后续加工。由于冷轧工艺要求原料(坯料)质量高,尤其带卷不能有塔形及松卷,这就要求酸洗不仅要彻底,同时设计卷筒时必须考虑足够的张力。

此卷取机主要由卷筒、涨缩油缸、回转接头及传动系统组成。传动系统由电机、制动器、联轴器和减速机等构成。卷筒的涨缩一般是通过液压控制卷筒尾部的涨缩油缸来实现,而卷筒的旋转运动则由电机通过联轴器、减速机带动卷筒转动来实现。卷筒旋转将酸洗后的带钢卷成卷料，利用卷筒的涨缩把卷料卸下，从而实现卷取机的卷取和卸卷工作。

此次设计内容为卷取机中最重要部分即卷筒装置的结构设计，涉及到卷筒结构型式选型、助卷装置选型，压力计算，卷筒结构绘图等内容。

二、文献综述

1、冷带钢卷取机卷筒的结构型式分类

目前冷轧带钢的卷曲绝大多数采用卷筒式卷取机，其设备配置较为简单，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取机的核心部分。

冷带刚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。精整卷取机则主要用于连续退火、酸洗、涂镀层及纵剪、重卷等生产机组。

按卷筒结构特点，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卷筒卷取机和弓形块卷取机。

①、实心卷筒：结构简单，强度刚度高，无钳口，卷取时产生的弯曲的塌陷变形很小。缺点:不便于卸卷，轧制张力过大易产生塑性变形。近年被可控涨缩卷筒取代，现常采用转盘式双卷筒结构。

②、凸轮式卷筒：强度和刚度低、界面对称性差、动平衡不好、加工较困难、凸轮磨损严重，且容易卡住而不能缩径。

③、斜楔式卷筒：主要由主体弓形块、两个活动弓形块与，支撑轴、斜楔及钳口机构等部分组成。卷筒的胀缩是通过传动端的单项液压缸和碟形弹簧组来实现。这种卷取机用于带材较厚的可逆式冷轧机上，卷曲带材厚度达6mm。如图1所示：

图1

④、弓形块径向液压钳口闭式卷筒:主要由支撑轴、弓形板和液压胀缩系统等组成。卷筒横断面如图2所示在支撑轴1上沿工作段布置了5到7个径向套筒液压缸，用来撑开弓形板和紧闭钳口，盘形弹簧和分别用来收缩弓形板和松开钳口。

这类卷筒结构虽然比较复杂，加工较困难，但实际使用情况良好，工作可靠。缺点:结构上不对称,高速卷取时动平衡性差，卷筒不圆柱度带来张力波动。要求径向柱塞密封设计和加工精度较高，易漏油，影响带钢表面质量。

图2

⑤、棱锥式卷筒：其主要零件为棱锥轴和扇形板，工作时通过涨缩油缸的拉动使棱锥轴前后运动，利用棱锥轴和扇形板的斜面互相配合以达到涨和缩的目的。这种结构形式有以下几个优点:棱锥轴为整体铸件(或锻件)，且没有中间零件，刚性比较大，可以承受较大的张力（可达400-600KN）和重力；结构简单，其头部容易连接活动支撑；润滑方便，配合面防尘效果好。但是四棱锥也有其缺点:由于棱锥轴为整体，这就注定了其制造成本高，加工难度大；棱锥轴和扇形板之间的配合面的斜度不能太大，如果斜度太大会导致涨缩油缸行程也随之增加。如图3为四棱锥式卷筒结构图。

图3

四棱锥卷筒主要由四块扇形板、棱锥轴、钳口以及胀缩缸等组成，这些扇形块与棱锥轴之间有斜面配合，并用滑动键联接。当轴向胀缩液压缸注入压力油时，推动心轴右移，使卷筒胀径；轴向胀缩液压缸反向进油时，心轴左移，使卷筒缩径。

除四棱锥卷筒外还有八棱锥以及三棱锥卷筒。

图4为一八棱锥卷筒结构，由扇形块、镶条、八棱锥芯轴，拉杆、花键轴等组成。胀径时，油缸8通过杠杆拨叉13推动两个斜块12向左移动，使4个胀缩连杆9伸直并推动环形弹簧及方架11，使花键轴6和拉杆4向右移动。拉杆带动头套20使扇形块2及镶条19相对于棱锥轴右移胀径。

缩径时，油缸通过杠杆拨叉将斜块拨出，胀缩连杆在弹簧1作用下折曲，扇形块、花键轴等靠缩径时储存在弹簧1中的压缩变形能复位，使卷筒缩径。为提高卷取机刚度，卷筒设有活动支承。

图4

如图5，三棱锥卷筒和四棱锥卷筒结构上很相似，三棱锥是将四棱锥中棱锥面缩减了一个，同时减少了一个扇形块，三个扇形块呈120°布置，分为上扇形板，左扇形板以及右扇形板。

图5

2、卷筒助卷装置

由于冷轧机组在常温下进行卷取且带钢厚度较薄，冷带卷取机采用卷筒上增设“钳口”或在皮带助卷机协助下卷取带钢。

钳口设置于卷筒上，其工作原理是：初卷时，带钢头直接进入钳口处，随后钳口板夹紧带钢头，卷筒开始旋转，卷取机开始正常卷取。

助卷机设置在卷筒外设备，常使用皮带助卷器，皮带的包角大于300°,当卷筒最初开始卷取时，与之一起转动，使带钢紧贴卷筒表面进行卷绕。

2.1、钳口型式分类：

①、液压式钳口

（分为径向和轴向液压钳口两类）：

径向液压钳口结构如图6。

钳口板沿卷筒辊身长度分为三段，每段由两个径向液压缸7和一个平衡弹簧6来控制。径向钳口液压缸的压力油由心轴端部输油接口沿轴向进油，经过管路流经进油口使径向液压缸动作，活动下钳板上升，与固定上钳口板靠近，夹紧间隙中的带钢。径向液压缸进油口压力撤销后，平衡弹簧复位，活动下钳口板被拉回原始位置，钳口松开带钢。

由于沿辊身长度方向有数段钳口板夹紧，夹紧效果好，夹紧力较大，适用于大张力卷取机。但应注意径向钳口液压缸漏油，否则，会使夹紧力降低。此外漏油还会影响到带钢的表面质量。

图6

轴向液压缸钳口结构如图7。

钳口的夹紧依靠轴向液压缸向左运动来实现。当轴向液压缸在B腔进油时轴向液压缸的活塞杆与移动一起作轴向移动。由于移动板与移动钳口板之间以斜楔配合，借此推动钳口板与固定板靠近，带钢则夹紧于移动钳口板与固定钳口板之间。

这种钳口装置，沿辊身只有两条夹紧钳口板，由于加工制造、安装等方面原因，要使两条钳口板沿辊身整个长度保持良好接触是不可能的。特别对宽带钢更为严重。可见这种夹紧装置夹紧效果不如径向液压钳口夹紧装置。同时由于液压缸的引进，漏油问题同样不可忽视。

图7

②、机械钳口

机械钳口装置结构如图8。

上图类机械钳口是通过心轴上联接套推动钳口板，钳口板间有斜楔配合，依靠与心轴连接的卷筒胀缩液压缸的推力来夹紧带钢，初卷时应让带钢头部先进入钳口位置，再使卷筒胀径夹紧带钢后才开始旋转卷取带钢。

机械钳口一般是靠弹簧力来夹持板带头部、夹持力大小受钢板厚度影响大。但结构型式比上述两种钳口装置都要简单，无钳口液压缸即没有漏油现象。

图8

2.2、助卷器

对于厚度小于0.25mm的带钢，前端不易引进钳口间隙，钳口不易夹紧，则采用无钳口卷筒的卷取机，但应在卷取机后面设有可移动的助卷器，如图

9。它由架体移动液压缸，架体，皮带伸缩液压缸、皮带轮摆动液压缸、皮带、皮带轮组成。卷取机开始卷取带钢之前组卷起在液压缸作用下架体向前移，使皮带包住卷筒。待带钢在卷筒上缠卷2~3圈后，将助卷器移开。此时，卷筒上各卷带就有足够的摩擦力，而在较大的张力条件下继续进行卷取。

图9

3、国内冷轧厂机组工艺简介

下表中列出了某些规格卷取机的技术性能：

机

组

1400可逆式偏8辊冷轧机

1180可逆式20辊冷轧机

1700五机架冷连轧机

1420

1700酸洗机组

机

型

实心双卷筒

扇形块四棱正锥（开式）

扇形块八棱正锥（闭式）

扇形块四斜楔（闭式）

弓形块径向缩

（闭式）

带钢规格

厚度/mm

0.2~4.5

0.2~3.5

0.15~3

0.15~0.8

0.2~3.0

宽度/mm

600~1300

1080

550~1530

1270

600~1530

卷筒

直径/mm

?610

?510

?610

?450，?610

?450

，

?610

钢卷

重量/t

10

45

18

最大卷取速度/(m/min)

300

1840

2000

250

最大卷取张力/KN

250

210

107

30

50

表1

宝山钢铁股份有限公司2030mm冷轧厂的资料：

宝山钢铁股份有限公司2030mm冷轧厂年生产规模210万t，其中冷轧板卷150万t，热镀锌板卷9万t，电镀锌板卷9万t，采涂板卷16万t，捆带1.4～1.8万t．另外，在2001年新建一条连续酸洗机组，增加热轧酸洗板75万t。

冷轧产品的工艺参数厚度达0.3～3.5mm，宽度达900～1850mm，钢卷重量最大为45吨。

酸洗机组工艺段最大速度为360m/min，最大轧制速度达1900m/min。

三、设计内容

酸洗机组三棱锥卷取机卷筒装置设计。

1、

主要设计参数

带钢张力：

17

KN

卷筒直径：

?508/?468

卷曲速度：

10~150m/min

卷筒长度：

1500mm

钢卷内外径：

?508/?1500

钢卷宽度：

1300mm

钢带厚度：

1.5~5mm

2、

参数分析

参考表1中常用冷带钢卷取机组的技术性能及相关卷取机技术参数分析：

此酸洗机组要求带钢张力为17

KN，属于带钢卷张力要求中较小等级，可考虑使用简单轻量级结构卷筒设计。

最大卷曲速度为150m/min(2.5m/s),属于冷轧卷取速度低速等级，卷取结构型式可不必考虑动平衡问题。

卷筒直径

?508/?468，胀缩量为40mm

，属于较大胀缩范围，因而在棱锥式胀缩卷筒设计中要充分考虑液压缸的行程、棱锥角的选取以及胀径时各扇形块之间间隙大小，同时综合考虑张力要求选择合适卷筒型式。

卷筒长度1500mm，为常见一般长度卷筒，在棱锥轴向布置4个斜块合适。

钢带厚度：1.5~5mm，最厚的钢带要求为5mm

，最薄要求1.5mm

，属于冷轧线上中厚板级别。在钢带厚度不低0.25mm时，初始卷取时可考虑用钳口助卷。同时带厚超过1mm后，使用将带钢头压在卷筒上的助卷器不合适，所以考虑在卷筒一个扇形块上设计钳口较益。

3、

设计中的关键问题

以下总结了此次设计中需特别注意的关键问题：

①、针对工艺参数要求选择最合适的卷筒结构型式和钳口型式，同时应考虑到经济性的客观要求；

②、结合查得的文献深入分析每一个参数背后对卷筒结构设计带来的影响；

③、与同组其他同学讨论、对接，做到设计内容规范。

四、方案设计

1、卷筒结构选型

卷取机的卷筒分为：非涨缩式卷筒

（实心卷筒）

和涨缩式卷筒两种。实心卷筒结构简单，能承受较大的张力，但是不便于上卷和卸卷。目前常用的卷筒基本上都是涨缩式卷筒，其中以棱锥时结构和封闭楔结构最为常用。

棱锥式卷筒虽然其形状复杂，加工制造也相对比较困难，但因其刚度及强度水平均高于斜楔式卷筒，在高速、大张力的卷取工况下，可保证产品的轧制以及卷取质量。棱锥式卷筒常见的有四棱锥，八棱锥以及三棱锥卷筒。各种型式都有其优缺点，以下重点分析：

①、四斜楔卷筒

由前图可知，四斜楔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移动，外斜楔支持扇形块的两翼，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个整圆。卷取薄带不会产生压痕。

这类卷筒最大特点是主轴、扇形块加工方便。但由于斜楔只支撑扇形块两翼，卷筒强度与刚度都有所削弱，适用于张力不大的平整机组和精整作业线。

②、四棱锥卷筒

由前文献综述知，四棱锥卷筒主要由棱锥轴、扇形块、钳口和胀缩缸等组成。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。这种卷筒结构较简单，强度好。但从工艺上看，四棱锥为开式卷筒，卷筒胀开时，扇形块间有间隙。因此，卷筒胀缩量不宜过大，否则扇形块之间缝隙过大，卷取薄带钢时会压伤内层带卷。卷筒为悬臂结构，外端设有活动支撑。卷筒上一般设置有钳口。卷筒棱锥轴锥角通常取7°~

8°，使它大于摩擦角而不自锁。这样可保证在良好润滑的条件下，卷筒在工作过程中能自动缩径。

四棱锥式卷筒的薄弱环节是扇形块的尾钩。卷筒胀缩依靠棱锥轴作轴向移动来实现，为了防止扇形块的轴向移动，一般在扇形块端部设有尾钩。尾钩在棱锥轴向分力的作用下会产生很高的弯曲和剪切应力，易于疲劳损坏。

同时，正锥结构使主轴和胀缩缸的连接螺栓处于不利的受力状态。使螺栓受拉力符合螺栓联接特点，但此处由于液压缸伸出时，主轴与胀缩缸之间联接螺栓处于受压力状态，必然会导致螺栓联接力变小，加以卷筒旋转时机械振动，会引起螺栓发生松动，破坏主轴与胀缩缸间的联接，发生事故。

为克服这两个缺点，可采用倒锥式卷筒，其工作原理与顺锥式卷筒相同，但棱锥倾斜方向相反。这种卷筒操作时，可使棱锥轴不受压而是受拉，扇形块不是受拉而是受压，这样可以取消上述棱锥式卷筒上容易损坏的尾钩，结构亦比较牢固。适用于大张力大卷径卷取。但这种倒锥式卷筒，由于旋转胀缩液压缸活塞杆在加压时动作，势必增大旋转胀缩液压缸的尺寸，增加卷筒的转动惯量，影响卷取速度和卷取的带钢重量，较正锥式缺乏经济性效益。

③、八棱锥卷筒

为解决四棱锥胀开时扇形块间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），卷筒张开后成为一个完整的圆柱体。八棱锥卷筒棱锥强度高，扇形块斜楔角12°，镶条斜楔角16°43′51″，扇形块与镶条在胀缩运动中互不干扰，但各斜楔面均保持接触，胀开后镶条正好填补扇形块缝隙额，卷筒成一整圆。

八棱锥结构卷筒适用于高速连轧机的卷取，但结构较复杂，加工精度要求高，弹簧易损坏。

④、三棱锥卷筒

从图5直观上即可知道三棱锥卷筒较四棱锥可少加工一个棱锥面，加工更加简单，所需精度要求较低。三棱锥减少了一个扇形块，则同带钢张力条件下每个扇形块所受径向压力会比四棱锥卷筒大，通常简单结构的三棱锥只适用于小张力的卷取。同时，三棱锥结构呈现径向不对称性，无法满足高速旋转下的动平衡要求，所以只能用于低转速下的带钢卷取。

减少扇形块的个数在同胀缩量条件下，胀径时扇形块间的间隙会较大，在大张力卷取时会影响带钢表面质量，所以三棱锥只用于小张力卷取。在结构设计中需在扇形块上设计交错布置的矩形齿，以减小间隙对带钢质量的影响。

2、钳口选型

由于带钢厚度达到1.5mm~5mm，不满足助卷器的使用要求，所以考虑在卷筒上设置钳口装置。

由前文献综述知，钳口分为径向液压钳口、轴向液压钳口和机械钳口，每种钳口优缺点已在前文中总结，结合此次几个关键工艺参数：卷取张力为17KN、速度为150m/min以及带厚为1.5mm~5mm，易知此机组中卷取设备为小张力，低速，中厚板带钢卷取机，优选机械钳口。

3、卷筒选择方案确定

由上述中综合分析的卷筒各类结构型式的优缺点，适用场合，以及结合工艺参数要求，现选取

倒锥式三棱锥机械钳口式卷筒

结构设计，原因有下：

①、此次设计的卷取机设备属于带钢酸洗机组，卷取张力要求仅为17KN，所以只需选择轻型结构三棱锥卷筒，同时考虑到胀缩量为40mm，在冷轧生产线中属于较大级别，在棱锥角设计中需使用较大的角度，势必会增大卷筒扇形板与棱锥体的轴向作用力，若使用正锥式卷筒结构，其薄弱部分尾钩易被损坏，发生故障。因此选择倒锥式三棱锥卷筒结构；

②、工艺要求卷取速度为150m/min，为实际生产中较低速度，卷取过程中不需要考虑动平衡问题，选用简单的结构不对称型三棱锥卷筒即可；

③、胀缩量为40mm，虽胀缩量较大，使三棱锥结构卷筒扇形板间间隙较大，但由于卷取张力17KN较小，卷取初始时钢带不会受到损伤，只需在扇形块间加工出相对位置交错的矩形齿来填补部分间隙；

④、由于带钢宽度为1300mm，厚度1.5mm~5mm，属于中厚宽板且卷取时的张力较小，选用简单稳定结构的机械式钳口满足工艺要求。

五、设计要求

(1)

酸洗机组三棱锥卷取机卷筒装置设计；

(2)

绘制卷筒装配主要零部件图5~7A1，其中CAD图4.5~6.5

A1，手工绘图0.5

A1；

(3)

撰写设计说明书1份，主要设计参数见3.1。

六、设计进度

设计（论文）主要项目

时间

完成内容

备注

开题

3月23日至4月19日

课题背景、工作内容描述、研究方法与技术路线

3周

综述

3月26日至4月10日

对他人的工作进行总结，对卷取机进行分析，提出设计计算步骤

2周

译文

4月13日至5月19日

翻译1.0万字符以上的英文文献

5周

设计图纸

4月20日至5月24日

计算分析；结构设计

5周

设计说明书

5月25日至6月5日

撰写论文；整理、修改、打印论文

2周

答辩

6月7日

论文答辩

1周

七、参考文献

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