基于有限元分析的卷筒扇形板结构优化设计.docx

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基于有限元分析的卷筒扇形板结构优化设计

机械　　2004年第31卷第11期

2004

09

作者简介

1966

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陈利平2

ºþÄÏ

衡阳421008

ºþÄÏ衡阳421008

ºþÄÏ衡阳421002

摘要

得出了扇形板的应力分布和各节点处的位移

并在有限元分析的基础上进行优化设计

从而有针对性地解决了工程实际问题卷筒

有限元分析

中图分类号

A文章编号

0316（20041102　

Finiteelementanalysisforsegmentoflever—plungermandrel

TANGTian-qiu1,CHENLi-ping2,WANGXian-yun3

（1.HunanBuildingMaterialsHighCollegeMachineryDepartment,Hengyang421008,China;2.HunanBuildingMaterialsHighCollegeComputerDepartment,Hengyang421008,China;3.HengyangNon-ferrousMetallurgicalMachineryWorks,JinyangCo.,LTD,Hengyang421002,China

Abstract:

BymeansofANSYSsoftware,segmentstrengthofcoilermandrelisanalyzedinthispaper.Asaresult,stressdistributionatsegmentandpositiondisplacementateachjointareclear,weakpointsofthesegmenthavebeenfoundthenmeasurestoimprovestressdistributionatthesegmentareputforward.Keywords:

coilermandrel;segment;finiteelementanalysis

热带卷取机位于热带轧制线的尾部

用来卷取热轧钢带卷

卷筒要在热状态下进行高速张力卷取重达

45吨的带卷

并要在较大的带材

压紧力作用下缩小直径这要求卷筒具

有足够的强度卷筒的结

构见图1

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机械　　2004年第31卷第11期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

的原因

1有限元模型的建立与分析

模型的建立

在计算过程中

因此

由扇形板的具体结构可知

简化模型时扇形板可看作上下对称在它的对称面处除Z方向不约束外Z方向施加边界元

在对称面处除X方向不约束外

在X方向施加边界元

在卷带时视为固定约束力学模型如图2所示

图2扇形板的模型图

载荷的确定和施加

卷筒的基本参数

工作直径762　mm　卷材最大宽度1900mm

卷材最大厚度1.2~12.7mm

钢卷最大外径

762mm钢卷最大重量45T

卷取速度1500m/min（25m/s

卷取最大张力200kN

卷取温度

550

由上述的力学模型可知

对于孔我们把它当作没有质量的物体扇形板有两种材料一种为虚拟的材料一种为钢卷自重2应力分析与结构优化

计算时只考虑一种最差的工况

视为均布力它Mises应力分布如图3所示

扇形板的最大应力区域出现在与连杆连接处最大应力值为221.6MPa

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=885MPa0.2=735MPa

因此扇形板在正常情况下能满足要求

该扇形板的最大应力集中在与连杆连接的销孔处

当卷取量超过一百万吨时这一事实与有限元分析结果相符

能够反映扇形板真实的受力情况

1与传统方法相比

通过有限元分析

该分析为进一步改进该类卷筒和提高其使用寿命提供了可靠的理论依据

[1]欧阳蓖塑性有限元[M].长沙1983.

[2]徐芝纶.弹性力学[M].北京1982.

[3]陆毅中.工程断裂力学[M].西安1987.

[4]王海文.轧钢机械设计[M].北京1983.

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基于有限元分析的卷筒扇形板结构优化设计

作者:

唐田秋,陈利平,王先云

作者单位:

唐田秋（湖南建材高等专科学校,机械系,湖南,衡阳,421008,陈利平（湖南建材高等专科学校,计算机系,湖南,衡阳,421008,王先云（湖南衡阳有色冶金机械总厂金阳公司,湖南,衡阳,421002

刊名:

机械

英文刊名:

MACHINERY

年,卷（期:

2004,31（11

引用次数:

0次

参考文献（4条

1.欧阳蓖弹性、塑性有限元1983

2.徐芝纶弹性力学1982

3.陆毅中工程断裂力学1987

4.王海文轧钢机械设计1983

相似文献（10条

1.期刊论文董海红.王庆新.DongHaihong.WangQingxin宝钢1580热轧平整线开卷机卷筒的国产化研制-宝钢技术2006（5

开卷机卷筒是开卷机的核心部件,卷筒必须能够顺利上卷,并且在卷筒对中后,在较大的张力下平稳地完成钢卷的开卷和卸卷动作,以利于整个机组对开卷后的带钢进行平整作业

.就宝钢分公司1580热轧平整线开卷机卷筒的工作原理及基本参数、卷筒径向压力计算、扇形板材料选用、扇形板加工工艺过程控制等部分进行了介绍.该卷筒的国产化是宝钢进口卷筒设备逐渐走向国产化的一个开始,如研制成功,将对该类型设备的国产化具有重要意义,一方面可提升国内研制厂家的研制能力、提升制造业的技术水平,同时也为宝钢和国家节约大量外汇.

2.期刊论文李俊洪.连家创.孙蓟泉.王福臣.闻发平.江光彪1580热连轧机卷取机卷筒扇形板热变形研究-重型机械2001,1（3

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3.学位论文董海红开卷机卷筒扇形板表面处理工艺分析研究2008

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该开卷机是平整机组上实施带卷开卷的第一道工序,进行精整作业的的重要设备,其性能直接影响到带卷开卷的平稳性、平直度、及精整质量等。

该开卷机是1998年从美国TIPPINS公司引进的设备,2000年上机使用。

由于进口费用昂贵,设备引进时,没有引进相应的备件。

该开卷机卷筒形式比较独特和复杂,国内还没有此类开卷机卷筒的供货单位和制造经验。

在备件采购上只有两个途径:

国外进口或者国产化研制。

在保证产品质量和使用条件的前提下,为降低备件成本,提高国内技术和制造水平,探索出一条国产化的道路非常必要,同时也为解决热轧、冷轧其它的卷筒备件国产化提供丰富的经验。

开卷机卷简国产化研制,最关键的重点和难点是扇形板表面处理工艺的研究。

扇形板表面处理技术是整个项目是否成功的关键所在。

因此本课题研究的主要内容是:

针对开卷机卷筒扇形板的表面处理方法,利用最新表面技术,研究出一个经济、高效、高质量地强化和改善表面综合性能的方法,在耐磨性、硬度、使用寿命、可多次修复使用等方面达到或超过进口件的性能,结束此类卷筒依靠进口的历史。

本文对国内外常用的表面处理方法:

渗氮、镀硬铬、等离子喷涂、超音速火焰喷涂进行了分析、对比。

不论从硬度、耐磨性、结合强度等表面性能角度,还是从环保、节约等经济角度,超音速火焰喷涂（HVOF技术都是最佳的表面处理方式。

其突出的优点主要表现在:

涂层结合强度高、硬度高、耐磨性能好、孔隙率低、磨损后可多次修复使用等。

对超音速喷涂制备耐磨涂层用粉末,本文通过对比、优化,确定采用目前应用较多的WC—12Co、WC—CrC—Ni两种喷涂粉末。

在一定的喷涂参数条件下,分别制备WC—12Co、WC—CrC—Ni两种粉末在0°~30°不同喷涂角度下的涂层试样,通过对试样涂层进行显微形貌、附着效率、耐磨性及磨耗比、硬度、气孔率、粗糙度等分析,研究得出最佳的喷涂粉末WC—12Co和喷涂参数。

并将分析研究结果应用在实际的扇形板表面处理中,获得良好的使用效果。

关键词:

扇形板,表面处理,超音速火焰喷涂,喷涂粉末,喷涂角度,涂层性能分析、表面测试分析,工艺优化

4.会议论文戎司旦2050热轧主作业线卷取机卷筒研制2000

在2050热轧主作业线卷取机卷筒研制工作中,对主要零件材质的选择原则,达到要求的机械性能的热处理方法进行了研究。

分析了卷筒失效原因,从扇形板涨缩的运动学分析,提出了正确的卷筒装配调整方法。

有效提高了卷筒的使用寿命。

对摩擦付中铜合金零件材质选择的原则和研究方法,也适用于其他主要铜合金零件的国产化研制。

5.期刊论文江航.JIANGHang改善铝材卷取机卷筒性能的途径-铝加工2006（5

简述了原有的卷取机卷筒的特点及不足,探讨了改善卷取机卷筒性能的一些途经.

6.期刊论文向辉攀钢镀锌机组开卷、卷取机中心轴等关键件的加工与部件装配-重型机械科技2003（3

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7.学位论文侯树芳邯钢薄板坯连铸连轧卷取机力参数和卷筒故障的研究1999

该文研究了可控钢度卷取机带卷的应力参数分析和卷取机卷筒零部件的受力分析及故障检测.首先,在考虑层间摩擦力的前提下,根据弹性理论轴对称问题的基本公式,分径缩前抽紧、径缩前非抽紧、径缩后、卸卷后四种情况讨论,推导出了钢卷的应力分布逐层计算公式,并编制了各公式的计算数值曲线程序.其次,应用有限元方法对扇形板进行了受力核算,分析对比了支承刚度、外力分布变化,摩擦力的大小这几种不同的工况时相应的应力分布、最大应、强度、危险端面,为卷取机设计和结构分析提供了定量化参数.得出:

楔块度减小可以优化所承担的整体力,但会造成本身力分布的不均匀性;滑槽间隙增大会使楔块受力分布更加不均匀;卷筒应力的轴向分布对扇形板强度有很大影响.最后,对带卷可能出现的塌陷等故障进行了定性分析;对卷筒的故障及磨损情况进行了分析预测,突出了张力这一积极因素,并提出了改善措施和注意事项,这对于实际生产有相当的指导意义.

8.会议论文顾敏.秦向群.卢金生.张兵华.晏汝平大型轧钢开（卷取机关键部件的离子渗氮工艺研究2000

采用深层可控离子渗氮工艺技术,对大型轧钢开（卷取机的关键部件扇形板、棱锥体及其附件进行离子渗氮,通过工艺环节的控制,较好地满足了卷筒设计的技术要求,获得较好的使用效果。

该文对其技术工艺要求、渗氮层质量控制和防变形技术措施等方面的技术要点进行了概述。

9.期刊论文于大波.程志家.YuDabo.ChengZhijia冶金卷筒棱锥体棱锥面的加工工艺方法研究-装备机械2009（3

在冷轧、热轧、酸洗、连退、镀锌、彩涂、横切、纵切等各种生产线上,卷取机或开卷机是较为关键的功能设备.而棱锥体则是其中的核心零件,它通过与之沿棱锥斜面相配合的各扇形板承载着钢卷的重量负荷,同时完成钢卷的卷取、开卷、卸卷等工作.棱锥体的精度直接影响整条生产线的生产效率和钢卷的质量.分析探讨保证棱锥体制造精度的工艺方法,从而保证卷筒的工作质量以及提高卷筒部件的使用寿命.

10.会议论文杨波卧式卷取机在宽带钢卷形中的控制与研究2006

卧式卷取机由机架、带传动的卷筒和三个助卷辊等组成.卷钢工作时扇形板、柱销和棱锥体承受钢卷对卷简的抱紧力,另外,侧导板和夹送辊也是卷钢控制的重要组成部分.文章基于莱钢1500mm热轧宽带生产线带钢卷取的现状,介绍了宽带钢卷形控制思想.

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2010年4月11日