皮帶助卷機構的三維設計及仿真含SW三維.zip

皮帶助卷機構的三維設計及仿真含SW三維.zip,皮帶,機構,三維設計,仿真,SW,三維 皮帶助卷機構的三維設計及仿真 摘 要 皮帶助卷器是精整線、冷軋上必不可缺的設備之一，通常用于冶金行業(yè)，如鋁材、鋼鐵、銅材等。在對薄帶鋼進行精整、冷軋的生產過程中，需要通過皮帶助卷器，將最初的 2~3 圈帶鋼纏繞到卷取機的卷筒上，產生初始的張力，然后才能進行張力軋制和卷取，由此可見皮帶助卷器在冷軋帶鋼中有極其重要的作用。直型冷軋帶鋼，在助卷皮帶的張力作用下會產生彈塑性彎曲變形，同時在皮帶施加的徑向壓力下，帶鋼會受到卷筒與皮帶之間的摩擦力作用。卷筒轉動時，助卷皮帶在摩擦力的作用下隨之一起轉動，帶鋼頭部經導板進入卷筒與皮帶之間，貼合卷筒表面卷取。 本文主要是針對厚為 0.3~2.3mm，寬為 700~1630mm 的熱鍍鋅軟鋼和高強鋼鋼板進行的皮帶助卷器設計，首先，計算帶鋼的彎曲力矩和皮帶張力；其次，對張緊油缸和擺動油缸進行型號選取和推力校核；然后，運用 Solid Works 軟件對助卷器進行三維建模，模擬其工作過程；最后，為了使其滿足所需強度和剛度要求，采用 Solid Works Simulation 工具對懸臂支撐軸進行有限元分析。 關鍵詞： 皮帶助卷機；皮帶；有限元分析；油缸 IV ABSTRACT Belt rewinder is one of the indispensable equipments for finishing line and cold rolling. It is usually used in metallurgical industry such as aluminum, steel, copper and so on. In the production process of thin strip steel for finishing and cold rolling, it is necessary to wind the first 2 or 3 coils of steel strip onto the coiler of the coiler through the belt wrapper to generate the initial tension, and then it is possible to carry out Tension rolling and take-up, it can be seen that the belt wrapper plays an extremely important role in the cold strip. The straight cold-rolled strip steel will produce elasto-plastic bending deformation under the tension of the auxiliary reeling belt. At the same time, under the radial pressure applied by the belt, the strip steel will be affected by the friction between the reel and the belt. When the reel rotates, the auxiliary reeling belt rotates together with the friction force, and the strip head enters between the reel and the belt via the guide plate, and the surface of the reel is coiled. This article mainly focuses on hot-dip galvanized mild steel and high-strength steel plates with a thickness of 0.3~2.3mm and a width of 700~1630mm. First, calculate the bending moment and belt tension of the strip. Second, select the type of the tension cylinder and swing cylinder. And thrust check; then, use Solid Works software to three-dimensional modeling of the rewinder to simulate its working process; Finally, in order to meet the required strength and stiffness requirements, the Solid Works Simulation tool is used to carry out the finite element of the cantilever support shaft. analysis. Key words : belt wrapper，belt，oil cylinder，finite element 目錄 摘 要 III ABSTRACT IV 目錄 V 1 緒 論 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 冷軋帶鋼發(fā)展現狀 1 1.3 課題研究意義 1 1.4 國內外研究現狀 2 1.5 課題研究內容 2 1.6 課題研究技術路線 2 2 皮帶助卷機構設計 3 2.1 皮帶助卷機構簡介 3 2.2 皮帶助卷機構的形式選取 3 2.3 皮帶助卷機構的設計 3 2.4 皮帶助卷機構的工作流程分析 5 3 皮帶助卷機構的設計與計算 8 3.1 帶鋼軋制后的材料強化 8 3.2 帶鋼的彎曲力矩計算 8 3.3 皮帶助卷機的皮帶張力計算 10 3.4 皮帶的選型 11 3.5 冷軋帶鋼卷取條件分析 11 3.5.1 帶鋼第一次卷入條件 11 3.5.2 帶鋼第二次卷入條件 13 3.6 皮帶助卷器打開條件 15 3.7 皮帶跑偏的處理方案 16 3.8 油缸的選取和校核 17 3.8.1 皮帶張緊油缸的選取和校核 17 3.8.2 機架擺動油缸的確定及校核 18 4 皮帶助卷機構的懸臂軸設計 22 4.1 軸的材料選用和設計原則 22 4.2 懸臂軸的結構設計 22 4.3 懸臂軸的強度計算 23 4.4 有限元分析 26 5 結論 30 參考文獻 31 附錄 1：外文翻譯 32 附錄 2：外文原文 40 致謝 46 1 緒 論 1.1 課題研究背景 隨著高精尖端技術的迅猛發(fā)展（例如汽車、國防及航空航天工業(yè)等），對帶鋼的性能，質量和規(guī)格提出越來越高的要求，因此，熱軋帶鋼已經無法滿足需要， 冷軋帶鋼的生產得到了廣泛發(fā)展。 19 世紀中葉，鋼的冷軋最初生產在德國，然而限于當時的技術原因，僅能生產 20-25mm 寬的窄型冷軋帶鋼，1880 年以后，隨著生產水平的進步，生產的冷軋帶鋼產品質量越來越高，并隨之在美國、蘇聯、日本等國得到迅速發(fā)展。冷軋帶鋼具有性能好、品種多、用途廣等突出優(yōu)點，能提高帶鋼的表面質量、改善材料的力學性能、制造產品精度較高，現代國內外的帶鋼，大多數都是先經熱軋工藝再進行冷軋?zhí)幚?，所以冷軋技術在現代工業(yè)中扮演著愈來愈重要的角色[1]。 1.2 冷軋帶鋼發(fā)展現狀 現如今，冷軋帶鋼產業(yè)得到了越來越多的重視。從 2005 年開始，我國鋼材產量有逐年迅增的趨勢，產量幾乎翻倍，但由于冷軋板帶材占鋼材總量的比例較低，所以冷軋板帶材的增長速度依舊無法滿足市場需求。因此，從長遠發(fā)展的角度來看，冷軋板帶材的需求量將不斷增加，冷軋產業(yè)將得到充分重視，發(fā)展前景十分光明[3]。 1.3 課題研究意義 在使用熱軋技術軋制薄長型帶鋼時，由于帶材的不同部位上冷卻差異必定引起軋件的首尾的溫度差異，則會使產品尺寸在公差范圍之外，出現顯著的性能差異現象。如果當帶材厚度低于一定極限時，那么，在軋制過程中溫度下降劇烈， 則在軋制周期內，無法始終提供熱軋所需的溫度，而冷軋技術則能克服帶鋼在熱軋過程中的溫降不均難題。目前熱連軋機可能軋出最小厚度為 1.2mm 的帶鋼， 所以熱軋存在熱軋厚度下限，同時，熱軋技術不能保持軋件表面不被氧化，也不能避免由氧化所導致的鐵皮表面質量不良，而利用冷軋技術能得到極薄型帶鋼， 這是熱軋技術無法做到的。 隨著冷軋帶鋼產業(yè)在工業(yè)技術中的重要性的體現，在生產線上，在生產成卷成品冷軋帶鋼時，卷取機扮演了重要角色。由于卷取的冷軋帶鋼厚度很薄，導致鉗口無法夾緊帶頭，無法卷取，所以需要借助皮帶助卷機構將最初幾圈卷到卷筒上，然后才能脫開輔助設備正常卷取。因此，皮帶助卷器在冷軋帶鋼的生產過程中扮演了十分重要的作用[5]。 9 1.4 國內外研究現狀 助卷器的形式分為皮帶式和鏈式兩大類，目前市場上常用的是皮帶式，而鏈式使用較少，但在卷取某些特殊帶材時，如解決高牌號有取向硅鋼板的卷曲問題時，仍需用到鏈式助卷器。由于高牌號有取向硅鋼板的帶頭，易將助卷機構皮帶切斷，無法實現所需操作，所以，為了順利實現此種鋼板的卷曲，必須用鏈式克服這一缺點，采用鏈式助卷器[6]。皮帶式常用的有水平移動式、垂直移動式、傾角移動式和擺動式，相比于這三種，在各大廠家中應用最廣泛的是水平式和擺動式，水平移動式具有結構簡單、操作便捷、護理維修方便等優(yōu)點，但它占用空間大，不易布置，而擺動式能很好的克服這一弊端。 國外在 20 世紀 80 年代初開始將電液比例控制應用于助卷器裝置，在目前工廠生產中已經得到了廣泛應用。皮帶助卷器采用電液比例技術控制系統(tǒng)，用電信號代替液壓信號，加快系統(tǒng)響應，使整個系統(tǒng)控制更便捷。隨著電液比例泵和比例閥相關產品的越來越多，它們也得到各工程機械液壓件生產廠商廣泛重視。目前生產的助卷器均采用液壓驅動，液壓控制系統(tǒng)也日趨完善。 1.5 課題研究內容 皮帶助卷器使帶鋼產生彎曲的前提是帶鋼的彎曲力矩必須小于于皮帶的張 力力矩，所以本課題的主要研究內容是針對皮帶助卷器的使用進行機架結構設計， 對力矩分析計算及油缸校核，對懸臂軸進行有限元分析，最終實現產品設計。 （1）助卷器結構設計 （2）帶鋼彎曲力矩及皮帶張力計算 （3）帶鋼咬入條件和助卷退出條件分析 （4）張緊油缸、擺動油缸的選取和校核 （5）懸臂軸的有限元分析 （6）構建皮帶助卷器三維模型 1.6 課題研究技術路線 首先，利用圖書館、互聯網等資源查閱相關資料，對其有有大致了解。 然后進行工況分析和結構的初步設計，根據設計的結構進行力學分析計算， 檢驗機構是否滿足使用要求。 最后運用 Solid Works 軟件繪制皮帶助卷器三維模型，運用三維模型模擬工作過程，運用 Solid Works Simulation 工具，進行有限元分析。 2 皮帶助卷機構設計 2.1 皮帶助卷機構簡介 在帶鋼卷取機組中，附加設備被稱為皮帶助卷機。工作原理是皮帶應變，導致滾動鋼軌通過滾動夾緊轉向而產生彈性變形。同時，在傳送帶的壓力下，傳送帶與鋼筒之間的間隙會發(fā)生摩擦。當使用助卷器時，由于摩擦力的作用，卷軸上會附加一個卷取皮帶。將帶鋼插入導板外表面上的卷軸和皮帶之間的間隙中，并在皮帶的壓力下將其提起。在兩圈左右之后，產生初始張力，退出正常工作位置， 拉起皮帶，助卷器并且開始提速工作。 2.2 皮帶助卷機構的形式選取 目前市場上，主要帶鋼生產商使用的皮帶助卷機可以分為水平，垂直和懸臂擺動。另外，普通的水平式結構簡單，操作方便，因此被廣泛應用于生產實踐中。但是，這種類型的包裝需要很大的空間，并且結構不緊湊。然而，需要為工作人員身體安排一個水平向導來進入和退出工作。盡管垂直運動類型可以節(jié)省空間， 但是需要很大的力量才能進出，需要更高的動力和控制設備以及高成本，不具有經濟實用性。。 結合上下兩種形式的優(yōu)缺點，選擇最后一個懸臂擺動的連接裝置，通過油缸推動懸臂軸，使機架進出工作位置，從而節(jié)省空間并提高工作的效率。 2.3 皮帶助卷機構的設計 懸臂式擺動皮帶助卷機構的結構可分為：動力裝置、卷取裝置、擺動裝置。動力裝置是驅動機構運轉的來源，因為液壓能量可以密切地傳遞給微電子技 術，所以很容易通過自動控制實現功能[7]，故該裝置使用液壓系統(tǒng)驅動，如圖 2.1。 圖 2.1 驅動裝置 1、液壓缸 2、外部系統(tǒng) 卷取裝置是卷繞在卷軸上帶鋼的基本工具?？蚣茏钌厦娴牟糠謶覓煸趹冶蹢U 上，選擇 300 毫米的懸臂桿的直徑。中心應放置在卷軸上，鋼卷模型的內徑為 610 毫米，又因為皮帶和貨架，卷軸和皮帶之間存在空間。卷軸孔直徑為 720 毫 米，成品鋼卷的外徑為 2200 毫米，為避免最大鋼卷的破裂，懸臂軸、機架孔之 間的距離 1600 毫米，皮帶纏繞在輥筒上，所以在框架的頂部和底部安裝兩排圓孔，為了張緊和松開皮帶，兩側必須設置兩個圓孔。又因為框架的寬度和帶鋼的寬度息息相關，它是由帶鋼的寬度——700 至 1630 毫米決定的，如果框架稍窄， 則帶鋼的表面覆蓋不夠，并且影響卷繞質量結果。如果框架太大，產品將被完成， 資源將被浪費。所以，機架寬度取為 1120 毫米。級架圖如圖 2.2 所示。 圖 2.2 機架 1、懸臂桿 2、油缸 3、拉桿 4、固定輥 5、滾筒 通過拉動桿增加皮帶的松弛和張緊，桿須在機架上動作，可移動的輥用于張緊皮帶。由于滾筒長與機架寬度相同，故取值為 1120mm。如圖 2.3 所示。 圖 2.3 拉桿 1、拉桿軸 2、活動輥 3、油缸孔 擺動裝置是用于使框架旋轉、進出工作位置。懸臂軸安裝在基座軸承孔上， 擺臂與軸相接，缸體安裝在底座上，并可以圍繞底座旋轉，如圖 2.4 所示。 圖 2.4 擺動裝置 1、擺臂 2、油缸 3、底座 4、懸臂軸 2.4 皮帶助卷機構的工作流程分析 皮帶助卷機構工作流程可以分為兩種：一個是停止，非工作狀態(tài); 另一個是工作狀態(tài)。根據不同的路徑將卷繞分成兩類，即上卷取、下卷取。在工作前夕， 機架擺動缸的活塞桿工作，擺臂處于非工作位置。此時，皮帶處于非張緊狀態(tài)。如圖 2.5 所示。 圖 2.5 停止狀態(tài) 當處于上卷取狀態(tài)時，擺動缸的活塞桿動作，機架開始旋轉，機架孔與鋼筒處于同心位置起作用，皮帶纏繞在轉筒中，上導向板裝置用于夾持卷筒，收縮張緊活塞桿，皮帶開始拉緊，帶鋼在導向板的作用下，進入到皮帶助卷機構中，并由摩擦力的作用，使帶鋼隨滾筒一起轉動。如圖 2.6 所示。 圖 2.6 上卷取狀態(tài) 當處于下卷取狀態(tài)時，其與上卷取的不同之處在于，上臂擺動油缸、上導板油缸均在收縮狀態(tài)，并且下臂擺動油缸、下導板油缸均動作，如圖 2.7 所示。 圖 2.7 下卷取狀態(tài) 在助卷結束之后，張緊液壓缸動作，皮帶松弛，其余液壓缸處于收縮狀態(tài)， 上下導向板打開，機架在機架擺動油缸的動作下，退出工作狀態(tài)，助卷器的工作結束，如圖 2.8 所示。 圖 2.8 退出狀態(tài) 3 皮帶助卷機構的設計與計算 3.1 帶鋼軋制后的材料強化 帶鋼的卷取質量與助卷機的初始張力息息相關。如果帶鋼在較大的初始張力下作用，則第一回纏繞時，帶鋼將更加緊密地回彈，并且?guī)т摰恼w卷取質量將完成得更好，若初始張力不足，則很難進行卷取工作。 帶鋼的卷取質量與壓制后的材料的強化程度有關。假設初始狀態(tài)的材料厚 h0，軋制后的帶鋼厚度 h，則根據《軋鋼機械》，查出下壓率 γ[8]： g = h0 - h h0  ′ 100%  (3.1) 其中，γ 越大，材料的強化程度越高，s s 增大。 3.2 帶鋼的彎曲力矩計算 帶剛在工作時，會不可避免的有彈性變形。當產生彈性變形時候，其最小彎曲曲率半徑 rw [9]： EH r w = 2s （3.2） S 式中， H 為帶鋼厚，s s 為屈服極限， E 為彈性模量。 比較帶鋼的彎曲曲率半徑、最小彎曲曲率半徑值，當前者小時，產生塑性變形；當前者大時，將產生彈性變形，如圖 3.1 所示。 圖 3.1 應力狀態(tài)圖 彈塑性變形時，彎曲力矩公式為[9]： M = M 1 + M 2 (3.3) 式中，M1 為彈性區(qū)的彎曲力矩；M2 為塑性區(qū)的彎曲力矩。彎曲力矩公式[10]： M = h1 / 2 s dJ (3.4) 1 ò0 y o = y ′ tga = 2 y ′s s / h1 dJ = dA′ 2 y 2 = 2(bdy) ′ y 2 由式(3.4)得 ： h1 / 2 2 ys bdy ′ 2 y 2 M1 = ò s o bh 2 0 y × y M 2 = s 1 6 ò = h / 2 s dJ h / 2  (3.5) 1 y 當s = s s ，得： o b(h2 - h 2 ) M = s 1 2 4 式中， h 為厚度；s s 為屈服極限；b 為寬度；h1 為彈性區(qū)厚度。已知帶鋼的的參數如表 3.1 所示。 表 3.1 帶鋼規(guī)格及參數 其中，低合金高強度結構鋼的屈強比為 0.7，即： s s = o b  0.7 得：???? = 0.7 × 850 = 595MPa 由于所有皮帶都需進行卷取，故取b = 1630mm，h = 2.3mm。帶鋼的彈性區(qū)厚度： r = R + h 式中， 2 。 h1 = 2s s r E （3.6） 帶鋼的內徑為最小時， ??（??508） = 508/2 + 2.3/2 = 255.15mm 根據公式(3.6)，得 h1 = 2 × 595 × 255.15/2.1 × 105 = 1.446mm 根據公式(3.4)及(3.5)，得： M1 = 595 × 1630 × 1.4462/6 = 337979.15N ? mm M2 = 595 × 1630 × (2.32﹣1.4462)/4 = 775657.91N ? mm 同理，帶鋼的內徑為最大時，??（??610） = 610/2 + 2.3/2 = 306.15mm， ?1 = 2 × 595 × 255.15/2.1 × 105 = 1.735mm ??1 = 595 × 1630 × 1.7352/6 = 486578.79N · mm ??2 = 595 × 1630 × (2.32﹣1.7352)/4 = 552759.95N · mm 根據公式(3.3)，得： 內徑為 φ508mm 時： M = 337979.15 + 775657.91 = 1113.64KN ? mm 內徑為 φ610mm 時： M = 486577.79 + 552759.95 = 1039.33KN ? mm 3.3 皮帶助卷機的皮帶張力計算 當冷軋帶鋼卷取一圈之后，在某一階段，帶鋼的前部將具有松脆狀態(tài)。松弛的曲線長度設為 L，這只能在第二圈時抑制。如圖 3.2 所示。 圖 3.2 進入助卷器時帶鋼的受力情況1、 皮帶 2、直線型冷軋帶鋼 3、助卷輥 4、滾筒 由于卷帶半徑大于帶材厚度，所以可直接去除帶材厚度計算彎矩。根據圖 3.2， 42 M P = (T cos a - T sin q )′ L a = q1 = 90° - q1 cos-1 - q2 R q2 = tan -1 L R L 的值的確定與帶鋼厚相關，故帶頭松弛伸出50mm。當帶鋼內徑最小值時，得： ??（??508） = 90°﹣??1﹣??2 = 90°﹣11.14°﹣11.14° = 67.72° 當帶鋼內徑最大值時，得： ??（??610） = 90°﹣??1﹣??2 = 90°﹣9.31°﹣9.31° = 71.38° 由幾何尺寸關系得， θ = 10° 皮帶張力 T[20]計算公式： M T 3 L(cosa - sin q ) 在帶鋼內徑最小時： 在帶鋼內徑最大時： ??(??508) ≥ 58.75 KN T(??610) ≥ 65.10 KN 因為要使尺寸區(qū)間內的所有帶鋼都能纏繞，所以取較大值，且須滿足[T]=1.5T 故： [T] = 1.5T = 1.5 × 65.10 = 97.65 KN 3.4 皮帶的選型 皮帶采用厚度 4 毫米的橡塑材料。其次，根據皮帶的寬度公式[5]： W = bm a x- 2a 查表 3.1 得，帶鋼最大寬度??max = 1630mm，?? = 315mm， 根據式(3.7)可知：W = 1630﹣2 × 315 = 1000mm 皮帶長 L 經計算，得：  (3.7) L = 370 + 1675.33 + 234.25 + 578.69 + 591.68 + 1490.62 + 316 + 773.65 +659.09 + 1898.83 + 0.75π × 508 = 9785.08mm 由于加工等因素的影響，最終確定?? = 10000mm 所以，皮帶最終選型為：t4 × W1000 × L10000 3.5 冷軋帶鋼卷取條件分析 鋼帶正常包覆會經歷兩次卷入，一次為頭部剛剛包裹時，一次是第二圈被包裹時，以下為具體分析。 3.5.1 帶鋼第一次卷入條件 由圖 3.3 可知， 其中， 圖 3.3 第一圈卷入的受力分析 ??1 + ??2﹣??3 ≥ ???? (3.8) F1 = FA ? μ1 F2 = Ty ? μ2 F3 = FB ? μ3 (3.9) F1和μ 1分別為帶鋼與卷筒之間的摩擦力（N）和摩擦系數； F2和μ 2分別為帶鋼與皮帶之間的摩擦力（N）和摩擦系數； F3和μ 3分別為帶鋼與導板支點B之間的摩擦力（N）和摩擦系數。 根據表 3.2，最終取值為??1 = 0.15，??2 = 0.5，??3 = 0.15 表 3.2 材料的摩擦系數 摩擦材料 摩擦系數 鋼 鋼 0.1 0.15 鋼 橡膠 0.5 經計算，?? = 65.10 KN，?? = 71.38°，由圖 3.3 可知： ???? = T · cosθ T?? = T · sinθ 故， ???? = 20.79 KN ， Ty = 61.69 KN。 根據力矩的平衡公式[13]： FA ′ L1 = Ty ′ (L1 + L) 再根據公式(3.8)及(3.9)，得：  (3.10) 同理： FA = 61.69 × = 62.88 KN F1 = 62.88 × 0.15 = 9.43 KN ???? = = 62.88 × 50 2600 + 50  = 1.19 KN F3 = 1.19 × 0.15 = 0.18 KN F2 = 61.69 × 0.5 = 30.85 KN F1 + F2﹣F3 = 9.43 + 30.85﹣0.18 = 40.10 KN 因為 40.10 KN>20.79 KN，因此滿足條件，可正常工作。 3.5.2 帶鋼第二次卷入條件 在帶鋼卷取第二圈時，曲率半徑為[15]： = é rR ê1+ ? 2 h 3 ′ 1 ′ 3 h 1 1 h2 - h 2 ù ′ r ú ?  (3.11) 直線冷軋帶鋼的第二圈卷入的回彈大致可為三種，如圖 3.5 所示。 圖 3.4 第二次卷入時候的回彈類型 在皮帶助卷機構中，帶頭在皮帶的壓力作用下，隨著卷筒卷動，其中，皮帶的壓力取值為 ???? = ???? = 61.69KN，方向如圖 3.5 所示。 圖 3.5 第二次卷入受力分析 1、帶鋼 2、助卷輥 3、鋼筒 帶鋼第二次咬入狀態(tài)如圖 3.6 所示，帶鋼頭部撓度為[16]： 2 y w = K aL (1+ L )  (3.12) 其中， E 故： 3EI = 2.1 × 105 N/mm2 ，?? = a bh3 12  ，?? = 120mm 。 ?? = 61.69 ′103 ′120 ′ 502 ′12 ′ 3′ 2.1′105 ′1630 ′ 2.33  (1+ 50 ) 120  = 25.18mm 又因為： ?(??508) = r - = ?(??610) = r - =  254 - = 4.97mm 305 - = 4.17mm ? = max(?(??508) ，?(??610)) = 4.97mm 圖 3.6 帶頭咬入示意圖 又因為 25.87>4.97mm，故可正常工作。 3.6 皮帶助卷器打開條件 直線型冷軋帶鋼的卷取情況如圖 3.7 所示。 圖 3.7 帶鋼在卷筒上的卷取情況 圖中，??1、??2 為帶鋼第一、二圈包角，??為帶鋼拉力，F1、F2 分別為第一、二圈帶鋼的受力。 其中： 由圖 3.7 知， F2 = F1 = P ema 2 F2 ema1 F1 + F2 = P (3.13) (3.14) F2 且 e ma1 ? + 根據公式(3.14)、(3.15)，得： P ema2  = ?? ema 2 ln( 1 +1) = 1 +1 e μα1 a 2 = ema1 m  = 8.48rad = 485.76° 因為a1 + a 2 = 485.76° + 360° = 845.76° ，所以可知在 845.76° = 2.35 圈卷取之 360° 后，助卷器工作結束，卷取停止。 3.7 皮帶跑偏的處理方案 當助卷機運行時，由于是運動的，所以可能會出現皮帶偏離助卷輥，出現偏差的現象，這會影響帶的卷繞效率。在嚴重的情況下，卷起將出現非正常工作的情況。 如何防止皮帶偏差，大致可以采用三種方案，包括采用偏心套筒調節(jié)，提升機械邊界或凸臺，以及優(yōu)化皮帶助卷棍等。 但前兩者方案均成本較高，使用不便，不具有經濟型，最簡單的方法是增加助卷輥的部分輪廓，優(yōu)化皮帶助卷輥對的外形，設計成中間凸起的形式，如圖 3.8 所示。 圖 3.8 皮帶凸狀輥 凸輥可以總與皮帶中心部位接觸，中心比兩邊高。皮帶傾向于滑向一側，皮帶的側面可以被拉動并形成相反的方向，拉力使帶自動居中。 但是，滾筒中心的最大值與兩端面的最小值之間的距離不應該太大。 一般情況下，偏差設定為 5mm [15]，如圖 3.9 所示。若偏差超出此范圍，則會導致兩側皮帶翹起，裝置無法提供足夠的摩擦力使皮帶運行，并且不能實現防跑偏效果。 圖 3.9 凸棍尺寸 3.8 油缸的選取和校核 3.8.1 皮帶張緊油缸的選取和校核 張緊液壓缸主要用于控制皮帶的張緊和松弛。張緊油缸活塞桿伸出時，連桿向下擺動，皮帶松弛。反之，皮帶張緊，如圖 3.10 所示。 圖 3.10 張緊油缸的松開與張緊 1、 張緊液壓缸 2、連桿 3、皮帶 皮帶張緊狀態(tài)下的皮帶助卷機構受力分析，如圖 3.11 所示。 圖 3.11 皮帶張緊受力分析 1、3、7、固定輥 2、液壓油缸 4、5、6、導板 8、上導板回轉中心 據公式： ??合 = 0 (3.15) 對于 O 點列平衡方程，得： ?? × ?? = ??1 × ??1 + ??2 × ??2 (3.16) 又因為：  ??1 = ?? · cos2.04° = 65.10 × cos2.04° = 65.06KN ??2 = ?? · cos4.83° = 65.10 × cos4.83° = 64.89KN 據式(3.16)，得： F1 ′ L1 + F2 ′ L2 ?? = L  65.06 ′ 521.33 + 64.89 ′ 883.69 = 446.99  = 204.17KN 根據機構的相關數據，液壓系統(tǒng)的最大工作壓力取為??max = 14MPa，容積效率??m = 0.85，?? = ??max × ??m = 11.9MPa，由液壓壓力公式[19]： ?? = 1 pP(D2 - d 2 ) 4 (3.17) 又因為?? ≥ 204.17KN，故： ??2﹣??2 ≥ 21845.15 從而，液壓缸的 活塞 及活塞桿的 直徑 分別選取為 ?? = ??160mm ， ?? = ??71mm，??2﹣??2 = 20559，大于上述值，合格。據圖 3.10 可以得出，液壓缸的行程 S 為265mm。 故，皮帶張緊油缸型號為：CB ??160/??71 × 265。 3.8.2 機架擺動油缸的確定及校核 擺動油缸用于驅動機架的旋轉，當油缸活塞桿收縮，機架工作，當油缸活塞桿伸出，機架退出工作位置。工作過程如圖 3.12 所示。 圖 3.12 擺動油缸工作過程 擺動油缸工作條件需滿足兩項：一是要保證機架安全離開帶鋼，二是油缸有 足夠的壓力帶動框架旋轉。如圖 3.13 所示，為鋼卷卷動的兩極限位置。 圖 3.13 鋼卷 1、 初始卷徑 2、最大卷徑 如圖 3.14 所示，根據機架的擺角，可得中心卷筒至擺臂的距離 max 值： ?? = 562.65 + 279 + 240.19 = 1081.84mm，擺角 α 的角度 min 值： -1 a a 2 + b2 - c2 = cos 2ab 1648.302 +1648.302 - (1100 +1081.84)2 -1 = cos 2 ′1648.30 ′1648.30  = 82.88° 圖 3.14 機架轉角 如圖 3.15 所示，為擺動油缸的兩個極限位置。當處于 1 位置時候，油缸長 度 L1 為：??1 = 當處于 2 位置時候，油缸長度 L2 為： ??2 = 最小所需行程二者差值為：??2﹣??1 = 783.50mm = 666.66mm = 1450.16mm 因為要保證機架安全離開帶鋼，所以行程值要稍大一點，故取值為890mm。 圖 3.15 油缸極限位置 1、 收縮極限 2、伸出極限 如圖 3.16 所示， 據機架質量評估表可知，其所需的轉矩最大值為： M1=G·L1=5095.38×9.8×1246.772=62257.21KN·mm 據圖 3.15 所示，液壓油缸的轉矩公式應為： M 2 = F ′ L ′ s i nq 當在 1 位置收縮極限時，液壓缸的壓力最大， 缸的轉矩需大于機架轉矩的最大值，即： M2 ≥ Mθ1 故而，根據式（3.18）可得： (3.18) ???????? = 22.10°，又因為油 M1 = ?? ≥ L sin q 62257.21 396 2 + 1083.82 ′ sin 22.10° = 257.40KN 由液壓壓力公式[21]： 圖 3.16 機架質量評估表 ?? = 1 pPD2 4  (3.19) 解得： ??2 ≥ 27540.49mm2 因為存在加工等因素的影響，所以活塞直徑 D 約 200 毫米，活塞桿直徑 d 約 112 毫米，油缸為：CB φ200/φ112 × 890 。 4 皮帶助卷機構的懸臂軸設計 大致上，主要有兩種類型的軸用于皮帶助卷機構，一種支撐支撐輥的軸，另一種是連接框架并用作環(huán)形框架的懸臂類型的軸。由于機架作用在懸臂軸上，因此該軸需要進行設計、計算、校核。[20] 4.1 軸的材料選用和設計原則 通常，選用合金鋼、碳素鋼作為軸的材料。他們各有優(yōu)點，其中，碳素鋼具有應力敏感度低、耐腐蝕性強、價格低、耐磨性高，具有很高的抗疲勞強度。而合金鋼通常用于磨損嚴重，要很高的強度且功率很大的場合[20]。 故而，皮帶助卷機構的懸臂軸選用碳素結構 45 鋼，并經過正火熱處理。 4.2 懸臂軸的結構設計 如圖 4.1 所示，為懸臂軸的結構形狀。 軸的直徑尺寸： 圖 4.1 懸臂軸的結構1、軸肩 2、軸頸 3、軸頭 4、軸身 1） D1、D3 段固定在機架上，軸徑與機架孔徑相同，為300mm。 2） D2、D4 段主要用于固定軸承座的軸向方向，所以其直徑比 L1、L3 的應大20mm，即軸徑為320mm。 3） D6、D8 段固定在底座上，軸徑尺寸與底座軸承外徑尺寸相同，為350mm。 4） D5 段用于固定底座的軸向方向，其直徑應比 L6 大 20mm，為370mm。 5） D7 段主要用于擺臂的軸向定位，軸徑尺寸為370mm。軸的長度尺寸： 1） L1 的長度尺寸比機械軸承座約寬10 20mm，為295mm。 2） L2 的長度尺寸約等于機架的寬度尺寸，為1115mm。 3） L3 的長度等于軸承座寬度，為265mm。 4） L4、L5 的長度選取時需要分析整個裝置的結構布置，進而確定其尺寸為 L4 = 145mm，L5 = 240mm 。 5） L6、L7 的長度尺寸與擺臂與底座的配合有關，為L6 = 420mm，L7 = 50mm。 6） L8 的長度尺寸與底座的距離相同，為L8 = 1231mm。軸的周向定位確定： 本軸，周向定位采用平鍵連接，其中，B70 × 36 × 265、B70 × 36 × 28為機架上所用的平鍵， B80 × 40 × 380為擺臂所用平鍵。 經分析計算，確定如圖 4.2 所示的懸臂軸結構圖。 圖 4.2 軸的結構示意圖 4.3 懸臂軸的強度計算 如圖 4.3 所示，為懸臂軸的工作情況。 圖 4.3 懸臂軸工作情況 懸臂軸分別受到，機架的重力、擺臂反向阻力、軸承的支反力，受力分析圖 如圖 4.4 所示。 圖 4.4 懸臂軸的受力 計算水平面和豎直面上的支反力 F。水平面 H： ?????? + ?????? = F × cosq (4.1) 計算后，得： ?????? · (570 + 930) = F × cosq · 930 (4.2) 豎直面 V：  ?????? = ?????? = F × cosq × 930 = 147.86KN 1500 F × cosq ﹣?????? = 90.63KN ??/2 + ??/2 = F × sinq + ?????? + ?????? (4.3) ??/2 · (1395 + 617.5 + 570 + 930) + ??/2 · (617.5 + 570 + 930) = ?????? · (570 + 930) + ?? · sin?? · 930 (4.4) 最終，求得： FAV =0.03KN FBV =﹣46.89KN 計算水平面和豎直面上的彎矩 M 和扭矩 T。水平面： 豎直面： ?????? = ?????? × 930 = 84280.20KN · mm ?????? = ??/2 × 1395 = 34833.15KN · mm ?????? = ??/2 × (1395 + 617.5) + ??/2 × 617.5 = 65998.38KN · mm M VC 左 ? = ??/2 × (1395 + 617.5 + 570) + ??/2 × (617.5 + 570) ﹣ FAV × 570 = 94749.10KN · mm 合成彎矩 M： MVC 右? =  FBV  × 930 = 43607.70KN · mm 扭矩： M = (4.5) T = F ′ cosq ′ 592 ? = 141186.08KN · mm 當量彎矩M ca ：  M ca = (4.6) 據式(4.5)知，截面 C 左側彎矩值為： M = = 126809.09KN · mm 右側彎矩值為：  M = = 94893.54KN · mm 據式(4.6)知，截面 C 左側當量彎矩，其中?? = 0.6，為： M ca = = 152501.18KN · mm 右側當量彎矩為： M ca = = 127203.96KN · mm 繪制當量彎矩受力分析簡圖，如 4.5 所示。 圖 4.5 受力分析簡圖 一般來說，危險部位是在最大力矩或力矩集中且較小的桿部處。根據圖 4.5， 同一截面 C 的兩邊，右邊的當量彎矩更小一些，所以右邊相對來說較安全，因此，C 左側是一個危險的界面。 因為懸臂軸是實體的，非空狀態(tài)，所以根據《材料力學》教材，其抗彎截面模量為： pd 3 W = (4.7) 32 然而，因為 C 處有鍵槽的存在，所以實際的抗彎截面模量為： Wc = pd 3 32 - bt(d - t)2 2d  ? = 3769929.00mm3 根據當量彎矩和抗彎模量對截面 C 進行安全校核： b o = M ca Wc = 152501 .18 ′1000 = 3769929 .00  40.45MPa b 又因為[s -1 ] = 95MPa，s ＜[s -1 ]，即軸安全，強度足夠。 4.4 有限元分析 如圖 4.6，是通過 SolidWorks 軟件繪制的懸臂軸的三維模型，通過運用 Solid Works Simulation 組件做有限元分析，分析它是否達到強度要求。 圖 4.6 軸的三維模型 有限元分析需要確定材料、夾具、外部載荷，材料由上述分析選用 45 鋼， 夾具采用固定幾何體，固定于懸臂軸與底座軸承配合的位置，外部載荷由圖 4.4 添加力和力矩，生成算例報告如所示。 夾具： 固 定 2 載荷： 實體: 1 面 實體: 類型: 固定幾何體 類型: 力 2 力 3 力 4 實體 1 面, 1 基準面 參考: 上視基準面 類型: 應用力 值: 24970, — , — , N 實體 1 面, 1 基準面 參考: 基準面 6 類型: 應用力 值: — , 257400, — N 實體 1 面, 1 基準面 參考: 基準面 7 類型: 應用力 值: — , 147860, — N 扭 矩 1 扭 矩 2 實體 1 面 參考: 面 < 1 > 類型: 應用力矩 值: 42355.8 N m 實體 1 面 參考: 面 < 1 > 類型: 應用力矩 值: 42355.8 N m 以下為 Simulation 算例結果，其中，變形比例為 1000。 算例名稱 類型 最小 最大 應力 VON: von Mises 應力 23868.8 N/m^2 節(jié): 724 4.17116e + 007 N /m^2 節(jié): 33 圖 4.7 應力-應力圖 由圖 4.7 知，應力最大值為4.17 × 107N/m2 = 41.7MPa，又因為 45 號結構鋼的[s -1 ] = 95MPa，s max < s -1 ，故此軸達到強度要求，安全。 算例名稱 類型 最小 最大 位移 URES: 合位移 0 mm 節(jié): 125 0.0822483 mm 節(jié): 39135 圖 4.8 位移-位移圖 由圖 4.8 知， 位移最大值為0.082mm ， 又因為許用值[??] = 0.0002L = 0.752mm，????????＜[??]，故此軸滿足剛度要求，安全。 算例名稱 類型 最小 最大 應變 ESTRN ∶ 對等應變 7.337e-008 單元: 3243 0.0001423 單元: 8670 圖 4.9 應變-應變圖 由圖 4.9 知，應變的最小值為7.34 × 10?8，最大值為1.42 × 10?4。 5 結論 本文主要針對厚為 0.3~2.3mm，寬為 700~1630mm 的熱鍍鋅軟鋼和高強鋼鋼板進行了皮帶助卷器設計。設計過程中，完成了以下工作： （一）閱讀相關資料，并查閱研讀文獻，思考設計思路。 （二）進行設計計算，并做工作流程分析，繪制三維仿真。 （三）計算相關數據，進行皮帶選型，分析帶鋼的卷取條件，并解決了皮帶跑偏的問題。 （四）對所需的液壓缸進行選型，并校核其安全性。 （五）對所設計的皮帶助卷機的懸臂軸做強度計算，并進行了有限元分析， 確定了其滿足使用要求。 通過本次皮帶助卷機構的設計，我更加深刻的懂得了知識與實踐相結合的重要性，只有實際操作，才能更好的領悟課堂中所學的知識。這次設計，讓我對專業(yè)知識的理解更加深刻了，在設計的過程中，再一次鞏固了大學四年所學的大部分課程，如工程制圖、液壓傳動、材料力學、理論力學、機械原理、機械設計等， 通過繪制 SolidWorks 三維圖，使我的三維建模水平得到了跨越式的提高，通過繪制 CAD 圖紙，也讓我深刻的體會到了作為一名機械設計者，必須要有扎實的功底，同時，還應有嚴謹的態(tài)度，以及高度的責任心，總之，通過本次設計，讓我受益匪淺。 參考文獻 [1] 邊金生.軋鋼機械設備[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2003(12):1-2. [2] 謝東鋼，高林林.我國冷軋板帶材生產技術現狀及發(fā)展方向[J].重型機械，2011(4). [3] 蘇亞紅.我國冷軋板帶生產狀況及展望[J].冶金信息導刊，2007(5):44-48. [4] 傅作寶.冷軋薄鋼板生產[M].第 2 版.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.1-2. [5] 孫劍亭，毛朝暉.皮帶助卷器助卷過程分析及設計計算[J].一重技術，2014(5):8-12. [6] 陳守東.鏈式助卷器在冷軋硅鋼卷取機上的應用[J].中國高新技術企業(yè)， 2010(4):185-186. [7] 張敏，鄭軍華，趙立娟.液壓傳動技術[M].北京:科學出版社，2014(3):3-4. [8] 鄒家祥.軋鋼機械[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2000:412-423. [9] 白象忠.材料力學[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2003:103-146. [10] 陳璽，劉銀娟，尤磊.皮帶助卷器的設計與計算[J].重型機械，2011 (4):115-116. [11] 符可惠.皮帶助卷器的受力計算[J].有色金屬加工，2005.34(6):44-45. [12] Barfoot, G. J. Computer modeling of belt conveyor systems[M]. National Conference Publication-Institution of Engineers, Australia n 93 pt 8 Sep 22-25 1993. [13] 孫傳力.冷軋助卷機的改造[J].現代冶金.2009.37(3):59-60. [14] 朱炳麒.理論力學[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001(7):23-28. [15] 尹京.皮帶助卷器的理論計算及結構設計研究[J].一重技術，2012(5):9-13. [16] 周建方.材料力學[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002(1):78-79. [17] K.T. Park, Y.H. Park, K.S. Kim, S.Y. Won, W.K. Hong, M.S. Chun and H.C. Park: Proceeding of Annual conference of the Korean Society of Mechanical Engineers, 2015, vol. 11, pp. 1416–20 [18] 孫桓，陳作模，葛文杰. 機械原理[M].第 7 版.北京:高等教育出版社，2006(5):49-63. [19] 王積偉，章宏甲.液壓傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006(12):86-88 [20] 成大先.機械設計手冊[M].第 5 版.北京:化學工業(yè)出版社，2010(1):3-5. [21] 于惠力，李廣慧，尹凝霞.軸系零件部件設計實例精解[M].北京:機械工業(yè)出版社， 2009(6):3-7. [22] Yonghui Par,Hyunchul Park assessment of Development of Computational Models for Coiling Process with the Belt Wrapper[J].Metallurgical and Materials Transactions B, October 2016, Volume 47, Issue 5, pp 2699–2704 [23] 陳永當，任慧娟，武欣竹.. 基于 Solid Works Simulation 的有限元分析方法[J]. CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2011(9). 附錄 1：外文翻譯 帶式包裝機卷取過程計算模型的開發(fā) 摘要 本研究介紹了卷帶機的卷繞機構，以研究卷繞成功的平衡力。通過建立有限元（FE）模型，通過套管上的皮帶包裹物將條帶纏繞 2 至 3 圈而不纏繞張力 T， 然后將 T 施加至靠近壓緊輥的條帶的相對側，并且將包裹物同時從條形線圈中取出。另外，對應于有限元模型的分析模型由厚和薄圓柱定理定義以量化卷繞機構。對這些變量如何相互影響，轉換成壓力 P [N/m2]和 P 是否分別檢查皮帶包裝 物 E [N/m2]的彈性，卷取機張力 T [N/m2]和摩擦系數μ用于計算帶狀線圈何時解開。例如，當 E 為低于1 ×