螺旋活套螺旋料道有限元优化设计

螺旋活套螺旋料道有限元优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 分类号:TN919密级: UDC:621 编号:工学硕士学位论文螺旋活套 螺旋料 道有限 元 优化设计 硕 士研究 生 : 况鹏飞指 导教师 : 王凡学 位级别 : 工学硕 士学 科、专 业 : 机械制 造 及其自动 化 所 在单位 : 机械工 程 学院论 文提交 日 期:2012 年12 月 13 日论 文答辩 日期:2013 年 3 月 9 日学 位授予 单位: 沈阳理 工 大学Classification Index: TN919 U.D.C: 621 A Thesis for the Degree of Engineering The Finite Element Optimization Design for Spiral Loop and Spiral Path Candidate : KUANG PengFei Supervisor : WANG Fan Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Mechanical manufacturing and automation Date of Submission : December ,2012 Date of Examination: March ,2013 University: Shenyang Ligong University 沈阳理工大 学硕士学 位论文 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重 声明: 本 论文的 所有工 作, 是 在 导师的指 导下, 由作者 本 人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出, 并与参考文献相对应。除文中已注明引 用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的作品 成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体,均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本 声明的法 律结果 由本人 承担。 作 者(签 字 ): 日 期:年月 日学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学 有关保留、使用学位论文 的规定,即:沈阳理工大学有权保留并 向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘,允许论文被查 阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索,可 以采用影 印、缩 印或其 它复制 手段保 存 、汇编学 位论文 。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文 作者 签 名: 指导 教 师签名: 日 期: 日 期: 沈阳理工大 学硕士学 位论文 摘要焊 管 是 用钢 板 或者 钢 带经 过 卷曲 成 型后 焊 接形成 的 钢 管。 进 入二 十 一世 纪 以 来 随 着焊 接 技术 和 检测 技术 的 进步 , 焊管 在越来 越 多的 领 域取 代 了无 缝焊 管 。 活 套 是 焊管 生 产线 上 必不 可少 的 设备 , 对焊 管焊接 的 连续 化 作业 有 着重 要的 作 用 。 而 且 对焊 管 的质 量 也有 着重 要 的影 响 。而 卧式螺 旋 活套 则 是应 用 于焊 管生 产 线 上 的 最 新型 的 活套 。 它 是 一种 新 型的 储 料方 式,该 设 备结 构 简单 , 操作 使用 方 便 。 国内越来越多的厂家开始使用。 而螺旋 料道 又 是螺 旋 活套 中 最重 要 的组 成 部分, 其 设 计比 较 复杂 , 必须 综 合 考 虑 钢带 的 变形 。 如果 设计 不 合理 的 话, 会使得 钢 带在 活 套中 产 生严 重的 变 形 , 从而影响着焊管的加工质量,造成不必要的经济损失。 本文 首 先从 螺 旋活 套 的充 料 原理 进 行解 释 ,说明 了 钢 带在 螺 旋活 套 中的 运 动 规 律 。并 且 简单 介 绍了 市场 上 螺旋 活 套的 种类。 在 第三 章 中详 细 介绍 了螺 旋 活 套 的 基 本设 计 参数 , 如 : 活套 的 最大 储 料量 、活套 连 续供 料 的必 要 条件 、出 料 需 要 扭 转 的长 度 和夹 送 力的 计算 。 在分 析 完螺 旋活套 的 工作 原 理之 后 ,又 接着 对 螺 旋 料 道 的相 关 设计 参 数进 行 理 论 分析 和 计算 ,例如 : 螺旋 料 道的 半 径及 螺旋 升 角 的 确定。并且对 螺 旋 料 道 中 辊 子 的 水 平 角 度 和 垂 直 角 度 进 行 了 设定。 接 着 运 用 SOLIDWORKS 软件对螺旋料道进行了三维建 模。最后运用 ANSYS 有限元软 件对螺旋料道 中的钢带进行了有限元分析, 得出了 钢 带 在螺 旋 料道 中 受拉 以后 , 位移 变 形最 明显, 应 力最 大 最集 中 的区 域。 然 后 通 过 调 整辊 子 的水 平 角度 和垂 直 角 度 , 从而 改变钢 带 在螺 旋 料道 中 的轨 迹, 并 且 再 次 进 行有 限 元分 析 ,使 得 钢 带 的内 部 应力 和变形 更 加合 理 和均 匀 。得 出了 如 何 调 整辊子角度才能达到优化钢带的趋势。 以 往 对 螺旋 料 道的 设 计都 是 根据 相 关的 工 作经验 , 和 基本 理 论计 算 。本 文 通 过 ANSYS 有限元软 件的分析,为 调整螺旋料 道中辊子角度 提供了指导。 关键词: 螺旋料道; 螺旋活套 ; 焊管;ANSYS 沈阳理工大 学硕士学 位论 文 AbstractWelded pipe is steel pipe which is formed by welding with curling steel plate or strip. Since entering twenty-first Century, with the development of welding technology and testing technology, welded pipe replace the seamless pipe in more and more fieldsLoop which plays an important role in the continuous operation is a essential equipment in welded pipe production line, and also have an important influence on the quality of welded pipe. But the horizontal spiral loop is the most novel loop used in pipe production line. It is a new type of storage mode and the device has the advantages of simple structure and convenient operation. More and more domestic manufacturers began to use it The spiral path is the most important component in a spiral loop. Its design is complex, so we must consider the deformation of steel strip. If the design is not reasonable, it will make the steel strip produced severe deformation in the loop in order to affect pipe processing quality and cause unnecessary economic lossesFirst we explain the filling material principle to illustrate the law of the strip in the spiral loop and introduce the type of spiral loop in the market. In the third chapter we describes in detail the basic design the parameters of spiral loop. Such as: imum storage volume, the necessary conditions, the length which needs to reverse and pinch force calculation. After the analysis of the spiral loop principle, we analysis and calculated theoretically the related design parameters of the spiral path. For example: the spiral path of the radius and helix angle. And we set the spiral path of roller in horizontal and vertical angle. Then we use SOLIDWORKS software for 3D modeling of spiral pathFinally, we use the finite element software ANSYS to analysis the spiral path in the strip. And we get the area in which the most obvious displacement and the most concentrated stress turn up. Then the roller horizontal angle and vertical angle can be adjusted to change the trajectory of the strip in the spiral path. And we carry out the finite element analysis again to make the internal stress and deformation of the strip more reasonable and uniform. So we can find how to adjust the angle of the roller in order to achieve the optimization of the trend of steel strip 沈阳理工大 学硕士学 位论文 The last design of the spiral path is based on experience and the basic theory of computation. This paper introduces how to provide adjustment pf the spiral path of roll angleKeywords: The Spiral Path; The Spiral Loop; Welded Pipe; Ansys ; 目 录 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 课题的研究意义1 1.2 国内外的研究现状..4 1.3 课题的主要研究内容.5 第 2 章 螺旋活套的充料原理 7 2.1 带钢的运动分析7 2.2 活套充料时,料盘内部带钢的受力分析8 2.2.1 离心力8 2.2.2 摩擦力8 2.2.3 弹复力矩..9 2.3 充料时料盘内部带钢从内笼往外笼的动力 学分析9 2.4 活套带钢的运动特性分析 10 2.5 本章小结 11 第 3 章 螺旋活套的分类及工作原理13 3.1 螺旋活套的分类. 13 3.2 卧式螺旋活套 的工作原理及特 点. 14 3.2.1 卧式螺旋 活套的工作原理 14 3.2.2 卧式螺旋 活套的特点16 3.3 卧式螺旋活套 的结构及重要参数的 计算. 17 3.3.1 卧式螺旋 活套的结构和工作原理 17 3.3.2 卧式螺旋 活套的储料量及其最大值的确 定 17 3.3.3 活套连续供料的必要条件 20 3.3.4 出入料扭转长度的计算. 22 3.3.5 夹送力的计算. 22 3.5 本章小结 24 第 4 章 螺旋料道的原理分析及三维建模. 25沈阳理工大 学硕士学 位论 文 4.1 螺旋料道的设计原理及方法25 4.2 螺旋料道的半径的确定 26 4.3 螺旋料道的螺旋升角的确定28 4.4 螺旋料道的三维建模. 29 4.4.1 螺旋料道的组成部分. 29 4.4.2 辊子的角度设置 31 4.4.3 各个辊子母线中点位置的确定 34 4.4.4 建立辊子与钢带的配合模型. 34 4.5 本章小结34 第 5 章 螺旋料道的有限元分析 35 5.1 ANSYS 功能及应用简介35 5.1.1 ANSYS 简介 35 5.1.2 ANSYS 分析类型简介 36 5.1.3 ANSYS 软件的主要技术特点 37 5.1.4 有限元软件分析的优势 37 5.2 运用 ANSYS 对钢带进行有限元分析37 5.2.1 在 ANSYS 中对钢带进行前处理和求解. 37 5.2.2 查看后处理结果 43 5.3 调整辊子角度后的钢带的 ANSYS 分析. 49 5.3.1 调整辊子角度 49 5.3.2 调整辊子角度的方法 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 56 5.4 本章小结56 结 论. 57 参考文献. 错误! 未定义书 签。 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果 62 致 谢. 63第 1 章 绪 论 第1 章 绪论1.1 课题 的 研 究意 义二 十 世 纪三 十 年代 以 来, 随 着优 质 钢带 连轧 生 产 的迅 速 发展 以 及检 测 技术 的 进 步 ,焊 缝 质量 的 不断 提升 , 焊接 钢 管的 品种规 格 越来 越 多, 并 且在 越来 越 多 的 领 域 替代 了 无缝 焊 管。 焊接 钢 管按 焊 缝的 形式分 为 直缝 焊 管和 螺 旋焊 管。 按 照 生 产 方 法分 类 的话 , 可以 分为 : 电弧 焊 管、 电阻焊 管 、气 焊 管、 炉 焊管 。直 缝 焊 管 生 产 工艺 简 单、 生 产效 率比 较 高、 成 本低 ,发展 较 快。 螺 旋焊 管 的强 度一 般 比 直 缝 焊 管高 , 能用 较 窄的 坯料 生 产出 管 径较 大的焊 管 , 并 且 还可 以 用相 同宽 度 的 坯 料 生 产管 径 不一 样 的焊 管。 但 是和 相 等长 度的直 缝 焊管 比 起来 , 焊缝 的长 度 增 加 了百分三十至百分之一百,并且生产速度较低。 图 1.1 焊管 焊管的用途有很多,主要有以下这些: 一般焊管:用来 输送低压流体。用 Q195A 、Q215A 、Q235A 钢制造。也可采 用 易 于焊 接 的其 它 软钢 制造 。 钢管 要 进行 水压、 弯 曲、 压 扁等 实 验, 对表 面 质 量 有一定要求, 通常交货长度为 4-10m , 常要求定尺 (或倍尺) 交货。 焊管的规格用 公 称 口径 表示。 公 称口 径与 实 际不 同 ,焊 管按规 定 壁厚 有 普通 钢 管和 加厚 钢 管 两 种,钢管按管端形式又分带 螺纹 和不带螺纹两种。 镀锌钢管: 为了提高钢管的耐腐蚀性能, 对一 般钢管 (黑管) 进行镀锌。 镀锌 -1- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 钢管分热镀锌和点镀锌两种,热镀锌镀锌层厚,电镀锌成本低。 吹氧焊管: 用作炼钢吹氧用管, 一般用小口径的焊接钢管, 规格由 3/8 寸-2 寸 八种。08,10,15,20 或 Q195-Q235 钢带制成。为 防蚀,有的进行渗铝处理。 电线套管: 也是普通碳素钢电焊钢管, 用在 混 凝土 及各种结构配电工程, 常用 的公称直径从 13mm 至 76mm 。电线套套管壁 较薄,大多进行涂层或镀锌后使用, 要求进行 冷弯试验 。 公 制 焊 管: 规 格用 无 缝管 形 式, 用 外径 乘以 壁厚 毫 米 表示 的 焊接 钢 管, 用 普 通 碳 素钢 、 优质 碳 素钢 或普 能 低合 金 钢 的 热带、 冷 带焊 接 ,或 用 热带 焊接 后 再 经 冷 拨 方法 制 成。 公 制焊 管分 普 能和 薄 壁、 普通用 作 结构 件 ,如 传 动轴 ,或 输 送 流 体,薄壁用来生产家具、灯具等,要保证钢管强度和弯曲试验。 托辊管:用于带 式输送机托辊电 焊钢管, 一般用 Q215 、Q235A 、B 钢及 20 钢制造,直径 63.5mm 到 219mm 。对管弯曲度 、端面 要与中心线垂直、椭 圆度有 一定要求,一般进行水压和 压扁试验 。 变压 器 管: 用 于制 造变 压 器热 管 和其 它热交 换 器, 采 用普 通 碳素 钢制 造 , 要 求 进 行压 扁 、扩 口 、弯 曲、 液 压试 验 。钢 管以定 尺 或倍 尺 交货 , 对钢 管弯 曲 度 有 一定要求。 异型管:由普通碳结结构钢及 16Mn 等钢 带焊制的 方形管 、矩形管、帽形管、 空胶钢门窗用钢管,主要用作农机构件、钢窗门等。 电焊 薄 壁管 : 主要 用来 制 作家 具 、玩 具、灯 具 等。 近 年来 不 锈钢 带制作的薄 壁管应用很广,高级家具、装饰、栏栅等。焊管如今已 经在诸多 领域应 用的越来 越广泛。 而 活套则是 焊管生产 中十分重 要 的 设备 , 起到 储 料和 联系 供 料的 作 用。 对焊管 的 生产 效 率和 加 工质 量 都 有很重 要的作用。 活套是高频焊管生产 线连续生产不可缺少的大型设备,其作用是储料,供料, 使 生 产线 能 够 连 续 高速 地运 行 。生 产 过程 中,带 钢 不间 断 地进 入 活套 ,又 连 续 不 断 地 由活 套 向焊 管 轧机 供料 。 当带 钢 换卷 、切尾 、 切头 、 对焊 时 ,停 止向 活 套 内 进料, 活套靠储备的带钢向焊管轧机供料, 活 套内储存的带钢逐渐减少。 当换卷、 切尾、 切 头 对焊 完 成后 ,带 钢 又快 速 向活 套内充 料 ,使 活 套内 的 储料 量由 少 变 多 直至满料。 这样, 活套始终给焊管轧机连续不断地供料, 提高了作业率, 成材率, -2- 第 1 章 绪 论 [1-4] 合格率和劳动生产率 。图 1.2 为螺旋活套的 实体图。 图 1.2 螺旋活 套实体 图在 高 频 焊管 生 产线 中 有多 种 活套 装 置, 螺旋 活 套 是国 际 上最 近 才出 现 的储 料 原理最新,性能最为先进的活套。 卧式 螺旋活套又 是螺旋活套中的佼佼者。 现代焊管线中 的关键设备, 它起到储 料 , 供料 的 作用 , 实现 了连 续 化的 焊 管生 产。它 的 结构 新 颖, 工 作原 理复 杂 , 对 充 料 原理 的 研究 是 进一 步完 善 现有 活 套, 设计超 级 活套 的 理论 依 据。 卧式 螺 旋 活 套 是 新研 制 出的 焊 管生 产线 中 的储 料 设备 ,不同 于 坑式 活 套, 适 用于 存储 宽 带 及 厚 带 ,钢 带 通过 螺 旋料 道被 主 机拉 出 。然 而,螺 旋 料道 的 设计 复 杂, 必须 综 合 考 虑 钢 带在 料 道中 的 各种 弯曲 变 形, 各 立辊 外母线 中 点的 空 间位 置 与钢 带弯 曲 变 形 轨 迹 相一 致 ,才 能 使钢 带不 产 生塑 性 变形 ,带钢 内 部不 产 生残 余 应力 ,不 产 生 表 面划伤等缺陷,对提高焊管质量有利。 我国是生产焊管及 使用焊管的大国,螺旋活套的市场需求量很大,前景可观。 因此,对卧式螺旋活套这一领域的研究,不但具有理论价值,且具有 实际意义。 立式螺旋活套同时也是另外一种市场占有率较高的螺旋活套。 使用立式螺旋活 套 进 行带 钢 的中 间 储存 ,能 克 服高 架 活套 及坑中 活 套缺 点 工程 量 大, 投资 高 的 缺 点 , 只需 较 小的 空 间就 可以 储 存大 量 的带 钢,且 带 钢愈 薄 ,储 量 越大 ,这 不 但 使 投 资 成本 降 低, 更 为连 续工 序 提高 速 度创 造了条 件 ,能 打 打提 高 经济 效益 。 在立 式 螺 旋活 套 里, 带 钢经 过形 成 活套 结 ,产 生了微 量 的塑 性 变形 , 但在 打开 活 套 结 [5-6] 后,塑性变形则基本得到纠正,对后部工序没有多大影响 。 螺旋料道是活套的重要组成部分, 很大程度上影响到活套的使用性能。 在直缝 -3- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 焊 管 生产 线 中宽 带 和 厚 带在 活 套中 存 储困 难, 出 料 时候 容 易发 生 打折 的现 象 。 如 螺 旋 料道 设 计不 合 理, 则是 带 钢在 活 套中 会产生 严 重的 变 形, 影 响焊 管质 量 。 本 文主要针对螺旋料道这一项目进行有限元分析及优化其结构设计。 1.2 国内 外 的 研究 现状 自 从 直 缝高 频 焊管 技 术产 生 后, 就 有许 多 人对活 套 进 行研 制 ,到 目 前为 止 , 活套的种类已发 展到多种类型,WLHT45 螺旋活套是沈阳工业学院于 1990 年至 1992 年研制并投入使用的。它是目前国内外最新结构形式的小型焊管活套,其结 构简单合理, 功能齐全, 使用范围广泛, 不仅 能够满足带钢厚度 1.2-3.5mm 范围内 的使用要求, 同时对厚度 0.75-1.2mm 的变压器 管带钢, 同样能够进行很好的储料, 这 是 其他 活 套所 不 能比 拟的 。 此外 , 它还 具有储 料 过程 带 钢无 急 剧变 形、 不 产 生 变 形 硬化 及 残余 应 力、 减少 带 钢表 面 划伤 、提高 棺 材质 量 、 降 低 能源 消耗 , 提 高 轧机寿命等优点。近 几 年 来我 过 的焊 管 行业 由 于大 量 引进 ,使 焊 管 生产 的 装备 水 平有 所 提高 , 但总体技术和水平较落后,设备结构陈旧,机械化水平和生产率都较低。80 年代 相 继 引进 几 十套 先 进焊 管机 组 使我 国 焊管 生产的 技 术有 了 本质 的 提高 ,但 都 没 有 把 引 进的 先 进技 术 水平 进一 步 的消 化 移植 后,用 来 更新 改 造原 本 就有 的老 式 焊 管 机 组 。而 最 近两 年 以来 又出 现 了重 复 引进 的资源 浪 费。 如 本溪 和 海城 两厂 家 同 时 引进 325 焊管机组,丹东和吉林引进 165 焊管 机组等等。目前在我国外 汇紧张的 情 况 下, 国 内可 以 做到 的, 应 尽可 能 的 在 国内做 , 不应 重 复的 引 进外 国的 技 术 , 加 大 经济 消 耗,应 加强 自主 研 发的 能 力。 今后的 发 展除 了 一些 需 要引 进少 量 的 关 键 设 备和 技 术外 , 应该 立足 于 国内 , 但是 现在有 些 厂家 对 引进 设 备和 技术 实 行 了 技 术 封锁 , 自己 又 没有 能力 将 先进 的 技术 设备进 一 步转 化 移植 加 以推 进, 这 一 局 面限制了焊管技术往更高层次的发展。目前, 我国有一千一百多条 76 以下小管 生产线, 这些生产线有的无活套, 有 的 是 用老 式 活套 , 如地 坑式 , 隧道 式 ,笼 式。这 些 老式 活 套存 在 很多 问题 , 急 需 更新改造。45 活套的研制成功, 对促进小型焊管生产的发展具有重要意义。 另外, 根据国外高频直缝焊管 的发展规律,焊管 产量 一般占钢材产量的 10% 左右。开发 研制新一代小直径焊管活套是十分必要的。45 活套的研制成功不仅填补了我国 小直径焊管机组该项设备的空白,促进了 -4- 第 1 章 绪 论 小 直 径焊 管 的生 产 发展 ,同 时 也为 在 我过 研制大 , 中型 焊 管活 套 提供 了重 要 的 技 术 数 据和 实 践经 验 。我 国大 型 焊管 设 别是 最近几 年 才发 展 起来 的 ,多 数设 备 还 是 靠 引 进外 国 的技 术 。广 州冷 弯 型厂 , 宝鸡 石油钢 管 厂, 武 汉汉 口 轧钢 厂, 海 城 海 安 涂 层钢 管 有限 公 司等 厂家 , 均采 用 引进 国外的 活 套设 备 和技 术 ,其 引进 费 用 很 高。 而锦 西 钢管 厂 ,辽 阳钢 管 厂的 大 型焊 管机组 , 虽然 轧 机和 飞 锯是 引进 国 外 先 进 设 备, 但 因经 费 不足 不得 不 使用 地 坑式 活套, 显 然 这 是 落后 的 设备 。海 城 海 安 涂层钢管有限公司 325 焊管机组用六十万美元 引进美国吉尔得公司辊道螺旋活套, 这 样 高的 引 进费 用 必将 影响 我 国大 型 焊管 生产发 展 的前 景 。 我 们 必须 有自 己 设 计 制造的大型焊管活套。 通过对 45 活套的研制, 现在可以说, 我们已经具备了设计 制造出自己的大型焊管螺旋活套的基础和条件。 随 着 技 术的 进 步, 焊 管设 备 的生 产 速度 越来 越 高 ,为 了 提高 劳 动生 产 率和 金 属 的 成材 率 ,以 及 成品 表面 质 量, 人 们早 对焊管 生 产过 程 中的 储 料设 备 ?? 活套 进 行 了探 索 和研 究 。由 于旧 式 活套 的 结构 不合理 , 极大 的 限制 了 焊管 生产 线 轧 制 的 连 续性 和 轧制 速 度的 提高 , 降低 了 产品 的质量 。 西南 铝 加工 厂 从西 德虏 伯 公 司 引 进 的水 平 螺旋 活 套, 并对 此 螺旋 活 套的 工作原 理 进行 了 研究 , 开发 出符 合 我 国 [7-9] 现实国情的水平螺旋活套 。 1.3 课题 的主 要 研 究内 容螺 旋 料 道是 螺 旋活 套 的重 要 组成 部 分, 螺旋 料 道 对活 套 的使 用 性能 和 状态 有 着 至 关重 要 的作 用 ,钢 带通 过 螺旋 料 道引 出螺旋 活 套, 进 入焊 管 生产 线。 如 果 螺 旋料道设计不合理, 则会是钢带在传送的过程中变形严重, 从而影响焊管的质量, 进而影响厂家的效益。 卧式螺旋活套适用于 储存宽带和 厚带, 带钢通过螺旋料道被主机拉出 , 但是, 螺 旋 料道 的 设计 比 较复 杂, 需 要综 合 考虑 分析钢 带 在料 道 中的 各 种弯 曲变 形 , 各 立 辊 外母 线 (与 钢 带相 互接 触 的母 线 )中 点的空 间 位置 与 钢带 弯 曲变 形轨 迹 相 一 致 , 才能 使 钢带 不 产生 塑性 变 形, 钢 带内 部不产 生 残余 应 力, 不 会产 生表 面 划 伤 等缺点,对提高焊管质量是有益处的。 我 所 做 的课 题 的主 要 内容 对 螺旋 活 套中 的 螺旋料 道 的 设计 和 原理 进 行阐 述 , 并且用 ANSYS 有限元软件 对在螺旋料道中运 动的钢带进行分析, 得出钢带的受力 变 形 情况 , 并对 其 辊子 的放 置 角度 进 行调 整优化 。 对 改 进 过的 螺 旋料 道进 行 有 限 -5- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 元分析。 查看钢带在优化过的螺旋料道中是否 产生更小的应 力, 产生更小的变形, 就可以被主机拖出螺旋料道,进入生产 线。 -6- 第 2 章 螺旋 活套的充 料原理 第 2 章 螺旋活套的充料原理2.1 带 钢的 运动 分析 卧 式 螺 旋活 套 是当 代 焊管 线 生产 中 的重 要 设备, 它 起 到储 料 和供 料 的作 用 , 实 现 了连 续 化的 焊 管生 产, 卧 式螺 旋 活套 结构新 颖 ,工 作 原理 也 比较 复杂 , 对 卧 式 螺 旋活 套 充料 原 理的 研究 目 的也 是 为了 进一步 完 善现 有 存在 的 活套 , 为了设计 超 级 活套 提 供了 理 论依 据。 我 国是 制 造焊 管和运 用 焊管 的 需求 大 国, 卧式 螺 旋 活 套 的 市场 需 求量 还 是很 可观 的 ,前 景 也比 较被看 好 。所 以 ,对 这 一领 域的 研 究 和 开 发 ,不 仅 仅有 理 论上 的价 值 ,而 且 也有 实际的 经 济效 益 。 经 过 查阅 国内 外 已 有 资 料 ,也 很 少有 见 过关 于卧 式 螺旋 活 套工 作原理 的 阐述 和 资料 。 本次 的论 文 首 先 从 对 卧式 螺 旋活 套 的充 料原 理 阐述 开 始, 先从原 理 方面 说 明了 钢 带冲 入卧 式 螺 旋 活套的可行性,为后面的分析打下基础。 下 面 的 论文 是 从动 力 学和 运 动学 两 个方 面 ,对卧 式 螺 旋活 套 的工 作 原理 进 行 了阐述。 v 充 如图2.1 , 带钢以充料速度 进入活套。 所以, 螺 旋料道上的带钢的线速度也 v 充 为充料速度 ,从螺旋料道上运动出来的带 钢在 自身重力和弹复力矩的作 用下, 有 向 外扩 张 的趋 势 , 托 料的 斜 辊转 动 ,依 靠摩擦 力 带 动 料 圈旋 转 ,在 带钢 与 托 料 v 斜辊间没有切向滑动的情况下, 料圈上某一点的带钢的线速度 与托料斜辊的线速 v 托 v 扩 v+ v 扩 v 托 度 与该 点带钢 向外 扩张 速度 的矢量 和相等 。 即 。图1 表示了 带钢上 m 、n 、k 三点的运动速度。m 为内料圈带钢上的 任意一点,n 为正在由内料圈向 外料圈移动的一段带钢上任意一点,k 为外料圈带钢上任意一点。 由于外带层对m , v 扩 k 两点向外扩张速度 的影响, 它的数值比 点的扩张速度的数值小, 其中 点的 k n v 扩 v 充 v 扩 扩 张 速 度最 小 。 比 小 , 尤 其是 快 速充 料 的时 候, 不 计 的 情 况下 , 托料 斜 v 托 辊的情况下,托料斜辊上 的各点线速度大 小均 和 相等。由于各层的带钢 到转动中心的距离不一样, 导致它们的转动 角速度也不同。 由 ?/vR 可以知道, 与R 成R 反 比 (其 中 表 示 角 速度 , 表 示 带钢 与 转动 中心的 距 离) 。 由于 各 点旋 转半 径 不一样, 导致三点的角速度也不一样, 由内部 到外部逐渐减小, 即m 、n 、k 三点 -7- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 的运动依次的滞后,从而产生了所谓的径流现象。 图2.1 钢带运 动分析图 2.2 活套 充料 时, 料盘 内部 带钢 的受 力分 析 从 内 部 进料 的 卧式 螺 旋活 套 结构 设 计的 核 心是根 据 带 钢的 特 性, 保 证充 料 的 时侯从螺旋料道出来的带钢能够顺利地进入螺旋活套, 形成有组织有规律的料圈, 靠近内笼的带钢不断的向外笼扩充,向外笼移动 。 2.2.1 离心力 螺 旋 活 套充 料 的时 候 ,托 料 斜辊 带 动它 上 面的带 钢 围 绕活 套 的中 心 旋转 , 带 钢 上 面的 各 个点 均 受到 因为 旋 转的 离 心力 的作用 , 在忽 略 带钢 和 托料 斜辊 之 间 滑 动的情况下, 若托辊上末段的钢带的质量rtb 6 。 此段的带钢所受到的离心力的 2 大小为P ?1/6tb v ,它的方向是沿径向向外的。 托 离 2.2.2 摩擦力 带 钢 在 运动 中 ,各 个 点都 会 受到 和 它运 动 方向相 反 的 摩擦 力 ,这 个 摩擦 力 可 Rtb i 分解为法向滑动摩擦力 ?f?9.8cos , 它的方向指向卧式螺旋活套的中 N 1 6 Rtb i 心; 切向滑动摩擦力 ?f?9.8, 其方向沿带圈的切线方向,是滚动摩 N 2 1 6 擦系数,是 滑动摩擦系数,是托料 斜辊的倾斜角 。R 为钢带的旋转半径,t 为 2 i -8- 第 2 章 螺旋 活套的充 料原理 钢带的厚度,b 为钢带的宽度,为钢带的密度。 2.2.3 弹复力 矩 带 钢 发 生弹 性 变形 的 时候 , 肯定 有 一个 和 外力矩 大 小 一样 , 方向 相 反的 内 力 矩 即 弹复 力 矩和 它 想平 衡。 在 去除 外 部的 载荷之 后 , 弹 复 力矩 使 带钢 发生 弹 性 恢 复 , 恢复 到 它的 自 然状 态。 螺 旋活 套 螺旋 料道中 的 带钢 因 为弯 曲 所产 生的 弹 复 力 矩, 带钢 从 螺旋 料 道出 来之 后 ,随 着 料圈 的转动 , 很自 然 的向 外 扩张 ,推 动 和 它 相 邻 的下 一 层的 带 钢沿 径向 往 外移 动 。从 整个料 盘 看来 , 各层 带 圈均 有向 外 扩 展 成 直 平状 态 的趋 势 。当 弹复 力 矩足 够 大的 时候, 才 能保 证 各个 带 圈很 紧密 的 靠 在 一起。 沿着托料斜辊的角度,一起向外扩展,形成完整的料圈。 图 2 中带钢所受 到的弹复力矩M ?EI /R ,E ?? 带钢的弹性模量,I ??带钢 的极惯性矩。 由以上 公 式 可以 知 道, 对 于同 一规 格 的带 钢 ,弹 复力矩 与 带圈 的 旋转 半 径R 成 反比 , 由 于螺旋料道的半径R 最小, 所以, 其中带钢的弹 复力矩最大。 带钢进入料盘以后, 在 旋 转的 过 程中 , 它的 弹复 力 矩一 直 克服 摩擦力 矩 ,它 的 值也 一 直在 减小 , 因 此 对 于 较薄 的 带钢 , 卧式 螺旋 活 套螺 旋 料道 的半径 和 储料 盘 的外 径 不应 该取 较 大 的 数 值 。否 则 ,从 螺 旋活 套螺 旋 料道 出 来的 带钢弹 复 力矩 较 小, 带 钢在 螺旋 料 道 的 出 口 处容 易 打折 。 使得 螺旋 活 套的 充 料不 可以顺 利 地进 行 。 由 于 料圈 的外 径 比 较 大 , 外圈 上 的各 层 带钢 的弹 复 力矩 比 较小 ,每层 带 钢不 能 够紧 密 的靠 拢在 一 起 , 带 层 之间 的 间隙 大 ,所 以导 致 了料 圈 整体 的刚性 差 ,带 钢 在螺 旋 活套 的出 口 处 容 易 打 折, 影 响了 料 盘里 的带 钢 的运 动 规律 。随着 料 圈继 续 的运 动 ,带 钢打 折 越 来 越 严 重, 导 致整 个 料盘 中的 带 钢运 动 更加 紊乱。 这 个时 候 ,螺 旋 活套 必须 立 刻 停 [10] 止运行,排除之一故障,才 可以继续运作 。 2.3 充料 时料 盘内 部带 钢从 内笼 往外 笼的 动力 学分 析 图2.3是螺旋活套 正在充料 ,内料 圈在转动 ,而 外料圈却不 转动,内 料圈中的 带钢正一圈圈地向外扩展, 向外笼移动。AB 弧是连接内笼和外笼之间的一 段带钢, 因 为 内料 圈 和外 料 圈中 带钢 弹 复力 矩 的影 响, 使得A ,B 两 点 连线 上 的带 钢受 作 用力F ,F ' 。F 有径向的分力F , 随着 托料斜辊带动弧AB 转动的时候,F 促使 1 1 1 2 2 A 点 沿 径向 往 外笼 移 动。 内笼 上 的带 钢 不断 往和它 相 邻的 外 层带 钢 移动 ,即 沿 着 径 向 往 外扩 展 ,切 向的 分 力F 使得点A 的 下 面一 点A' 往A 方向 运动 。F ' 的 径向 3 1 -9- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 分力F ' 使得B 点紧贴于外笼, 切向分力F ' 使得B 点的下一点B ' 往后移动, 促使 2 3 点向外笼移 动。以上 的过程在 螺旋活套 充料过 程中反复的 进行,使 得从内笼进 B ' 入的带钢逐渐的向外笼移动,实现了螺旋活套的储料。 由 上 面 的分 析 可以 知 道, 因 为在 料 圈旋 转 以后, 带 钢 的运 动 和它 受 力共 同 作 用 的 关系 , 使得 内 笼带 钢能 够 向外 笼 移动 。 使得 柔 性的 带 钢在 高 速的 旋转 运 动 中 可 以 保持 平 衡和 稳 定。 并且 按 照一 定 的运 动规律 来 运动 。 此外 , 带钢 本身 的 刚 性 及托料斜辊的角度对螺旋活套充料都有一定的影响。 图2.2 钢带动 力 分析图 2.4 活套 带钢 的运 动特 性分 析 卧 式 螺 旋活 套 中带 钢 的运 动 规律 是 关于 卧 式螺旋 活 套 研究 的 难点 和 重点 , 同 时 也 是螺 旋 活套 结 构设 计的 理 论依 据 。螺 旋活套 如 果要 具 有储 料 功能 ,则 必 须 具 备 以 下两 个 基本 条 件, 首先 就 是带 钢 从螺 旋料道 出 来后 , 能够 顺 利地 进入 料 盘 , 其 次 就是 内 笼上 的 带钢 可以 连 续地 向 外扩 展,往 外 笼移 动 。 第 二 个条 件已 经 可 以 通过上面的分析,证明已经具备。下面进行分析第一个条件。 在 螺 旋 活套 静 止的 时 候, 把 白色 的 油漆 顺 着径向 涂 在 料盘 中 距离 内 笼较 近 的 带 钢 上。 然 后料 盘 开始 旋转 , 向螺 旋 活套 内充料 , 料圈 转 过一 些 圈后 , 可以发现 一开 始沿径向分布的白色油漆点,转变为沿周向分布的一些点 。 接 着 螺 旋活 套 停止 充 料, 料 圈也 停 止转 动 , 接着 测 量 出相 邻 带层 之 间两 点 的 -10- 第 2 章 螺旋 活套的充 料原理 周向长度。各个测量的值见表 2.1 表 2.1 相邻 带层间两 点周向长 度测量数 值表 1 2 3 4 5 6 7平均 圈数 圈次 2 24 26 28 26 30 30 31 28 3 46 48 49 50 51 51 52 50 4 65 68 68 70 70 71 73 69 根 据 测 量的 值 可以 看 出, 随 着转 动 圈数 的 增加, 相 邻 的两 点 的距 离 也随 之 增 加 。 从理 论 上计 算 时, 可以 忽 略相 邻 带层 间的间 隙 和滑 动 。 并 假 设各 个带 层 是 很 紧密的靠在一起的。 螺旋活套料盘转动一圈之后, 若充进来L 米的 带钢, 则各个带 圈在这期间内旋转半径至少要增大一个带钢的厚度t ,才可以保证往螺旋活套内顺 利地充料。 设 夹 送器 的传 动比 :i0.36 ,夹 送器 的转 速n8.64n /s 。设 托料 斜 辊 的 夹 夹 传动比:i0.25 。 斜辊的转速为ni ?n6n/s 。 斜辊的直径为D ?114mm , 托 托 托 电 托 当螺旋活套转过 四 圈后,理论计算的相邻的带层间相对移动的距离是 15.8mm , 18.774mm ,28.16mm ,37.55mm 。 理 论 上 计算 的 数值 和 试验 测 得的 平 均值 存 在差异 , 最 主要 的 原因 是 因为 理 论 计 算 时忽 略 了带 钢 在径 向的 扩 展速 度 , 并 且做了 一 些假 设 。 因 为 事实 上, 带 层 之 间 是 有间 隙 的, 所 以各 个带 层 的旋 转 半径 是要比 理 论上 的 旋转 半 径大 的。在同样 的 旋 转角 度 下, 测 得的 实际 值 要大 些 ;当 螺旋活 套 快速 充 料的 时 候, 托料 斜 辊 的 转 速 变高 , 由于 惯 性带 钢不 能 够立 刻 停止 下来, 所 以: 测 量的 时 候, 带钢 的 实 际 转角要变大,测量值也变大。 当快速充料的时候, 螺旋活套的充料速度是v ?n?D2.17m /s 。 托料斜 充 夹 夹 辊上面带钢的线速度v ?n?D2.15m /s 。 可以从上面的计算结果得知, 活套 托 托 托 的 充 料速 度 ,近 似 的可 以等 于 托料 斜 辊上 面带钢 的 线速 度 。 所 以 ,从 螺旋 料 道 上 面 运 送出 来 的带 钢 可以 被托 料 斜辊 带 走, 储存在 螺 旋活 套 之中 , 并且 可以 一 圈 圈 [11] 的增加,完成充料过程 。 2.5 本 章小 结 带钢的运动由卧式螺旋活套料盘内带钢在运动过程中所受的力的特点决定。 -11- 沈阳理工大 学硕士学 位论文 其受力的状态也使得带钢从内笼向外笼移动。 活套的充料速度与托料斜辊的线速 度近似相等。 使得带钢可以顺畅的进入料盘。 带钢受弯曲变形之后,有自然向外 扩展的趋势,使得带钢能沿着径向向外扩展,形成了径流运动。由 于 旋 转半 径 的不 同 ,料 盘 内各 个 带层 由内 至 外 各带 圈 相对 运 动滞 后 ,使 得 内层的带圈推动和它相邻的外层带圈向外运动。 -12- 第 3 章 螺旋 活套的分 类及工作 原理 第 3 章 螺旋活套的分类及工作 原理3.1 螺旋 活套 的分 类 螺旋 活 套在 在 焊管 的 连续 生 产中 起 着储 料 ,供料 的 作 用。 对 焊管 的 生产 质 量 和生产效率有着十分重要的影响。 现在国内外正在使用的螺旋活套的种类有很多。 比 如 较早 就 开始 使 用的 架空 式 活套 、 隧道 小 车式 活 套、 笼 式活 套 、立 式活 套 、飞 焊车式 活套,还有地坑式活套。 架空式活套多用于钢带厚度在 5mm 以内的机组 ,占地面积比较大,而且储料 量 比 较少 , 不适 合 高速 或者 大 规格 的 机组 。 而地 坑 式活 套 和笼 式 活套 具有 结 构 简 单,占地小,投资省的有点,但是有折叠,拉料功耗大的缺陷。 现 在 应 用最 普 遍的 螺 旋活 套 。 螺 旋 活套 属 于较为 先 进 的储 料 装置 。 由于 它 自 身 的 优点 : 占地 面 积小 ,可 以 节约 厂 房的 空间。 储 存量 大 ,可 以 利用 有限 的 空 间 资 源 储存 最 大量 的 钢带 。 结 构 紧凑 、 操作 简单、 灵 活, 维 修方 便 等。 随着 现 代 化 焊 管 机组 生 产速 度 和焊 管质 量 的不 断 提高 ,对活 套 板面 质 量和 钢 带的 储存 量 的 要 求 也 越来 越 高, 螺 旋活 套的 储 存量 大 、板 面损伤 小 、充 料 速度 快 。 虽 然费 用 比 较 [12] 高,但是 在近些年来,在国内的厂家得到了广泛的应用 。 螺旋活套 大致分为以下三类情况: 第一种为内进外出式螺旋活套。钢带由内笼进料,外笼出料。如 图 3.1 所 示:图 3.1 の形 连接第 二 种 为外 进 内出 式 螺旋 活 套。 钢 带从 外笼 进 入 螺旋 活 套 , 由 内笼 运