摘要：为解决目前单侧上卷冷轧开卷机工作效率低等问题， 设计了一种新型的双头开卷机， 由引导机构、支撑机构、胀紧固定机 构、开卷机主体等构成。为代替人工手动引卷， 在开卷机一侧安装了引导机构， 通过调整引导直板可以自动完成引卷; 针对主轴 长期承受压应力易发生应力疲劳， 在主轴下侧安装了支撑机构， 可以转移部分钢卷的压应力从而提高主轴工作稳定性; 针对现有 开卷机效率低， 在支撑主轴两侧分别安装了固定机构， 两侧固定机构通过联动控制可以实现开卷与上卷同步进行。利用 CATIA 建 立了开卷机各机构模型， 并完成了整机装配， 对开卷机进行了运动干涉检查， 结果表明开卷机运动无干涉。对开卷过程进行了静 力学分析， 应力云图显示固定机构的最大应力为 830.837 kPa， 未超过材料许用应力。

　　关键词：双头开卷机;胀紧固定机构; 运动干涉检查;静力学仿真

　　Design and Analysis of Double-head Uncoiling Machine for Cold Rolling

　　Liu Wencai1 ，Chen Qingbo2 ，Ye Xin1 ，Xu Zhiyuan1 ，Wang Shuangxi1 ( 1. College of Engineering, Shantou University, Shantou, Guangdong 515063. China; 2. Guangdong Baoshengxing Industrial Co., Ltd., Jieyang, Guangdong 522000. China)

　　Abstract: In order to solve the problems of operational safety and low work efficiency of manual coiling in cold rolling , a new type of uncoiling machine with double heads is designed, which is composed of guidance mechanism, support mechanism, expansion and tightening fixing mechanism, and uncoiling machine body. In order to replace manual reeling, a guiding mechanism is installed on the side of the uncoiler, and the reeling can be automatically completed by adjusting the guide straight plate. In view of the metal fatigue of the spindle caused by long-term compressive stress, a support mechanism is installed on the lower side of the spindle, which can transfer some compressive stress of the steel coil to improve the working stability of the spindle. To improve the efficiency, the fixed mechanisms are installed on both sides of the support spindle, and synchronization of loading and uncoiling could be realized through linkage control. The model of each mechanism of the uncoiler is established by using CATIA. The motion interference checking upon the virtual uncoiler is carried out. The simulation results show that the uncoiler movement is interference-free. The static analysis of the uncoiling process is carried out, and the stress cloud diagram shows that the maximum stress of the fixed mechanism is 830.837 kPa, which did not exceed the allowable stress of the material.

　　Key words: double-head uncoiler; expansion and tightening fixing mechanism; motion interference checking; static simulation

　　引言

　　冷轧带钢已经成为我国重要的基础工业原料， 广泛应用于家电、汽车、建筑、航空航天等领域的零部件制 造。随着中国制造规模的不断扩大， 我国冷轧带钢产量 在世界上的占比越来越高，但是由于冷轧装备起步较晚， 我国在冷轧带钢领域的生产效率和质量方面与发达国家 仍有一定距离[1]。冷轧开卷机作为用于冷轧钢带生产过 程中的重要设备， 其功能包括对卷材进行平整， 将卷曲 的带钢直接展开为平直的钢带， 以便于后续加工和生 产[2]。常见的开卷机为单侧上卷， 存在上卷速度慢的缺 点， 不能满足冷轧线提速增效的要求。因此， 提高开卷 机效率、减少人力操作一直是冷轧带钢领域的研究热点。 Tarnopolskay 等[3]研究了冷轧机、开卷机与第一机架之间金属带材横向运动不稳定的原因， 建立了包括轧机 模型和带钢横向动力学的数学模型，分析了开卷机影响带 钢成品质量的因素。黄志锋等[4]开发了可逆冷轧机组的高 度对中控制系统，分别对连轧机组和开卷机设置自动对中 程序， 令钢卷中心线与开卷机卷筒垂直中心线一致， 使 得钢卷与开卷机卷筒紧密贴合，从而大大加快上卷速度。

　　然而普通的开卷机当提高开卷速度时， 其扇形板等 关键部件容易发生应力疲劳[5]。开卷机的支撑主轴在高 载荷作用下连续作业时， 受长期循环的交变载荷影响， 也容易产生疲劳损坏[6]。因此， 在冷轧线提速增效的过 程中，为了确保冷轧开卷机工作稳定性，常常辅以人工手 动引卷。钢卷质量通常在 10 t 以上，钢卷本身也具有一定 的弹性，人工引卷对操作人员造成了极大的安全风险。本文基于高效率开卷和安全运行的需求，利用CATIA 设计了 一种双头开卷机，然后利用 DMU 运动机构模块和 Simula ‐ tion 模块分别对开卷机模型开卷过程进行了仿真。

　　1 双头开卷机的设计准则

　　双头开卷机设计的核心是通过在 1 根主轴上安装 2 个 胀紧固定机构， 实现双侧对带钢进行开卷。主轴可以相 对开卷机主体做平移运动和旋转运动[7]。当带钢经过轧 制工序后，需要由开卷机将钢带收纳成卷。

　　基于钢带双头开卷机需具备高效的生产能力、低维 护成本等要求， 制定了双头开卷机的总体设计原则。新 型冷轧双头开卷机由开卷机主体、胀紧固定机构、引导 机构、支撑机构等组成。根据一般碳钢加工企业的生产 制造工艺和车间布局，制定的设计准则如下。

　　( 1)经开卷后的钢带必须能够保证钢卷表面质量。

　　(2) 钢卷的质量和尺寸可能存在一定差异， 双头开 卷机需要具备自适应能力， 能够根据钢卷的实际情况进 行调整和适配。

　　(3) 考虑到钢卷的质量和硬度， 双头开卷机必须具 备足够的强度和耐用性， 以确保设备的长期稳定运行。

　　(4)开卷机操作简易， 能够简化操作人员的工作量， 提高生产效率。

　　2 开卷机工作原理

　　开卷机通常位于机组头部，能够胀缩的卷筒接收小车 运送来的钢卷， 钢卷被胀紧后随卷筒旋转， 即可进行开 卷[8]。市场上的普通双头开卷机虽然实现了双侧上卷，但是开卷机两侧固定机构仍 需分别单独操作，不但增 加了机构的复杂性，而且 换卷效率低。基于以上情 形，结合制定的开卷机设 计准则，新型双头开卷机 整体结构设计如图1所示。

　　新型双头开卷机的工作原理： 在主轴上设置 2 个胀 紧固定机构， 2 个固定机构之间是联动控制的， 当一侧 的固定机构收缩， 另一侧的固定机构为胀紧。该联动控 制原理如图 2 所示。

　　联动控制方式仅通过对主轴进行一次操作即可同时 完成对两侧固定机构的收缩和胀紧控制。当一侧的钢卷 消耗完， 可推动开卷机主体相对滑轨移动， 使得转轴两 侧的胀紧固定机构以交替式完成卷材的安装和上卷。待 钢卷位置调整完成， 此时支撑机构 2 对小轮正好运动至 与主轴完成相切， 即可启动开卷机进行开卷。开卷过程 中可通过调整引导机构的引导直板从而控制钢带的运动 方向， 以配合矫直机等设备完成钢带矫平。事实上， 开 卷机主体控制台可内置伺服驱动电机， 通过输出转矩控 制主轴做平移运动实现联动控制固定机构， 再通过控制主轴旋转以完成开卷。该新型双头开卷机的两侧固定机 构能够实现联动控制， 引导机构可以自动引导卷材， 支 撑机构可以提高主轴的工作稳定性， 相比于市场上已经 存在的双头开卷机更具有生产效率上的优势。

　　3 主要机构设计及运动分析

　　3.1 引导机构设计

　　开卷机作为各类板材校平过程中的专用机床,可组成 开卷、校平生产线[9]。而引导机构的功能是将钢带头部 自动送入矫直机进行矫直。新型双头开卷机的引导机构 由立板、出料口、引导直板、引导弧形板、压料部组成。 引导机构结构如图 3 所示。

　　立板固定连接在开卷机底座， 底座不可移动。引导 弧板和引导直板均可在驱动电机控制下相对立板做定轴 转动， 引导弧板需再安装液压机来提供压力稳定卷材， 压料部的小轮可相对钢卷旋转， 既能防止钢卷出现散卷 现象， 又避免了划伤钢带表面。当开卷机工作时， 可将 完成上卷的固定机构沿滑轨移动至引导机构处， 待调整 各机构至合适位置后， 即可使得金属卷材顺着引导弧板 的弧面方向运动至出料口， 而引导直板可以根据实际工 况， 调整出卷方向。该方式无需人工引出钢卷， 可以减 少操作人员的工作量， 提高生产效率。

　　3.2 支撑机构设计

　　开卷机主轴受力较大， 容易断裂失效， 由于缺乏先 进的设计手段， 致使主轴结构尺寸笨重， 成本较高[10]。 并且开卷卷取类设备作为整条机组的重要部分， 通常要 求放卷收卷精度高、效率高[11]。而传统开卷机大多忽视 了主轴的抗弯曲能力， 没有为开卷机设计支撑主轴的机 构。考虑以上因素， 设计了一种能够转移部分主轴载荷 的支撑机构， 如图 4 所示。

　　立柱固定于底座上， 支撑臂和连杆均可相对立柱做 定轴转动。支撑机构工作原理是当胀紧固定机构完成固 定钢卷后， 支撑臂和连杆分别旋转， 以保证支撑臂、连 杆以及立柱三者形成直角三角形， 此时滑轮恰好和主轴 完成相切接触。当主轴旋转开卷， 支撑臂上 2 对滑轮可 相对主轴旋转， 从而既避免了主轴旋转对支撑机构造成 损伤， 又提高了主轴工作稳定性。

　　3.3 胀紧固定机构设计

　　新型双头开卷机的核心是要实现双头交替式开卷。即开卷与上卷同步运行。基于以上分析， 设计的固定机 构主要由扇形板、内外固定盘、连接小杆、转轴固定长 条组成， 如图 5 所示。为加快工作效率， 两侧固定机构 采用的是联动方式。该方式是将两侧固定机构的内固定 盘与开卷机主体固定连接， 内固定盘设置有 4 个内滑轨 道， 卷筒的 4 个扇形板可以相对内固定盘内滑轨道实现 上下运动， 再将两侧固定机构的外固定盘与支撑主轴固 定。当主轴相对开卷机做往复运动时， 一边的固定机构 将处于收缩状态， 另一边的固定机构必然处于胀紧状态。 因此，上卷和开卷可分别同时进行。

　　3.4 DMU 运动干涉检查

　　为确保开卷机的正常运作， 需要对开卷过程中各部 件进行运动干涉分析。目前通用的运动干涉软件包括 ADAMS 、UG 、Creo 和 CATIA 等， 由于 CATIA 软件具有 良好的运动仿真分析功能， 被广泛应用于机器人、汽车 模具、矿山机械等工业领域的复杂运动结构分析[12-14]。 本文利用 CATIA 的 DMU 运动机构工作台来检查构件间的 干涉情形， 开卷机的总装配模型如图 6 所示。

　　新型开卷机的运动主要包含开卷机主体相对滑轨做往 复运动，胀紧机构的胀紧和收缩，主轴相对开卷机主体做 往复直线运动和定轴转动。由于整体运动较为复杂，本文 以胀紧固定机构固定钢卷并随钢卷旋转为仿真目标。为表 示出左右胀紧固定机构为联动，将开卷机主体中间部分设 置为透明，仿真界面如图7所示。仿真结果表明，开卷机开 卷正常，各机构装置之间没有运动干涉现象，如图8 所示。

　　4 开卷过程静力学分析

　　扇形板是开卷机的核心零件， 属于薄板型结构， 相对变形量较大[15] 。4 块扇形板组成了固定机构的卷筒，胀 紧固定机构需要在实现固定钢卷之后随主轴一起旋转，进 行开卷[16]。为确保固定机构工作的稳定性，本文对该机构 进行有限元仿真。由于开卷机工作时较平稳，动载荷波动趋于稳定，仿真时以分析静载荷为主。固定机构运作时，4 块扇形板主要承载由钢卷产生的压应力。扇形板和固定机构内环之间通过若干个连接小杆相连， 从而将压应力传递至整个固定装置 ，其受力状态如图 9 所示。

　　CATIA 内置 Simulation 模块，计算快、网格划分算法 稳定， 因此本文采用 CATIA 来完成静力学仿真。前处理操作流程：(1)固定机构 装配体转换成 CATPart 形 式;( 2)利用布尔运算将 所有几何体装配于主几 何体上;( 3) 自动进行网 格划分， 如图 10 所示。

　　根据冷轧带钢实际生产情况， 设定本次的钢卷参数 如表 1 所示。由于固定机构实际尺寸庞大， 需要对固定 机构模型进行适当缩放处理。经测量得固定机构模型的 单个扇形板半径为 300 mm， 因此再利用 CATIA 内置仿 射功能将该装置尺寸同等变换， 得到令扇形板半径为 600 mm 的新模型， 并且测定扇形板长度为 2.07 m。参考 表 1 所示的常见的钢卷参数， 可知该固定机构模型尺寸 符合实际工况。

　　综合以上分析， 设定本次仿真的钢卷质量为 10 t， 钢卷宽度为 1 250 mm， 钢卷内径为 600 mm。为简化静力 学仿真模型， 假定钢卷作用于固定机构， 主要以径向正 应力为主， 故仿真时只考虑正应力作用。在进行固定机 构的有限元分析之前，需要计算对固定机构施加的载荷。 可以通过形状改变比能理论推导施加给固定机构的边界 载荷。形状改变比能理论是一个重要的强度理论， 被广 泛应用于工程实践中[17]。该准则可表述为：

　　式中：m 为钢卷质量;g 为重力加速度;r 为扇形板外径; h 为钢卷宽度。

　　计算得出施加给固定机构的正应力应为 5 307.86 Pa。 固定机构自身材料选取为 Cr12MoV， 再将该材料参数导 入 CATIA。有限元仿真分析结果显示， 固定机构最大压 应力为 830.837 kPa， 最小压应力为 0.167 019 kPa。胀紧 固定机构静力学仿真结果如图 11 所示。由图可知，4 块扇 形板的中间部分应力较为集中，在连接小杆外表面产生了 最大压应力。根据裂纹扩展理论，在疲劳加载条件下，含 缺陷构件会形成裂纹，整个过程可分为裂纹孕育、萌生、 扩展及瞬断等阶段，而前 3 个阶段构成了金属材料的寿命 区间[18]。因此，连杆极有可能在外表面产生破坏。可对连 接小杆表面做喷丸处理，以提高固定机构的稳定性，进而 达到提高经济性的目的[19-21]。查询材料 Cr12MoV 的许用压 应力[ σ C ]=1.0～1.6×103 MPa[22] ，而固定机构产生的最大压应 力仅有 830.837 kPa，远小于其许用应力，符合强度要求。

　　5 结束语

　　现阶段的冷轧开卷机操作复杂、效率低，难以满足带钢高效生产的需求。本文设计的新型冷轧双头开卷机既能提 高开卷效率，又可以保障钢带的表面质量。冷轧开卷机的引 导机构避免了人工引卷存在的操作危险，设计的支撑机构提 高了主轴工作稳定性，并且主轴双侧的固定机构能够实现 联动控制，更显著提高了上卷速度。对开卷机开卷过程进行 了模拟，结果表明：各机构之间无运动干涉，静力学仿真显 示固定机构的最大应力为830.837 kPa，远小于材料许用应 力。相对于市场已有的开卷机，该冷轧开卷机利用双头结 构，能够显著提高钢带的生产效率，具有良好的应用前景。

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