CN102357671A - 一种用于纵剪机组的真空张力控制辊系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能有效解决带材表面擦划伤并提供均匀卷取张力的用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，该系统包括真空发生器、真空管路、真空辊、真空辊驱动电机和真空辊宽度调节机构，通过真空张力控制辊内部产生的真空抽吸力将带材吸附在辊筒上产生张力，真空张力控制辊芯轴为空心轴，两端与真空管路相连，真空张力控制辊支撑在芯轴两端的轴承上，由电机驱动，从而产生张力，真空张力控制辊芯轴内部对称布置两个隔板，由减速电机驱动，可同时调整真空室宽度，从而调整真空辊吸附有效宽度。

Description

一种用于纵剪机组的真空张力控制辊系统

技术领域

本发明属于真空张力控制技术领域，特别涉及一种用于纵剪机组的真空张力控制辊系统。

背景技术

在有色加工行业纵剪机组中，张力设备是必不可少的部件，根据剪切带材材质、状态、厚度、带条数目的不同，配置不同的张力装置，其作用是为带材提供适当的卷取张力。当张力设备对带材提供适当的卷取张力时，才能保证卷取机卷取紧密的成品带卷。

现有的张力设备对带材提供张力时，会通过压下机构与带材接触产生接触压力，这样必然会对带材的表面产生损坏，这种损坏将直接影响成品带卷的质量，造成废品或降低带卷价值，给企业带来了很大的经济损失，降低了生产效率，并增加能耗。因此，解决张力设备对带材表面的损伤并在每条窄带上建立相同的单位张力是有色加工行业纵剪机组研究的关键技术，研制真空张力控辊设备也成为亟待解决的课题。

发明内容

针对现有张力设备的缺陷与不足，本发明提供一种能有效解决带材表面擦划伤并提供均匀卷取张力的用于纵剪机组的真空张力控制辊系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，包括真空发生器、真空管路、真空辊、真空辊驱动电机和真空辊宽度调节机构，真空发生器由大功率真空发生机组成，安装在隔音房内，真空发生器与真空张力控制辊芯轴之间通过真空管道连接，管道上设有可调隔板，通过调整隔板开度调节吸力大小；真空辊辊体材料选用不锈钢材质，辊体上钻孔成线形排列，表面轴向设有沟槽，辊体通过轴承支撑在芯轴的两侧，轴承两侧均设置有迷宫圈密封，辊体外侧安装有压辊，通过控制压辊与真空张力控制辊的相对位置，实现对带材包角的调整，真空辊由电机通过万向联轴器驱动；真空张力控制辊芯轴为空心轴，两端通过滑动轴承支撑在机架上，并在支撑的外侧与真空管路相连，芯轴内部设置有左滑套和右滑套，左滑套与右滑套分别通过支撑环与芯轴内壁相连，左滑套的右端和右滑套的左端分别连接一挡板，挡板上钉固定一扇形封板，左滑套的左端和右滑套的右端分别连接一压板，芯轴横封条和辊体对真空室进行轴向密封，扇形封板和压板对真空室进行径向密封，左滑套、右滑套分别通过压板与螺母相连，以实现与螺母的同步运动；真空辊宽度调节机构包括传动电机、皮带轮、配对带轮、丝杠、铜螺母和扇形封板，传动电机与皮带轮相连，皮带轮与配对带轮之间设有皮带，配对带轮与丝杠相连，丝杠上配装有螺母，传动电机通过逐级传动带动左滑套、右滑套沿芯轴同时向中心或两侧运动，根据带材宽度不同调整两扇形封板的相应位置来控制吸附宽度。

该真空张力控制辊系统的工作原理是：真空发生器运行使真空张力控制辊芯轴内的压力低于大气压力，带材在大气压力的作用下吸附于真空张力控制辊表面，带材运行过程中，由于压力的作用带材和真空张力控制辊表面的真空布产生滑动摩擦，真空张力控制辊芯轴为空心轴，两端与真空管路相连，真空张力控制辊支撑在芯轴两端的轴承上，由电机驱动，从而产生带材运行中的卷取段张力；真空张力控制辊芯轴内部对称布置两个隔板，由减速电机驱动，可同时调整真空室宽度，从而调整真空辊吸附的有效宽度；由于真空张力控制辊辊面与带材之间不存在打滑或只有轻微打滑，因此，能够同时保证带材上下表面不产生擦划伤，生产中通过调整合适的真空吸力实现卷取段张力的调整，保证成品带材卷紧、卷齐。

本发明的有益效果是：真空泵使辊体内产生真空将带材吸附在辊筒上形成张力，使带材上表面无接触压力，不会造成带材表面损伤；带材下表面吸附在真空辊辊筒上，无相对运动，带材下表面造成损伤的可能性极小；由于采用真空吸附的方式，所有的窄带均可获得同样的单位张力。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的真空张力控制辊结构示意图；

图3是带材受力分析图；

图4是带材单元张力分析图；

图5是由α和μ值求e^μα值的图表；

图6是带材弹塑性张力示意图；

图7是发电状态单辊张力分析图；

图8是电动状态单辊张力分析图；

图中：1.芯轴，2.风筒，3.真空辊，4.压辊，5.电机，6.手杆a，7.传动电机，8.手杆b，9.主传动电机，10.主电机座，11.机架，12.横拉杠，13.底座，14.左封头，15.压板，16.螺母，17.丝杠，18.左滑套，20.迷宫圈Ⅰ，21.迷宫圈Ⅱ，22.辊体，23.支承座，24.限位挡铁，25.右滑套，26.挡板，27.扇形封板，28.迷宫圈Ⅲ，29.传动带轮，30.迷宫圈Ⅳ，31.迷宫圈Ⅴ，32.左旋螺母，33.右封头，34.配对带轮，35支撑环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，由真空发生器、真空管路、真空辊3、真空辊驱动电机、真空辊宽度调节机构组成，真空发生器由大功率真空发生机组成，因其速度高、噪声大，安装在隔音房内，真空发生器与真空张力控制辊空心芯轴1之间通过大直径真空管道通过螺栓连接，管道上设有可调隔板，通过调整隔板开度调节吸力大小；为了保证有较高的硬度和耐磨性，真空辊3的辊体22材料选用不锈钢材质1Cr18Ni9Ti，辊体22上钻孔成线形排列，钻孔直径8mm，表面轴向设有一条沟槽，当辊面包裹无纺布后，将压条压入沟槽，实现对无纺布的固定，辊体22通过轴承支撑在芯轴1的两侧，为保证密封，轴承两侧均设置有迷宫圈密封，辊体22外侧安装有压辊4，通过控制压辊4与真空张力控制辊辊体22的相对位置，实现对带材包角的调整，真空张力控制辊由主传动电机9通过万向联轴器驱动，从而产生张力；真空张力控制辊芯轴1为空心轴，两端通过滑动轴承支撑在机架11上，并在支撑的外侧与真空管路相连，芯轴1内部设置有左滑套18、右滑套25，左滑套18与右滑套25分别通过4组支撑环35与芯轴1内壁相连，左滑套18的右端和右滑套25的左端分别采用螺钉连接一挡板26，挡板26上采用螺钉固定一扇形封板27，左滑套18的左端和右滑套25的右端分别采用螺钉连接一压板15，芯轴横封条和辊体22对真空室进行轴向密封，扇形封板27和压板15对真空室进行径向密封，扇形封板27的材料采用QT600，耐磨且密合性好，不会擦伤辊体22的内壁，左滑套18、右滑套25分别通过螺母16、左旋螺母32及螺钉与压板15相连，以实现与螺母的同步运动；真空辊宽度调节机构包括传动电机7、皮带轮、配对带轮34、丝杠17、铜螺母和扇形封板27，传动电机7通过键连接与皮带轮相连，皮带轮通过皮带传动到配对带轮34上，配对带轮34通过平键与丝杠17相连，丝杠17上配装有螺母16、左旋螺母32，传动电机7通过传动机构带动左滑套18、右滑套25沿芯轴1同时向中心或两侧运动，根据带材宽度不同调整两扇形封板27的相应位置来控制吸附宽度。

真空张力控制辊系统工作过程为：

电机5通过传动带轮29调整压辊4与真空辊3辊体22的位置，使带材形成合适的包角；调整手杆b8，使芯轴1与风筒2隔开，真空箱封闭；调整螺母16、左旋螺母32的相对位置，使吸附宽度与带材宽度一致；主传动电机9通过传动带轮29驱动真空辊3转动，启动真空发生器并确认处于工作状态，启动主传动电机9，带材穿过压辊4被吸附在真空张力控制辊辊体22上，真空张力控制辊通过真空吸附带材反向制动形成张力，并稳定剪切后的带材，防止带材在高速运行时跳动，提供平稳张力。

该控制辊系统参数选取原则为：

(1)辊体辊径计算

为防止带材产生永久变形，真空辊直径选择应以最外层表面达到屈服点为限。鼓辊径计算原则为：带材缠绕在辊体上不产生塑性弯曲变形，即按厚带材绕过辊体的弯矩小于或等于带材的弹性极限弯矩计算辊径。据此，真空辊辊径按下式计算选择：

式中：D-真空辊辊径(mm)；E-带材弹性模量(MPa)；s-带材最大厚度(mm)；σ_s-带材屈服极限(MPa)。

$D_{\min }=\frac{\mathrm{Es}}{{\mathrm{\δ}}_S}=\frac{80000\×1}{350}=230\mathrm{mm}$

本真空辊辊径可取480mm。

(2)张力放大系数推导与计算

如图3所示，当带材有打滑趋势时，摩擦力即达到极限值，这时传动带材的张力也就是最大值。

辊子给带材的摩擦力方向与T2方向一致，摩擦力达到最大值，如果略去沿圆弧运动时离心力的影响，截取微量长度的带钢为分离体如图4所示进行分析：

力的平衡方程为： $\mathrm{dN}=F\sin \frac{\mathrm{d\θ}}{2}+(F+\mathrm{dF})\sin \frac{\mathrm{d\θ}}{2}$

$\mathrm{\μdN}+F\cos \frac{\mathrm{d\θ}}{2}=(F+\mathrm{dF})\cos \frac{\mathrm{d\θ}}{2}$

由于dθ很小，取 $\sin \frac{\mathrm{d\θ}}{2}=\frac{\mathrm{d\θ}}{2};$ 并略去二次微分量： $\mathrm{dF}*\sin \frac{\mathrm{d\θ}}{2},\cos \frac{\mathrm{d\θ}}{2}=1$

平衡方程变为： $\left.\begin{array}{c}\mathrm{dN}=F*\mathrm{d\θ}\\ \mathrm{\μdN}=\mathrm{dF}\end{array}\right\}\⇒\frac{\mathrm{dF}}{F}=\mathrm{\μd\θ};$

两边积分

式中：α-带材包角(rad)；e-自然对数的底；μ-带材和辊子的摩擦系数；e^μα-张力放大系数；T₁-入口张力；T₂-出口张力。

上式是纯理论推导柔韧体的欧拉公式，带材在辊子上的张力只与辊子包角、表面状态及带材表面粗糙度等因素有关，为了简化计算，e^μα值可用图5所示图表求得。

放大系数的计算值为：

α₁＝170°＝2.97，α₂＝140°＝2.44，α₃＝120°＝2.09，μ＝0.3；

$e^{\mathrm{\μ}{\mathrm{\α}}_1}=2.44,$ $e^{\mathrm{\μ}{\mathrm{\α}}_2}=2.08,$ $e^{\mathrm{\μ}{\mathrm{\α}}_3}=1.87;$

μ-摩擦系数，取值0.3；α-包角，取值分别为170°，140°，120°。

(3)带材离心力计算

当带材绕着辊子作圆周运动时，带材本身的质量将引起离心力。由于离心力作用在圆周上，与圆周带材方向相垂直，影响辊子上两端带材的张力，离心力减少带材与辊子的接触压力，从而减少了摩擦力：T_L＝BSγV²，式中：V-带材运行速度(m/s)，取运行速度为360m/min；B-带材宽度(m)，取带材最大宽度600mm；γ-带材比重(kg/m³)，取铝的比重；s-带材最大厚度(mm)，取带材最大厚度0.1mm。

将参数带入公式得出T_L＝0.6×0.001×2700×6×6＝60N。

(4)带材弹塑性张力计算

如图6所示，以发电状态为例，T₁到T₃的力间，带材会产生弹塑性变形，产生弹塑性张力。即T₁+T_弹塑＝T₃。

弹塑性张力计算推导过程为：

带材弹塑性弯曲力矩M弹塑可按下式求得：

$h_1=\frac{2\mathrm{\ρ}{\mathrm{\σ}}_s}{E};$

式中：h₁-弹塑性分界区域的带材厚度(mm)；B-带材宽度；σ_s-为带材屈服极限(MPa)；D-辊径；s-带材最大厚度；E-带材弹性模量(MPa)；ρ-带材弯曲弧段的曲率半径，一般来说ρ＞D/2，可取ρ＝(1.1-1.2)D/2；其中h₁＝0.96。

将参数带入公式：T_弹塑＝600×350(3-0.96×0.96)÷6÷480＝455N。

(5)真空吸力计算

单辊张力的综合计算

如图7所示发电状态下，综合考虑各种因素后，张力的计算公式为：

T₂＝T₄+μP；T₄＝(T₃-T_L)e^μα；T₃＝T₁+T_弹塑；

T₂＝(T₁+T_弹塑-T_L)e^μα+μP

如图8所示电动状态下，

真空辊电动状态的真空吸力计算公式为：

T₃＝M_带材g＝0.6×0.001×3×2700×10＝50N；T₂＝455+50＝505；T₁取9000N，带入上述参数，μP＝9000-4770＝5230N。

得出P＝5200/0.3＝17330N。

(6)功率计算

辊子的转矩M＝(T₃-T₁)×D/2；电机功率

M-转矩(N*m)；n-转速(r/min)。

M＝μPD1/2＝5200×0.24＝1248N*M，n＝400/0.48×3.14＝265r/min；

N＝M×n÷9550＝34.5kw。

(7)真空度计算

真空度，即真空室内气压与标准大气压的比值；根据公式(ρ₀-ρ)S＝P，可推出 $\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0-\frac{P}{S};$

公式中：ρ₀-标准大气压(pa)，ρ-真空室内气压(pa)，S-带材包裹面积(m²)，P-真空辊吸力(N)。

S＝0.6×3.14×0.48×170÷360＝0.415m²；

根据公式：P＝101325-17330/0.415＝59600pa。

真空度为0.0596Mpa，即59.6％。

起始状态下真空辊参数计算：设真空辊入口张力为T₁′

式中：T₁′＝M_带材g＝3×0.6×0.001×2.7×1000×10＝50N

由弹塑性分界区域带材的厚度h₁＝0.96；真空辊辊径D₁＝480；弹塑性张力T_弹塑＝455N；入口张力T₁＝0N；离心力T_L＝60N；

求得真空辊吸力P＝130N。

转矩M＝μP×D/2＝130×0.24＝31.2N*M；n＝265r/min；

N＝31.2×265÷9550＝0.87KW。

真空度p＝p₀-P/S＝101325-130/0.415＝101000Pa，真空度为99％。

(8)真空泵的选型

已知参数：真空辊直径480mm；辊长900mm；壁厚50mm；真空度59.6％；

真空工作室体积 $V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D-2d)}^2\·l=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{(480-2\×50)}^2\×900=102.07L$

由公式真空度p＝(p_标-p_g)/p_标·100％

即 $59.6\%=\frac{1.01\×{10}^5-p_g}{1.01\×{10}^5}\×100\%$

得p_g＝0.40804×10⁵p_a

真空泵的工作压力应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。

即泵的真空度为：p_o＝4.0804×10³～2.0402×10⁴P_a

根据真空泵的使用范围，该系统属于低真空系统，可选用液环式真空泵。

系统所需气量的计算：

对于低真空和中真空的排气时间，当泄漏量较小时，真空设备从压强P₁降低到P₂所需的排气时间为：t＝2.303(V/s)lg(p₁/p₂)

则抽气速率为：s＝2.303(V/t)lg(p₁/p₂)

代入数据，得：s≈9.46L/s

根据抽气速率和真空度要求，可以选择真空泵型号，但上式只是理论计算结果，还有若干变量因素未考虑进去，如管道流阻、泄漏、过滤器的流阻、被抽气体温度等。实际上还应当将安全系数考虑在内。综合考虑，可初选真空泵抽气量Q＝45m³/h。

Claims (3)

1.一种用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，其特征在于：该系统包括真空发生器、真空管路、真空辊、真空辊驱动电机和真空辊宽度调节机构，真空发生器与真空辊芯轴之间通过真空管路连接，真空辊辊体上钻孔成线形排列，表面轴向设有沟槽，辊体通过轴承支撑在芯轴的两侧，辊体外侧安装有压辊，真空辊通过万向联轴器连接真空辊驱动电机；真空辊芯轴为空心轴，两端支撑在机架上，并在支撑的外侧与真空管路相连，芯轴内部设置有左滑套和右滑套，左滑套与右滑套分别通过支撑环与芯轴内壁相连，左滑套的右端和右滑套的左端分别连接一挡板，挡板上固定一扇形封板，左滑套的左端和右滑套的右端分别连接一压板，芯轴轴向设置横封条，真空室轴向通过横封条和辊体密封，径向通过扇形封板和压板密封，左滑套、右滑套分别通过压板与螺母相连；真空辊宽度调节机构由传动电机、皮带轮、配对带轮、丝杠、铜螺母和扇形封板组成，传动电机与皮带轮相连，皮带轮与配对带轮之间设有皮带，配对带轮与丝杠相连，丝杠上配装有螺母。

2.根据权利要求1所述的用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，其特征在于所述的真空发生器与真空辊芯轴之间的真空管路上设有可调隔板。

3.根据权利要求1所述的用于纵剪机组的真空张力控制辊系统，其特征在于所述的真空辊辊体材料采用不锈钢材质，辊体支承轴承两侧设置有迷宫圈密封。

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