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1、高速线材吐丝机甩尾问题探究魏文华 陈莉摘要：在高速线材生产线上，无论国产吐丝机还是进口吐丝,都不同程度地存在甩尾问题，本文针对吐丝机甩尾的原因进行分析，尤其透析了吐丝机甩尾问题的症结吐丝管曲线。即优化吐丝管曲线，从而在根本上解决甩尾问题的发生。中文关键词：高速线材 吐丝机 甩尾 曲线Research on Back-end whip question of High-speed laying headWei Wenhua Chen Li(1:SMS Meer Engineering (China) Ltd. Shanghai of China 2011082:Austria Andritz M
2、etals Shanghai Representative OfficeShanghai of China 200021)Summary: For wire and rod high speed rolling mill, whatever on the imported or local supplied rolling mill line there is still back-end whip problem. This article analysis the reason of back-end whip problem and especially solves the real
3、question that is optimization laying pipe curve. Therefore it solves the back-end whip problem from the basis.Key words: High speed wire line；Laying head；Back-end whip；Curve正文国内各大钢厂自上世纪八十年代开始，陆续引进了很多条国外高速线材生产线。著名的有摩根公 司、西马克梅尔公司以及达涅利公司等等。伴随着国外先进线材生产技术的引进，国内也有一些 线材生产设备加工企业迅速崛起，如哈飞和西航。但是，对于技术含量高、制造难度大的
4、减定径 机组、吐丝机和打包机，则更多的采用引进，在实际生产过程中，吐丝机的甩尾问题也是困扰我 们的一个技术难题。从精轧机组出来的高速线材，经夹送辊喂送，在吐丝机上吐丝成圈落放到控冷辊道上并进一步运 往集卷站。这条工艺线上吐丝工序中问题较多，其表现形式为吐圈不圆、排列不均，还经常出现甩尾现象。 为此而不得不在吐丝机后专设剪尾岗位，由剪尾工将甩乱的一、二十米的尾段线材作为废料剪除。 甩尾严重时，甩断的钢头打得四处飞溅，严重地威胁着现场工人的生命安全。因此，吐丝状况必 须改善，甩尾问题必须得到解决。高速直线运动的线材从吐丝机轴线入口穿入吐丝机，经过高速旋转的吐丝机后变成圈状，缓缓落 放到控冷辊道上，
5、线材的这种运动形态的变化，是由二种运动合成而致的结果。要想得到理想的 合成运动，完美的吐丝状况，就得从运动合成的机理上进行研究。一、吐丝机理的研究和分析：线材的吐丝过程是由以下二种运动合成的。其中：“相对运动”即线材相对于吐丝管的运动，夹送辊以和终轧机出口相匹配的速度 V ，将线材喂 线入吐丝管的入口，则线材就以此速度在整个吐丝管内高速穿行。尽管线材的形态由直线状随吐丝 管变成圈状。但它相对于吐丝管的穿行速度不变，始终是 V 。线“牵连运动”弯曲的吐丝管杯固定在吐丝机的可旋转轴上，随吐丝机以3角速度（吐丝机的运转角速度）高速旋转，使穿行的线材也得到了这一旋转的“牵连运动”。这二种运动的叠加即合
6、称为 线材的“绝对运动” 吐圈运动。它既不是高速度穿行运动，也不是高速度旋转运动，而是以圈状的形态向吐丝机轴线前方的吐落运动。我们要追求的就是以正圆的圈状，稳定地缓缓地向前 方沿着与吐丝机轴线平行的方向的吐落运动，包括线材尾部也应该基本上呈圈状。下面将以线材上某任意质点作为研究对象，分析其运动合成的机理。1、质点在吐丝管内地相对应的状况：该质点必然随整条线材以 V 线速度在管内穿行，然而吐丝管是一条由轴线逐渐开始远离轴线 线作锥状螺旋弯曲的管子。因此该质点在穿行过程中，也作螺旋状的爬升穿行运动，最终到达 吐丝管出口 F处，已离轴线有R距离（如图1）.R 就是吐丝成圈的半径。因此若吐丝管是静止的
7、话，该质点所走的运动轨迹就是吐丝管的形 状。它在吐丝管中任一位置所处的轴平面必然和下一时刻它运动到吐丝机的另一位置时的轴 平面，是不相同的有一夹角的二个轴平面上。若把它定义为相位角的话，该质点在管内运动 到不同的r半径时，它的相位角a也是不相同的。这就是质点在吐丝管内的相对运动状况。2、吐丝管的旋转牵连运动和合成后的绝对运动当质点在爬升运动过程中（即r逐渐增大时）a同时也在顺时针（或逆时针）相应变化时。 若给吐丝管一个相应的反向旋转牵连运动，则使该质点仅仅沿轴线X方向向前，并沿r半径 方向爬升，而仍处在上一时刻的轴平面内。若吐丝管始终在做一个匹配的反向旋转运动的话， 则该质点就始终在某固定的平
8、面内，向吐丝管出口方向运动。这就是线材某质点的穿行运动 虽吐丝管附加上反向旋转的牵连运动后就合成为一个既沿X轴线前方又沿半径方向爬升，但 恒定在一个轴平面内的曲线运动。若每个质点都在各自的轴平面内运动的话，则旋转的吐丝管出口完全能得到我们所追求的理想吐丝状态，即质点在离开吐丝管时都以同样的 X 轴方向二、吐丝管曲线空间数学模型对建立：解决吐丝问题的关键是设计出现理想形状的吐丝管。为此要分三步一次解决三个问题或要满 足三个条件：1、 质点轴平面内理想运动的“轨迹条件” 该轨迹至少有三条线组成 入口处与轴线重合的直线段 出口处离轴线为 R 半径的与轴线平行的直线段 中间爬升到斜线段即如下图3,线材
9、以V舜的速度进入吐丝管，最后在半径R处和轴线平行的方向向前以较小线的速度 V 吐吐出。中间段是线材各质点倾斜爬升运动，速度逐渐减慢。但这样的平面曲线质 吐点在 B 和 C 二拐点处会发生冲击。因此应改用二条相互相切的弧线段作为过渡，则应设计成下图 4 所示。图 4 X 轴方向理想轨迹 AB段：r二0 （是一条与轴线中和的直线段，只需设计给出直线长度即可） BC段：=aix2 （一条与AB、CD前后均相切的抛物线，设计给出恰当的常数ai即 可） CD段：r = r + tgr -x （一条与前后弧线均相切的倾斜直线）2 c 2 DE段：r = R - a x2 （一条与前后均相切的反抛物线，给出
10、合适的常数a）3 3 3 3 EF段：:=R （一条与轴线距离为R的平行直线，R即是吐丝半径） 线材在吐丝管内高速穿行运动，吐丝管又反向匹配旋转，就是为了让线材上的各质点均在各 自相位角的轴平面内按照上述的轨迹曲线运动。即能得到出口处理想的吐丝运动。 若把这条曲线作为一个圆锥体的母线，让吐丝管从 A 点开始，沿这个锥体作旋转盘绕，一 直盘绕到 F 点，则线材质点必然离不开这个锥体的内表面，但要在某恒定的轴平面内，还 要吐丝机的匹配运动，以及吐丝管在锥体上的正确盘绕路径。这样才能使线材各质点真正在 某轴平面内沿上述轨迹曲线运动。2、 吐丝机反向旋转的“运动条件”吐丝机沿该圆锥体盘绕至EF段时，已
11、处于半径为R的圆柱表面。此时的螺旋角B （B为吐线材在吐丝管出口 F点以速度V线穿出，其方向和段平面的夹角为B。而吐丝机反向旋转F 点处的速度V=sR，方向与X轴线垂直。该二速度的合成速度，就是线材质点在该瞬间吐出 的绝对速度 V 。吐要使V 和X轴同向，则只需让V=V cosB即可。这就可以得到吐丝机反向旋转的运动条件: 吐线V线cos!R而电里=Rcos !R为理想吐丝半径，在设计中，先确定R值，并确定出口B角。只要知道夹送辊送出线 理理材的速度V舜，吐丝机则必须以 线 的角速度反向旋转，相应也可计算出线材吐出的 线R理速度。V吐=电sin0。这里B不可为0,必须有一定角度才能保证有一定的
12、线材吐出速3、吐丝管正确成形的“几何条件”： 最后要解决的关键问题也是本文的核心问题，就是吐丝管绕锥体盘绕的螺旋曲线的空间函数 式。这就是保证质点在某恒定轴平面内按照上述轨迹曲线运动，最终达到理想吐丝的“几何 条件”。该函数式可以用一组轴坐标函数式来定义，即：r = f (x)a = g (x)其中的r = f (x)已经确定。即前述的平面轨迹曲线，由5段组成。因此对应的a = g)函数，也应由对应的5段组成。r是质点沿X方向运动时的半径值函数，a是对应X的相位角函数。距离。假设吐丝管上某微分段dl，质点在dt时间内以V线速度在吐丝管该段穿越了 dldl=vdt 线。由于dl是倾斜的不在轴平面
13、内。因此，dt时间内质点运动产生了相位角增量da。由运动条件知道吐丝机必须反向旋转，让质点仍在轴平面内，则吐丝机旋转的速度必须是da =击。前述已知，应该=，即尺理。由此可作如下推导：气里=卜dadtdlda。列出 dl 的表达式，即可导这就导出了吐丝管绕圆锥体盘绕的“几何条件” r理=da出5段曲线的各微分方程。从而求出g (x)的函数。将它与f (x) 并列出。即得到如下5 组柱坐标函数式，它就是吐丝管曲线的数学模型。r = 0a 0=0=a x211BC段：1 + (2a x )2 =J-i -1R2 - a2Xidx1=K cx1门+(cx1/+ ln cx+ Jl + (cx 匕i丿
14、+ m Xn11CD 段：a 2=DE 段：JR + tg 申-xc2cos-1 Kr + tg申-x )/ R / sin pc21 +3=打R2a - x)2i 3) dxi + a x 23d 3 3广 Ke g - x1 gx)2 In33gx3丿 m x n333I Kd、；d + x2 + d ln3+ Mx x33 gQx31丿r 二 r4 ea = x4 R sin 04式中的R为理想半径，r、a、x为变量。0为吐丝管曲线出口处的螺旋角；炉为母线倾角； nnnR并具有以下关系式：R=e ；其余全部是不同值的常数量。cos 0按此函数式去制作吐丝管的煨管机，即可煨制出理想形状的吐
15、丝管。同样地，按此函数式去制作 吐丝头，确定好固定吐丝管的装卡点位置尺寸和角度方向，就能将吐丝管正确地按章在吐丝机上， 吐丝机运转吐丝时，只要按运动条件 = 反向旋转，则必然会得到理论上最理想的吐圈状态：即 吐圈呈正圆，排列均匀整齐。向吐丝及第正前方稳定地、缓缓地（以 V 速度）吐落在控冷辊道 吐上。而且其尾部也应该基本上呈圆形，在圆内的一条高速线材上的投用，已证实了上述的一切都 是正确的。三、实际效果和理论上的偏差，以及改进的方向按照上述研究设计的吐丝管，替代了原先吐丝管在现场运行时，头 20 几圈吐丝效果几乎接 近完美。不仅吐圈形状理想、排列均匀，而且连尾部都呈圆形。但是，在 20几圈之后，逐 渐出现尾部吐落迟缓，而偏离圆形的情况。这就使实际和理想状态的偏差。尽管如此，吐丝 管曲线方程的改进已从根本上解决了甩尾问题，对原有吐丝状况有明显的改善。现就实际情 况中的偏差进行分析如下： 20 几圈后，吐丝管发热膨胀变形，但
