徐鈞 管春衛(wèi) 上海重型機(jī)器廠有限公司設(shè)計(jì)研究院 (200245）

徐鈞（1980年～)，男，工程碩士，工程師，長期從事冶金機(jī)械設(shè)計(jì)。

0 前 言

鍍鋅鋼板在建筑、家電和汽車等行業(yè)被廣泛使用。我國現(xiàn)已成為家電、汽車的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，對鍍鋅鋼板需求很大，新建鍍鋅機(jī)組很多，技術(shù)已經(jīng)日益成熟。隨著印度等國家對鍍鋅鋼板的需求增大，設(shè)備輸出已成為走出國門的主流。

鍍鋅機(jī)組主要由入口上卷段、清洗段、入口活套段、退火爐段、鍍鋅段、光整拉矯段、鈍化段、出口活套段和出口段組成，完成帶鋼的開卷、焊接、清洗、退火、鍍鋅、冷卻、光整、鈍化、涂油和卷取等工序。

帶鋼連續(xù)鍍鋅機(jī)組為保證工藝段的連續(xù)運(yùn)行，使用了活套來緩沖某些設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。參照鍍鋅爐的布置方式，活套主要分為塔式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩種。

根據(jù)鍍鋅機(jī)組的生產(chǎn)節(jié)奏，入口段需要將鋼卷焊接實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，每卷鋼卷都會經(jīng)歷停機(jī)、加速、恒速和減速的過程，為保證入口活套有儲存足夠帶鋼的能力，實(shí)現(xiàn)與工藝段之間速度的合理匹配，需要對入口活套的容量和長度進(jìn)行計(jì)算。正常操作下，入口活套處于滿套狀態(tài)，帶鋼速度與工藝段相同。根據(jù)鋼種規(guī)格選取合適張力，在入、出口糾偏裝置的輔助下，帶鋼對中運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔式活套結(jié)構(gòu)

這里以出口至印度的某連續(xù)鍍鋅機(jī)組活套為研究對象，根據(jù)機(jī)組參數(shù)對活套容量和長度進(jìn)行計(jì)算，對鋼絲繩參數(shù)和壽命進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對卷揚(yáng)電機(jī)的主參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選定，最后對其速度、張力控制進(jìn)行相應(yīng)的介紹。

1 活套容量和長度計(jì)算

1.1 工作周期的確定

前卷帶鋼甩尾時(shí)，先降至穿帶速度，在入口剪處停止切尾；然后加速運(yùn)行至焊機(jī)出口處停機(jī)，等待與下一卷帶鋼帶頭的焊接；焊接完成后依次停機(jī)完成焊縫檢測、挖邊等工序，然后加速運(yùn)行，以入口段的最大速度沖滿入口活套，保證在入口段下一次停機(jī)時(shí)間內(nèi)能按工藝段速度的要求提供帶鋼，其工作周期見圖2所示。

圖2 入口活套工作周期

1.2 活套容量計(jì)算

入口段停車期間，以穿帶速度進(jìn)入活套的帶鋼長度為：

L入=45.5m。

入口活套換卷所需的最小套量為：

L=(V工藝×t入口?L入)/0.85=482.8m。

選擇活套車輥?zhàn)訑?shù)量為12根，活套行程為20.9m，活套總有效存儲量為：

L總有效=501.6m>428.8m。活套采用雙活套串聯(lián)布置，單個(gè)活套車輥?zhàn)訑?shù)量為6根。頂部、底部分別預(yù)留1 700mm、2 700mm用于快停、急停及機(jī)械限位。

1.3 帶鋼最短長度

為保證工藝段連續(xù)運(yùn)行，每卷鋼卷最短運(yùn)行時(shí)間：tmin=357s，其對應(yīng)的帶鋼最短長度為：L鋼卷min=L入+L充套=863.6m。根據(jù)相應(yīng)鋼卷參數(shù)可計(jì)算出機(jī)組入口鋼卷的最小卷重，以保證機(jī)組的正常連續(xù)運(yùn)行。

2 鋼絲繩及卷揚(yáng)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

活套的機(jī)械部分主要由活套塔鋼結(jié)構(gòu)、地輥裝配、活套車裝配、繩輪裝配、卷揚(yáng)裝置等組成。鋼絲繩作為卷揚(yáng)筒和活套車的承載零件，其選擇及壽命直接影響著活套的性能及安全，活套傳動(dòng)見圖3所示。

圖3 入口活套傳動(dòng)示意

2.1 鋼絲繩的選型及壽命計(jì)算

帶鋼的最大張力T1=41kN，單股帶鋼的最大自重T2=9kN（帶鋼規(guī)格2.6mm×1 600mm,活套車輥和地輥的中心距為28m），活套車由卷揚(yáng)承載的重量（活套車自重的0.2倍）T3=30kN。單臺活套車由4根對稱的鋼絲繩承載，折算到卷揚(yáng)筒處單根鋼絲繩的拉力T總=78.8kN，計(jì)算時(shí)忽略帶鋼張力的彎曲損失。工作壽命內(nèi)平均單根鋼絲繩承受的拉力（帶鋼的平均規(guī)格為1mm×1 350mm）為38kN。

選擇鋼絲繩的型號為6×29 Fi+IWR GB8918-2006,其直徑d=32mm，公稱抗拉強(qiáng)度σ=1 870MPa，破斷力為682kN，最大安全系數(shù)Smax為682/78.8=8.6>7, 平均安全系數(shù)S平均為17.95，選擇繩輪直徑D為1 050mm（一般為鋼絲繩直徑的30倍）。

鋼絲繩的疲勞極限計(jì)算公式為：

其中a為繩輪溝槽系數(shù)，U型取1；b為標(biāo)準(zhǔn)型號鋼絲繩實(shí)驗(yàn)壽命系數(shù)，查得1.04，對比這次選型，疲勞極限需要乘以2，安全系數(shù)選擇0.7；σt=σ/S平均=10.4kg/mm2。

鋼絲繩的疲勞次數(shù)公式為：

按機(jī)組年產(chǎn)量40萬t，平均鋼卷25t計(jì)算，活套車需要?jiǎng)幼?6 000次，每次單根鋼絲繩通過繩輪需要彎折4次，鋼絲繩的平均壽命為

2.2 卷揚(yáng)電機(jī)選擇

選定卷揚(yáng)筒直徑D卷揚(yáng)=1 500mm，減速箱速比i=120，機(jī)械傳動(dòng)效率η=0.85。計(jì)算時(shí)應(yīng)分別按最大工藝速度（帶鋼規(guī)格0.78mm×1870mm）和最大帶鋼張力（帶鋼規(guī)格2.6mm×1600mm）計(jì)算電機(jī)所需的扭矩和轉(zhuǎn)速，綜合選擇電機(jī)。

2.2.1 對應(yīng)最大工藝速度V工藝=180m/min時(shí)：

入口活套帶鋼的最大放套速度為V小車=V工藝+V穿帶=230m/min，對應(yīng)著活套小車升降的最大速度為9.6m/min。

卷揚(yáng)筒的最大轉(zhuǎn)速為

電機(jī)所需要的扭矩

2.2.2 對應(yīng)鋼絲繩最大拉力，工藝速度V工藝=54m/min：

卷揚(yáng)筒的機(jī)械扭矩為：

入口活套帶鋼的最大放套速度為

V小車=V工藝+V穿帶=104m/min，對應(yīng)活套小車升降的最大速度為4.34m/min。

卷揚(yáng)筒最大轉(zhuǎn)速為

電機(jī)所需要的扭矩為

綜上，選擇電機(jī)的輸出扭矩為2 725 N·m，基速為500r/min，電機(jī)功率為140kW。

3 活套的控制方式

入口活套主要包含速度控制和張力控制。

3.1 速度控制

速度控制主要通過活套的設(shè)定儲量和活套車的實(shí)際位置來計(jì)算帶鋼的充套速度，沖套完成后保持入口段和工藝段帶鋼速度的同步，當(dāng)兩個(gè)小車有位置差異時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出附加速度控制卷揚(yáng)電機(jī)使其始終保持在同一標(biāo)高處。

活套車的位置是一個(gè)重要的檢測參數(shù)，其位置檢測、帶鋼長度計(jì)算和工藝段自動(dòng)停車功能均由安裝在卷揚(yáng)筒上的編碼器和PLC上的高速記數(shù)模塊共同完成。其計(jì)算公式為：h=π×D卷揚(yáng)×?P /（P0×i）。其中P0為編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，?P 為一定時(shí)間間隔內(nèi)脈沖數(shù)量，i為總的傳動(dòng)比，活套車各控制點(diǎn)的位置布置見圖4所示。

圖4 活套車位置控制示意

3.2 張力控制

帶鋼的自重與活套車的行程成正比，在充/放套過程中應(yīng)根據(jù)帶鋼實(shí)際行程通過卷揚(yáng)電機(jī)對帶鋼張力進(jìn)行補(bǔ)償修正，以保持活套內(nèi)帶剛張力的恒定。卷揚(yáng)直徑D 卷揚(yáng)和電機(jī)勵(lì)磁磁通Φ恒定，傳動(dòng)電機(jī)的電樞電流I與帶剛張力成正比，調(diào)節(jié)活套電機(jī)電樞電流，即可實(shí)現(xiàn)對帶鋼張力的控制。活套底輥裝有張力計(jì)用于檢測實(shí)際張力，與設(shè)定張力進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

在入口活套充套完成后，V入口=V工藝，此時(shí)活套電機(jī)處于恒定電流堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)在卷揚(yáng)電機(jī)上迭加一個(gè)正/反周期換向的方波，保證電機(jī)整流子不會因長時(shí)間停止在電樞的某一固定位置而燒壞電機(jī)。

4 小 結(jié)

本文介紹的立式活套設(shè)計(jì)方法已廣泛應(yīng)用于本鋼鍍鋅機(jī)組、中鋼連退機(jī)組和印度JSW鍍鋅、連退機(jī)組等項(xiàng)目中，設(shè)備運(yùn)行效果良好?；钐鬃鳛槔滠埡筇幚眍悪C(jī)組的一個(gè)重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和控制方式基本相同，本文亦具有較好的借鑒意義。

[1]. 金炫道，陳殿清. 鍍鋅生產(chǎn)線入口活套控制系統(tǒng)[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9 (2): 23-24.

[2]. 張嘉懿. 冷帶連續(xù)加工機(jī)組塔式活套的傳動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 冶金自動(dòng)化，2003增刊，163 - 167.