徐　俊

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司， 江蘇 常州　213019)

引　言

卷取機(jī)作為冷態(tài)板帶成卷設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冷(熱)軋酸洗、軋機(jī)、連退、平整、精整等機(jī)組中。由于冷態(tài)板帶卷取具有張力大、速度高、卷取質(zhì)量好等工藝要求，冷態(tài)板帶生產(chǎn)過程中所使用的卷取機(jī)絕大多數(shù)采用卷筒式卷取機(jī)。卷筒作為卷取機(jī)的核心零部件，其產(chǎn)品質(zhì)量決定了卷取機(jī)的適用范圍、使用壽命、軋制工藝設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

冷帶鋼卷取過程中，卷取厚度小于3 mm的帶鋼時，廣泛采用助卷器等輔助設(shè)備進(jìn)行帶頭卷取，形成初始卷取張力；而卷取厚度3 mm以上的帶鋼，一般在卷筒上設(shè)置鉗口裝置進(jìn)行帶頭卷取，形成較大的張力。帶鉗口卷筒的卷取機(jī)一般應(yīng)用于酸洗、可逆軋機(jī)、平整機(jī)組、軋前準(zhǔn)備機(jī)組中。根據(jù)帶厚及生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，鉗口結(jié)構(gòu)也各不相同。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，一些新型材料、特殊厚度的冷態(tài)板帶材也得到廣泛應(yīng)用，如7～8 mm厚的高強(qiáng)鋼板帶，8～12 mm厚的不銹鋼帶等。對于這些厚板帶的卷取，需應(yīng)用適應(yīng)大張力、高速、高剛性的卷筒，而設(shè)計(jì)合理、使用方便可靠的鉗口裝置是此類卷筒設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

1　鉗口結(jié)構(gòu)分析

鉗口裝置結(jié)構(gòu)較多，一般分為固定鉗口和活動鉗口兩種類型，常用的多為活動鉗口。

1)厚板卷取時，要使板帶頭彎曲并緊貼在卷筒上，則鉗口需產(chǎn)生較大的夾緊力，夾緊帶頭；鉗口夾緊帶頭后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)出力，在扭矩的作用下產(chǎn)生較大的初始張力。而固定鉗口則無法提供夾緊力，也就不能形成初始張力。因此，固定鉗口較少使用，只在某些特定場合使用。固定鉗口裝置結(jié)構(gòu)簡單，只在扇形板上加工出鉗口槽即可，如圖1所示。工作時，厚帶頭插入鉗口槽中，電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動彎曲帶鋼貼合在卷筒上(有時需人工干預(yù))進(jìn)行卷取。生產(chǎn)不銹鋼機(jī)組中，也會用到一種帶鉗口槽的厚套筒卷取不銹鋼帶。鉗口槽設(shè)計(jì)時，需根據(jù)帶鋼厚度及帶鋼特性，選取合適的槽口深度和厚度。槽口一般較深，可達(dá)40 mm以上。

1.拉桿；2.芯軸；3.棱錐套；4.扇形板；5.閉合條；6.鉗口扇形板圖1　固定鉗口結(jié)構(gòu)圖

2)活動鉗口則使用較廣泛，結(jié)構(gòu)類型多。一般適用于厚板帶卷取的鉗口裝置可分為液壓式、機(jī)械式結(jié)構(gòu)，如圖2～8所示。

圖2為一種液壓擺式鉗口結(jié)構(gòu)。鉗口活塞推動擺動鉗口板壓著帶頭靠近固定鉗口板，在鉗口壓板和滾珠的作用下，擺動鉗口板擺動壓緊帶頭，形成初始張力；卸卷時，液壓鉗口回油，擺動鉗口板由鉗口壓板處的彈簧復(fù)位。由于是液壓活塞直接驅(qū)動，該鉗口能產(chǎn)生較大的張力，而且鉗口開度大，適合厚板帶的卷取機(jī)。該結(jié)構(gòu)卷筒常用于不銹鋼熱酸機(jī)組中，可卷取12mm厚的不銹鋼帶。但是，該卷筒為弓形塊擺動結(jié)構(gòu)，卷筒外圓不能整體脹縮，造成卷筒卸卷困難，卷筒固定表面磨損大。另外，液壓鉗口對制造精度要求高，使用過程中會產(chǎn)生漏油現(xiàn)象，需經(jīng)常更換密封。因此，新設(shè)計(jì)的卷筒不推薦采用此種結(jié)構(gòu)。

1.芯軸；2.弓形塊；3.閉合塊；4.弓形塊彈簧；5.固定鉗口板；6.鉗口活塞；7.擺動鉗口板；8.滾珠；9.鉗口壓板(彈簧)圖2　液壓擺式鉗口結(jié)構(gòu)圖

1.棱錐軸；2.扇形板；3.鉗口扇形板；4.鉗口壓板；5.鉗口板；6.固定鉗口板；7.鍵塊圖3　徑向液壓鉗口結(jié)構(gòu)圖

圖3為一種徑向液壓鉗口四棱錐類型卷筒，其強(qiáng)度、剛性好，能滿足可逆冷軋機(jī)組卷取機(jī)使用要求。徑向液壓鉗口能提供較大的夾緊力，較容易地夾緊帶頭，確保順利卷取，卷形好，特別適合不銹鋼、硅鋼等需大張力卷取的使用場合。工作時，液壓活塞推動鉗口板壓緊帶頭；卸卷時，液壓回油，彈簧復(fù)位鉗口板。卷取厚板帶時，由于張力大，磨損較嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時需考慮鉗口板、壓板及固定鉗口板的材料、結(jié)構(gòu)及表面硬度，提高其剛性及耐磨性。卷筒使用時，需注意鉗口液壓活塞漏油情況。

在不銹鋼、硅鋼生產(chǎn)機(jī)組中，還經(jīng)常用到一種徑向機(jī)械鉗口四棱錐卷筒，如圖4所示。鉗口液壓缸推動鉗口拉桿軸向移動，通過鉗口拉桿與鉗口斜楔、斜楔與鉗口板頂柱間的斜面運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)鉗口板的徑向運(yùn)動，從而將帶頭夾緊在固定鉗口板和鉗口壓板處。鉗口液壓缸回拉時，鉗口彈簧復(fù)位，鉗口松開。該卷筒鉗口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造裝配精度要求高，成本較高，但同時避免了上述液壓鉗口漏油的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時也應(yīng)考慮鉗口整體的剛性、強(qiáng)度及耐磨性。

圖3,4所示的鉗口可實(shí)現(xiàn)8～10 mm的厚帶卷取，而且卷筒能整體脹縮，利于卸卷。

1.棱錐軸；2.鉗口拉桿；3.鉗口斜楔；4.鉗口板頂柱；5.鉗口彈簧；6.外支撐頭；7.扇形板；8.鉗口扇形板；9.固定鉗口板；10.鉗口板；11.鉗口壓板；12.鍵塊圖4　徑向機(jī)械鉗口結(jié)構(gòu)圖

圖5所示為一種擺式機(jī)械鉗口結(jié)構(gòu)。在卷筒脹開的過程中，頂板推動擺動鉗口板和鉗口壓板繞鉗口轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)，壓緊帶頭。卷筒收縮時，擺動鉗口板和鉗口壓板在鉗口彈簧的作用下復(fù)位，松開帶頭。該鉗口可通過更換鉗口條的方式，實(shí)現(xiàn)較薄帶或厚帶的鉗口夾緊卷取。該鉗口可卷取12 mm及以上的厚帶。

1.芯軸；2.拉桿；3.扇形板彈簧；4.外支撐頭；5.扇形板；6.擺動鉗口板；7.鉗口彈簧；8.擺動鉗口壓板；9.鉗口轉(zhuǎn)軸；10.斜楔；11.頂板圖5　擺式機(jī)械鉗口四斜楔卷筒結(jié)構(gòu)圖

相對于擺式機(jī)械鉗口，圖6所示的斜楔閉合式鉗口結(jié)構(gòu)更為簡單，通過斜楔的移動和彈簧的拉壓，卷筒脹縮和鉗口松夾同時動作。該類型卷筒還可設(shè)計(jì)為對稱鉗口，實(shí)現(xiàn)上、下卷取的功能。該類型卷筒結(jié)構(gòu)簡單，制造成本相對較低。這種鉗口能產(chǎn)生較大的夾緊力，滿足6～8 mm厚帶的卷取，在酸洗機(jī)組中廣泛應(yīng)用。

圖7所示為一種斜楔式鉗口結(jié)構(gòu)。鉗口斜楔塊推動閉合斜楔將帶頭壓向鉗口條，并壓緊。卷筒扇形板的脹縮由旋轉(zhuǎn)油缸推動斜楔塊實(shí)現(xiàn)，鉗口的夾緊由鉗口液壓缸推動鉗口斜楔塊實(shí)現(xiàn)。這兩種動作分別獨(dú)立控制，可在卷筒脹開過程中夾緊帶頭。該鉗口結(jié)構(gòu)簡單，但鉗口整體剛性較差。為防止帶頭插入鉗口太深而無法卸卷，需在扇形板上設(shè)置擋帶頭裝置。這種鉗口能滿足12 mm厚帶的卷取，多應(yīng)用于酸洗機(jī)組中。

圖8所示為一種扭桿彈簧式鉗口結(jié)構(gòu)。卷筒脹縮過程中，鉗口在鉗口斜楔的移動下松、夾帶頭。鉗口夾住帶頭后，扭桿彈簧預(yù)緊力協(xié)助鉗口條反向擺動夾緊帶頭。卷筒收縮時，鉗口在彈簧的作用下復(fù)位。

1.芯軸；2.扇形板；3.導(dǎo)柱；4.閉合條；5.斜楔；6.彈簧；7.鉗口塊；8.鉗口彈簧；9.鉗口條；10.扭桿彈簧；11.鉗口斜楔圖8　扭桿彈簧式鉗口結(jié)構(gòu)圖

厚帶卷取時，由于卷筒鉗口結(jié)構(gòu)及帶鋼材料的影響，帶鋼在卷筒鉗口折彎處并不能貼合在卷筒上，而會形成一個凸包，隨著鋼卷的增大，凸包也會更明顯。這就造成了鋼卷的偏心，影響卷取質(zhì)量和卸卷。扭桿彈簧式鉗口通過扭桿的扭動和鉗口條的擺動，壓緊厚帶帶頭，使帶頭折彎處也能貼合在卷筒表面，避免凸包出現(xiàn)，減少鋼卷偏心影響。這對于厚帶卷取是非常有利的。

扭桿彈簧式鉗口卷取帶鋼厚帶范圍大，能滿足12 mm厚板帶的卷取。綜合考慮該鉗口的優(yōu)點(diǎn)、制造成本等，設(shè)計(jì)厚板卷取鉗口時可優(yōu)先考慮。

2　設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1　鉗口夾緊力

板帶卷取過程中，鉗口的夾緊力一般是根據(jù)板帶彎曲條件確定的。只有當(dāng)初始張力大于板帶彎曲張力，才能保證帶材貼合在卷筒上。在帶材彎曲塑性變形的假設(shè)條件下，板帶彎曲張力按下式計(jì)算

(1)

式中Tb為帶材彎曲張力(N)；b為板帶寬度(mm)；h為板帶厚度(mm)；D為卷筒直徑(mm)；σs為板帶屈服極限(MPa)。

卷取初始張力必須滿足

Ts≥Tb

(2)

式中Ts為卷取初始張力(N)。

卷取初始張力由鉗口摩擦力產(chǎn)生，由鉗口夾緊力和摩擦系數(shù)決定

Ts=fQ

(3)

根據(jù)式(1),(2)和(3)，可得鉗口夾緊力計(jì)算式

(4)

式中Q為鉗口夾緊力(N)；f為帶鋼與鉗口接觸摩擦系數(shù)，對于帶齒的鉗口，f一般取值0.5～0.8。

若以鉗口夾緊彎曲力矩為計(jì)算條件，則鉗口夾緊彎曲力矩必須大于帶頭折彎處斷面彎曲力矩，此時鉗口夾緊力為

(5)

式中L為鉗口夾緊力作用點(diǎn)到折彎點(diǎn)的距離(mm)，根據(jù)卷取時帶頭實(shí)際彎曲情況取值。

鉗口設(shè)計(jì)時，應(yīng)按式(4)計(jì)算，并按式(5)校核鉗口夾緊力。

2.2　鉗口運(yùn)動幾何位置

有些鉗口結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，與扇形板之間也有聯(lián)動關(guān)系，在設(shè)計(jì)時，需考慮兩者之間的運(yùn)動聯(lián)系，以優(yōu)化相關(guān)結(jié)構(gòu)。

以圖8所示扭桿彈簧式鉗口為例，簡要分析計(jì)算鉗口與扇形板之間的運(yùn)動關(guān)系。鉗口條在斜楔的推動下脹開扇形板，同時鉗口斜楔推動鉗口塊脹開扇形板并夾緊帶頭。斜楔和鉗口斜楔由旋轉(zhuǎn)油缸同時推動動作，因此這兩者之間的斜楔角度必須匹配。設(shè)計(jì)時，應(yīng)優(yōu)化兩斜楔角度，既能使鉗口產(chǎn)生較大夾緊力，也能保證扇形板運(yùn)行順暢，并保證真圓狀態(tài)工作。扭桿彈簧結(jié)構(gòu)鉗口運(yùn)動位置簡圖如圖9所示。

圖中，a，b，c為閉合條4、鉗口塊7、扇形板2的運(yùn)動位移。由此可得相互間的位置關(guān)系：

(6)

(7)

而a=s·tanφ1c=s·tanφ2

(8)

圖9　扭桿彈簧式鉗口運(yùn)動位置示意圖

式中s為旋轉(zhuǎn)油缸行程(mm)；φ1，φ2分別為斜楔和鉗口斜楔的斜角。

根據(jù)式(7)和式(8)即可得到兩斜角間的關(guān)系。設(shè)計(jì)時，可按此幾何關(guān)系選取合適的斜角和旋轉(zhuǎn)油缸行程。其它結(jié)構(gòu)的鉗口也可做類似分析。

3　結(jié)束語

卷取機(jī)卷筒鉗口裝置結(jié)構(gòu)類型較多，而適合冷態(tài)厚板帶卷取的鉗口結(jié)構(gòu)則相對較少。設(shè)計(jì)時，要結(jié)合鉗口結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及使用情況，進(jìn)行充分地計(jì)算、校核，選擇一種合適的鉗口結(jié)構(gòu)。從目前掌握的使用情況來看，圖8所示的扭桿彈簧式鉗口不失為一種較理想的冷態(tài)厚板帶卷取鉗口結(jié)構(gòu)。但是在設(shè)計(jì)選型時，還是需根據(jù)用戶的現(xiàn)場實(shí)際情況和加工制造、維護(hù)成本等多方面考慮。

參考文獻(xiàn)：

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