楊豐產(chǎn)，彭鐵輝，羅志仁

(泰爾重工股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

熱軋平整機(jī)組主要應(yīng)用在熱軋帶鋼精整領(lǐng)域，對(duì)冷態(tài)帶鋼在張力及軋制力聯(lián)合作用下進(jìn)行輕壓下，可改善鋼板板形和消除局部厚度超差，使鋼板具有良好的板形和較好的表面質(zhì)量，對(duì)鋼板的機(jī)械性能也有一定的提高。隨著熱軋帶鋼強(qiáng)度的提高，特別是近年來高附加值鋼種，如薄帶鋼、多相鋼和超厚高強(qiáng)度鋼，包括抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 080 MPa的管線鋼的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)卷取機(jī)卷筒的性能提出了更高要求，通常對(duì)于高強(qiáng)鋼的卷取張力要求達(dá)到300 kN以上。本文所述的卷筒結(jié)構(gòu)是熱軋平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒一種常用的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)卷筒已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中不斷變化的新鋼種的卷取要求，而重新制造卷筒成本較高，因此對(duì)現(xiàn)有卷筒進(jìn)行改造設(shè)計(jì)很有必要。

1 現(xiàn)有卷筒結(jié)構(gòu)及問題分析

1.1 卷筒簡介

某2250熱軋平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒是帶機(jī)械鉗口的四斜楔式卷筒。如圖1所示，該卷筒的脹縮部分主要由主軸、軸向斜楔、徑向斜楔、拉桿、十字軸、扇形板、鉗口扇形板A、鉗口扇形板B和鉗口條組成。主軸的脹縮段有八個(gè)凹槽，其中四個(gè)凹槽安裝軸向斜楔和徑向斜楔，另四個(gè)凹槽安裝扇形板和鉗口扇形板。軸向斜楔在主軸的凹槽內(nèi)可作軸向移動(dòng)，徑向斜楔和扇形板(鉗口扇形板)兩端被擋住，只能作徑向移動(dòng)。主軸上用于安裝鉗口扇形板的凹槽設(shè)置成圓柱形，可繞圓柱形凹槽中心轉(zhuǎn)動(dòng)的鉗口扇形板A和鉗口扇形板B形成組成的鉗口，其中鉗口扇形板B上設(shè)置有鉗口條。

圖1 2250熱軋平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒

當(dāng)脹縮油缸通過拉桿和十字軸帶動(dòng)軸向斜楔在主軸的凹槽內(nèi)向右作軸向移動(dòng)時(shí)，軸向斜楔上斜面推動(dòng)徑向斜楔作徑向擴(kuò)脹，徑向斜楔兩側(cè)斜面同時(shí)頂起扇形板作徑向擴(kuò)脹(彈簧被壓縮)，兩塊鉗口扇形板在徑向斜楔作用下沿圓柱形凹槽中心轉(zhuǎn)動(dòng)，鉗口開口閉合，起到夾緊帶材作用。脹到最大時(shí)，徑向斜楔和扇形板的外圓面形成一個(gè)封閉的整圓。軸向斜楔向左移動(dòng)時(shí)，扇形板內(nèi)的壓縮彈簧使扇形板壓緊徑向斜楔向內(nèi)收縮，卷筒縮小。同時(shí)，鉗口扇形板內(nèi)的壓縮彈簧將鉗口扇形板A和鉗口扇形板B向兩側(cè)頂向壓塊，鉗口開啟，松開帶頭以便卸卷。

1.2 主要問題及分析

現(xiàn)有卷筒在使用中主要存在的問題主要有：卷取不同厚度規(guī)格帶鋼時(shí)需要經(jīng)常更換鉗口條，操作維護(hù)不方便，影響生產(chǎn)效率；帶鋼帶頭易被鉗口卡主，導(dǎo)致卸卷困難；卷取高強(qiáng)度鋼時(shí)出現(xiàn)鉗口扇形板邊緣折斷現(xiàn)象，如圖2所示。卷取薄規(guī)格帶鋼時(shí)，鋼卷內(nèi)圈1～2層有明顯壓痕，如圖3所示。

圖2 鉗口扇形板邊緣折斷

圖3 鋼卷內(nèi)圈壓痕

為適應(yīng)卷取不同厚度范圍的帶鋼，鉗口條設(shè)置為A、B、C三種不同規(guī)格。三種規(guī)格鉗口條分別適用卷取帶鋼的厚度范圍及鉗口處于閉合和開啟時(shí)的示意圖見表1。由表1可以看出，當(dāng)卷筒脹大至最大圓時(shí)，鉗口扇形板A與鉗口條形成的鉗口開口最小，鉗口的兩個(gè)面相互平行；當(dāng)卷筒縮小至最小圓時(shí)，鉗口扇形板A與鉗口條形成的鉗口開口最大，鉗口的兩個(gè)面形成一定角度(9.74°)。實(shí)際卷取的帶鋼厚度要比鉗口的最小開口大0.3～4.3 mm，對(duì)于一般厚度帶鋼，鉗口進(jìn)行帶鋼夾緊時(shí)不能達(dá)到最小開口尺寸，也即意味著卷筒鉗口夾緊帶鋼后，卷筒不能脹大至理論最大圓直徑。當(dāng)卷筒縮小至最小圓時(shí)，鉗口扇形板A翹起張開，最高點(diǎn)高出理論最小圓直徑較多。

表1 三種規(guī)格鉗口條適用卷取帶鋼的厚度范圍及鉗口閉合/開啟示意

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)卷筒的鉗口特點(diǎn)為

(1)卷取不同厚度范圍帶鋼時(shí)，需要更換不同規(guī)格的鉗口條，操作維護(hù)不方便。

(2)對(duì)于一般厚度帶鋼，鉗口夾緊帶鋼時(shí)，卷筒不能脹大至設(shè)計(jì)的理論最大圓尺寸，且?guī)ь^插入過深易使帶頭彎曲，導(dǎo)致卸卷困難。

(3)鉗口扇形板A高出理論最小圓直徑較多，且鉗口條與扇形板A形成的鉗口不平行，有一定的角度，夾緊帶鋼時(shí)，鉗口與帶鋼的接觸不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(4)兩鉗口扇形板之間跨距較大(101 mm)，鋼板之間沒有支撐，如圖4所示，且?guī)т撈鹗紡埩^大，在跨距兩端會(huì)產(chǎn)生明顯彎曲變形，導(dǎo)致鋼卷內(nèi)層有明顯壓痕。

2 卷筒改造設(shè)計(jì)

2.1 鉗口改造

針對(duì)卷筒使用中的主要問題及卷筒鉗口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)卷筒的鉗口部分進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，將原來的機(jī)械鉗口改造設(shè)計(jì)成液壓鉗口。改造設(shè)計(jì)的液壓鉗口如圖5所示，液壓鉗口主要由鉗口扇形板、固定板、固定鉗口板、活動(dòng)鉗口板、復(fù)位彈簧和鉗口油缸組成。其工作原理為：當(dāng)鉗口油缸進(jìn)油時(shí)，活動(dòng)鉗口板在鉗口油缸活塞桿帶動(dòng)下被頂出，鉗口閉合，當(dāng)鉗口油缸回油時(shí)，活動(dòng)鉗口板在復(fù)位彈簧作用下被拉回，鉗口開啟。

圖4 卷取帶鋼時(shí)鉗口處鋼板狀態(tài)示意圖

圖5 液壓鉗口

2.2 主軸改造

為利用原卷筒主軸，使其適應(yīng)改造后液壓鉗口結(jié)構(gòu)，對(duì)卷筒主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，將主軸中原來安裝鉗口扇形板A和鉗口扇形板B的圓柱形槽改成矩形槽(圖5中A-A或B-B視圖)，用于安裝新設(shè)計(jì)的鉗口扇形板。改造后主軸如圖6所示，從主軸尾部加工油孔，封堵主軸尾部油孔口，從兩端分別引出進(jìn)油口和出油口，分別連接旋轉(zhuǎn)液壓缸和鉗口扇形板，用于給鉗口油缸供油。

圖6 改造后主軸

2.3 鉗口油路設(shè)計(jì)

液壓鉗口可采用非獨(dú)立控制和獨(dú)立控制兩種方式。非獨(dú)立控制方式是將液壓鉗口的開合動(dòng)作與卷筒的脹縮動(dòng)作關(guān)聯(lián)起來，即卷筒脹大時(shí)，鉗口同步閉合，卷筒縮小時(shí)，鉗口同步開啟。為實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，只需將旋轉(zhuǎn)接頭接入脹縮缸有桿腔(進(jìn)油時(shí)卷筒脹大)的油路同時(shí),接入主軸尾端控制鉗口油缸的進(jìn)油口，如圖7所示，脹縮缸有桿腔與鉗口油缸同時(shí)進(jìn)油，即可實(shí)現(xiàn)卷筒脹大時(shí)，鉗口同步閉合。相反，脹縮缸有桿腔與鉗口油缸回油時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)卷筒縮小和鉗口開啟。這種方式在技術(shù)改造時(shí)方便實(shí)現(xiàn)，只需對(duì)脹縮油缸油管接頭稍作改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是鉗口動(dòng)作不能獨(dú)立控制。獨(dú)立控制方式則需要更換旋轉(zhuǎn)接頭以及增加控制鉗口油缸工作的閥臺(tái)，其實(shí)現(xiàn)方式是在現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)接頭基礎(chǔ)上增加一路單獨(dú)控制鉗口油缸的油路，從旋轉(zhuǎn)接頭的出油口直接接入卷筒主軸控制鉗口油缸的進(jìn)油口。這種方式一般需要更換新的旋轉(zhuǎn)接頭，并且在接入旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)油口的前端設(shè)置相應(yīng)的液壓控制閥臺(tái)，閥臺(tái)原理如圖8所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓鉗口進(jìn)行獨(dú)立控制，不受卷筒脹縮的影響。

圖7 改造后鉗口油路

圖8 閥臺(tái)示意圖

3 鉗口夾緊力計(jì)算

3.1 帶鋼塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力

鉗口的作用是在卷取帶鋼時(shí)夾緊帶頭，在卷取張力作用下使帶鋼緊緊卷繞到卷筒上。一般可認(rèn)為，帶鋼在鉗口處產(chǎn)生塑性彎曲時(shí)所需的張力應(yīng)小于鉗口的摩擦力。帶鋼產(chǎn)生塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力按公式(1)計(jì)算[2]

(1)

式中，Q1為帶鋼塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力，N；σ為帶材屈服極限，MPa；b為帶材寬度，mm；h為帶材厚度，mm；f為鉗口板與帶鋼的摩擦系數(shù)，鉗口板上設(shè)置成鋸齒形，此時(shí)取f=0.5～0.8；D為卷筒直徑， mm。

將帶鋼屈服強(qiáng)度σ=1 080 MPa，最大帶材寬度b=2 130 mm，摩擦系數(shù)f=0.6，卷筒直徑D=762 mm帶入式(1)，求得幾種不同典型厚度帶鋼塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力Q1見表2。

表2 典型厚度帶鋼塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力

3.2 復(fù)位彈簧力計(jì)算

復(fù)位彈簧的作用是在鉗口油缸回油時(shí)將鉗口板拉回使鉗口開啟。設(shè)計(jì)時(shí)要求初始彈簧力要大于備壓狀態(tài)下鉗口缸的回油力，另外，壓縮范圍必須滿足鉗口油缸的最大行程。根據(jù)改造設(shè)計(jì)的液壓鉗口結(jié)構(gòu)，鉗口最大開口為19 mm. 鉗口油缸數(shù)量n1=10，復(fù)位彈簧數(shù)量n2=7，鉗口油缸工作壓力p=14 MPa，系統(tǒng)備壓p0=0.4 MPa，鉗口油缸直徑d=43 mm，鉗口油缸效率η=0.9，鉗口夾緊面與水平面的夾角β=40°。復(fù)位彈簧及其壓力-變形示意如圖9所示。計(jì)算每一個(gè)復(fù)位彈簧的壓縮量、彈簧壓縮力與鉗口開口大小的關(guān)系見表3。

圖9 復(fù)位彈簧及其壓力與變形的關(guān)系

表3 復(fù)位彈簧的壓縮量、彈簧壓縮力與鉗口開口大小的關(guān)系

3.2 鉗口夾緊力

鉗口夾緊力由鉗口油缸及復(fù)位彈簧共同作用，其大小按公式(2)計(jì)算[2]

(2)

式中，Q為鉗口夾緊力，N；n1為鉗口油缸數(shù)量；n2為復(fù)位彈簧數(shù)量；p為鉗口油缸工作壓力，MPa；d為鉗口油缸直徑，mm；η為鉗口油缸效率；A為復(fù)位彈簧壓縮力，N；β為鉗口夾緊面與水平面的夾角。

將鉗口的相關(guān)參數(shù)及表2中的彈簧壓縮力代入公式(2)，計(jì)算鉗口在不同開口量時(shí)的夾緊力見表4。

表4 鉗口不同開口量時(shí)的夾緊力

對(duì)比表2和表4的結(jié)果可知，在卷取幾種不同典型厚度帶鋼時(shí)，鉗口夾緊力均大于帶鋼塑性彎曲所需最小鉗口夾緊力，鉗口摩擦系數(shù)按0.6計(jì)算，可滿足最大卷取張力達(dá)324 kN以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過分析原卷筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用中存在的問題，對(duì)卷筒進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。改造后的卷筒利用原卷筒的主體結(jié)構(gòu)，將原來的機(jī)械鉗口改造設(shè)計(jì)成液壓鉗口，液壓鉗口的夾緊力可以滿足厚規(guī)格高強(qiáng)鋼的大張力卷取。在卷取不同厚度規(guī)格的帶鋼時(shí)，無需更換鉗口，大大提高工作效率，鉗口的受力不均、應(yīng)力集中、薄帶鋼卷內(nèi)層壓痕以及卸卷困難等問題也得到解決，卷筒的工作可靠性方面得到了明顯改善。