張振營(yíng)，郭利華，嚴(yán)裕寧

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

0 前言

冷軋平整生產(chǎn)線作為將冷軋帶鋼處理成接近交貨產(chǎn)品的重要機(jī)組，其卷取質(zhì)量好壞直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量。卷取機(jī)是冷軋薄板平整線的重要設(shè)備，在軋制過(guò)程中提供合適的卷取張力，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定軋制;同時(shí)將帶鋼卷取成卷，以便生產(chǎn)、運(yùn)輸和貯存［1］。因此，卷取機(jī)的設(shè)計(jì)和研究一直受到重視。本文對(duì)國(guó)內(nèi)某冷軋薄板平整線卷取機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，探討。

1 卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)

冷軋薄板平整生產(chǎn)線卷取機(jī)主要由卷筒、傳動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸和減速箱等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卷取機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the tension reel

卷筒是卷取機(jī)的核心部分，需承受卷取張力和鋼卷自重。卷筒的結(jié)構(gòu)型式較多，其中封閉楔式卷筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀對(duì)稱(chēng)，動(dòng)平衡性能好，斜楔頂面和扇形塊表面構(gòu)成一整圓，卷取薄帶不易產(chǎn)生壓痕，適用于高速卷取的薄板平整機(jī)組。卷筒主要由卷筒軸、拉桿、脹縮滑塊、脹縮楔塊、扇形塊和脹縮液壓缸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卷筒結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the mandrel

1.2 卷取機(jī)的工作原理

卷取機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)減速箱高速齒輪軸運(yùn)動(dòng)，卷筒軸是減速箱的低速輸出軸。電機(jī)的動(dòng)力傳遞給卷筒，從而輸出合適的卷取速度和動(dòng)力。傳動(dòng)電機(jī)作為卷取機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，必須滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行的張力和速度等工藝要求，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

卷取機(jī)卷筒的脹縮是通過(guò)卷筒端部的脹縮液壓缸實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)脹縮液壓缸帶動(dòng)拉桿和脹縮滑塊軸向縮回，驅(qū)動(dòng)脹縮楔塊和扇形塊產(chǎn)生了徑向位移，使得卷筒脹徑。同理，脹縮液壓缸做反向動(dòng)作，拉桿和脹縮滑塊軸向伸出，脹縮楔塊和扇形塊在彈簧恢復(fù)力的作用下收縮，卷筒縮徑。

2 卷取機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)某冷軋薄板平整機(jī)組工藝要求，卷取機(jī)主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 卷取機(jī)工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of the tension reel

2.1 卷筒的主要參數(shù)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核

卷筒的主要參數(shù)包括卷筒的直徑，徑向壓力和脹縮液壓缸的尺寸等。正確選擇卷筒的參數(shù)對(duì)卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、重量等有重要影響。

2.1.1 卷筒徑向壓力的計(jì)算

卷筒的徑向壓力計(jì)算不僅是卷筒零件強(qiáng)度和脹縮液壓缸推力計(jì)算的先決條件，而且與卷取質(zhì)量直接相關(guān)，一般認(rèn)為卷筒徑向壓力與卷取張力和帶卷直徑、帶卷和卷筒的徑向剛度、帶卷層間雜質(zhì)及表面狀態(tài)、層間滑動(dòng)與摩擦及帶寬等因素有關(guān) 。

對(duì)于封閉楔式卷筒的卷取機(jī)，其徑向壓力計(jì)算公式

結(jié)合本文卷取機(jī)的工藝要求，C=1.5，f=0.15，則其徑向壓力P=8.16 MPa。

2.1.2 脹縮液壓缸的參數(shù)

卷筒脹縮液壓缸為卷筒的脹縮提供動(dòng)力，因此，應(yīng)首先確定脹縮液壓缸對(duì)脹縮滑塊的拉力，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的闡述，在工程實(shí)際中，對(duì)于封閉楔式卷取機(jī)，脹縮液壓缸的最小臨界拉力:

式中，f'為帶鋼與卷筒的摩擦系數(shù);μ為脹縮楔塊與扇形塊、脹縮滑塊的摩擦系數(shù);α為脹縮滑塊的傾角，(°)。

根據(jù)最小臨界拉力Q，易得脹縮液壓缸的直徑Dg應(yīng)大于

式中，p0為液壓系統(tǒng)的工作壓力，MPa;η為液壓缸的效率;dg活塞桿直徑。

式中，Δr為扇形板的徑向位移量，mm。

本文中，考慮到檢修后卷筒表面有潤(rùn)滑油時(shí)摩擦系數(shù)較小，因此f'取0.1，μ取0.09，α為15°，得脹縮液壓缸的最小臨界拉力Q=110.4 kN。p0取12 MPa，η取0.8，設(shè)計(jì)脹縮液壓缸時(shí)應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通常取1.5～2.2，因此取脹縮液壓缸的直徑Dg=230 mm，活塞桿直徑dg=110 mm，脹縮油缸的行程H=66 mm。

2.1.3 卷筒的強(qiáng)度校核

卷筒參數(shù)的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，必須對(duì)其進(jìn)行校核才能確定。本文對(duì)卷筒的強(qiáng)度校核，采用有限元分析的方法。首先根據(jù)卷筒的結(jié)構(gòu)分析其受力狀況，建立卷筒主要零部件有限元模型，并對(duì)模型中一些無(wú)關(guān)緊要的部位進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，從而分析得到卷筒的應(yīng)力狀況。卷筒的受力狀況如圖3所示。

圖3 卷筒受力分析Fig.3 Force analysis of the mandrel

扇形板的支反力為:

脹縮滑塊的支反力為:

每塊扇形板受到的軸向推力為:

將扇形板的支反力和脹縮滑塊的支反力代入上式，得

式中，μ'為脹縮滑塊與卷筒軸的摩擦系數(shù)，取0.13。根據(jù)以上分析，可得P1=3 809.9 kN，P2=2 451.9 kN，S=98 kN。

在計(jì)算中，卷筒軸、脹縮滑塊、扇形塊的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，取彈性模量E=206 GPa，泊松比v=0.3，采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID185六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格［4］。脹縮楔塊的材料為鋁青銅，取彈性模量 E=113 GPa，泊松比 v=0.3［5］，采用 20 節(jié)點(diǎn)的SOLID186六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格［4］。各零部件的邊界條件及載荷施加如下:卷筒軸端部有外支撐和減速箱支撐，卷筒軸的兩端軸承接觸面固定，卷筒軸上作用力主要為脹縮滑塊對(duì)其的壓力，扇形塊和脹縮楔塊的外表面承受徑向壓力作用，脹縮滑塊主要承受脹縮液壓缸的軸向拉力，對(duì)各零件接觸面施加垂直于該面的固定約束。

圖4～7分別為卷筒軸、扇形塊、脹縮楔塊和脹縮滑塊的應(yīng)力云圖，從圖中可知，卷筒軸的最大應(yīng)力為89.7 MPa，扇形塊的最大應(yīng)力為45.3 MPa，脹縮楔塊的最大應(yīng)力為15.3 MPa，脹縮滑塊的最大應(yīng)力為75.6 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)多發(fā)生在零件的尖角處。對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力［σ］≥196 MPa，對(duì)于鋁青銅，其許用應(yīng)力［σ］≥163 MPa［6］。因此，卷筒的主要零件滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖7 脹縮滑塊的應(yīng)力云圖Fig.7 Von-Mises stress map of the slider

2.2 卷筒傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 傳動(dòng)電機(jī)的選取

卷取帶材所需的傳動(dòng)功率應(yīng)由帶材的張力、塑性彎曲變形、卷取的速度和及摩擦阻力等因素確定，因此，卷取機(jī)功率主要由卷取張力所需功率、帶鋼彎曲功率、摩擦功率組成［7］，其功率計(jì)算公式為

式中，TR為卷取張力產(chǎn)生的力矩，∑F為卷筒軸承處的合力;d0為卷筒軸承直徑，mm;γ為軸承處摩擦系數(shù)，η'為傳動(dòng)效率，一般取值為0.85～0.9。實(shí)際生產(chǎn)中，張力力矩占主要作用，帶鋼的彎曲力矩和摩擦力矩占的比例很小，因此卷取機(jī)傳動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算時(shí)只需考慮卷取張力和卷取速度，則電機(jī)功率可按下式初步計(jì)算:

式中，K為彈塑性變形系數(shù)，可取K≈1.1。

由于冷軋平整線中卷取電機(jī)功率一般比較大，且大多為非標(biāo)設(shè)計(jì)電機(jī)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等因素，初步選定傳動(dòng)電機(jī)的功率為720 kW，電機(jī)的轉(zhuǎn)速330～1 300 r/min，電機(jī)力矩5.29～20.84 kNm。

2.2.2 減速箱的減速比

減速比是減速箱設(shè)計(jì)中的最重要參數(shù)，確定減速比應(yīng)考慮兩個(gè)因素，第一，為了保證恒張力卷取，卷取的線速度應(yīng)保持恒定;第二，滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行速度的變化范圍［1］。減速箱的減速比為:

根據(jù)上式，選取減速箱的減速比為2.5。減速箱采用一級(jí)減速，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2.3 電機(jī)力矩的校核

根據(jù)確定的電機(jī)和減速箱的參數(shù)，可以校核電機(jī)的選型是否滿(mǎn)足工藝和生產(chǎn)實(shí)際要求。校核的關(guān)鍵是電機(jī)的公稱(chēng)輸出力矩能否滿(mǎn)足實(shí)際卷取力矩 的要求［1］。

式中，n為電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速;Ne為電動(dòng)機(jī)的額定功率。

根據(jù)卷取機(jī)工藝要求，最大張力T為55 kN時(shí)，卷取速度為760 m/min，此時(shí)，電機(jī)能提供的力矩為M=125 kN·m，帶鋼張力需要的卷取力矩M實(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n為121 r/min。顯然，電機(jī)所能提供的力矩大于帶鋼張力需要的力矩，且電機(jī)的實(shí)際工作速度均小于電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。所選電機(jī)滿(mǎn)足工藝要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某鋼廠新建一條冷軋薄板平整機(jī)組項(xiàng)目，對(duì)其卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述，通過(guò)理論計(jì)算確定了卷筒的徑向壓力、脹縮液壓缸和傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，并采用有限元分析方法校核卷筒主要零部件的強(qiáng)度，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。目前該卷取機(jī)已經(jīng)投產(chǎn)，運(yùn)行效果良好，滿(mǎn)足用戶(hù)的生產(chǎn)需求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量相對(duì)較輕，節(jié)約了項(xiàng)目成本，為后續(xù)類(lèi)似機(jī)組卷取機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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