謝二虎，李 軻，陶 晶，余小軍

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶市鋼鐵冶金工程技術(shù)研究中心，重慶 401122)

0 前言

雙卷筒卷取機(jī)因具有卷取效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，而成為目前最先進(jìn)的冷軋卷取機(jī)，因此被廣泛地用在生產(chǎn)速度高的冷連軋機(jī)組上。但由于設(shè)備機(jī)構(gòu)復(fù)雜，近年來(lái)雙卷筒卷取機(jī)基本上以引進(jìn)為主，國(guó)內(nèi)也有相關(guān)機(jī)構(gòu)在雙卷筒卷取機(jī)的國(guó)產(chǎn)化方面做過(guò)相關(guān)工作，但僅停留在消化移植的層面上［1-4］。本文采用三維設(shè)計(jì)、有限元計(jì)算與仿真、數(shù)值分析與計(jì)算等方法對(duì)雙卷筒卷取機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、主傳動(dòng)系統(tǒng)及其振動(dòng)特性、卷取過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、二次脹徑等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，并結(jié)合編程開(kāi)發(fā)出了雙卷筒卷取機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，完成了雙卷筒卷取機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研究與設(shè)計(jì)，并獲得國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)，開(kāi)發(fā)出的雙卷筒卷取機(jī)已成功應(yīng)用于多個(gè)冷軋工程。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理分析

本文在計(jì)算分析中，采用的卷筒直徑為508 mm，帶鋼厚度為5 mm。

芯軸外套式雙卷筒卷取機(jī)主要由主傳動(dòng)電機(jī)、初級(jí)減速機(jī)、次級(jí)減速機(jī)、轉(zhuǎn)盤及支撐機(jī)構(gòu)、脹縮卷筒及皮帶助卷器組成，如圖1所示。兩個(gè)脹縮式卷筒A、B在轉(zhuǎn)盤上成180度布置，卷筒A所在的位置稱作“穿帶位”，卷筒B所在的位置稱作卷取位，雙卷筒卷取機(jī)的卷取流程:①卷筒A穿帶操作，此時(shí)卷筒B卸卷→②卷筒A完成穿帶，此時(shí)卷筒B完成卸卷→③轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)180度→④卷筒A切換到卷取位，卷筒B進(jìn)入穿帶位→⑤卷筒A開(kāi)始正常卷取，卷筒B做好穿帶準(zhǔn)備→⑥卷筒A卷完一卷鋼→⑦飛剪切斷帶鋼→⑧卷筒B開(kāi)始穿帶，卷筒A準(zhǔn)備卸卷，新的卷取循環(huán)開(kāi)始。

圖1 芯軸外套式雙卷筒卷取機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure view of core shaft sleeve dual-mandrel coiler

2 主電機(jī)的選型設(shè)計(jì)

在雙卷筒卷取機(jī)主電機(jī)選型上，需要保證以下兩點(diǎn):

1)確保主電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，卷筒的轉(zhuǎn)速高于卷取最薄規(guī)格時(shí)的最高轉(zhuǎn)速;并盡可能讓主電機(jī)在額定轉(zhuǎn)工作時(shí)，卷筒的轉(zhuǎn)速低于卷取最厚規(guī)格帶鋼時(shí)的最低的轉(zhuǎn)速，即

2)確保主電機(jī)的最大輸出扭矩能滿足卷取最厚帶鋼時(shí)最大卷取扭矩的要求，即:

式中，ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;nf為卷筒的最低轉(zhuǎn)速;nmax為電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速;ni為卷筒的最高轉(zhuǎn)速;P為電機(jī)功率;K為帶鋼彈性變形系數(shù);T為帶鋼張力;υ為最高卷取速度;η為系統(tǒng)的傳動(dòng)效率;i為卷取機(jī)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比;Tmax為最大帶鋼張力;dmax為最大卷徑。

3 卷取機(jī)特性分析

3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

大型軋鋼設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意避開(kāi)其共振區(qū)域，以防止設(shè)備發(fā)生共振破壞。因此，對(duì)雙卷筒卷取機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析是十分必要的。本文采用Matlab、商用有限元軟件等對(duì)雙卷筒卷取機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振特性進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表1。

表1 某冷軋廠Carrousel卷取機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振分析結(jié)果Tab.1 Torsion oscillation analysis results of Carrousel coiler in a certain mill

圖2 卷取機(jī)卷取過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析Fig.2 Analysis of dynamic characteristics during coiling process

3.2 卷取過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

為了得到卷筒卷取過(guò)程中的徑向壓力和卷筒脹縮徑規(guī)律，本文采用三維設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析等手段對(duì)雙卷筒卷取機(jī)的卷取過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，得到了脹縮式卷筒卷取過(guò)程中徑向壓力的變化趨勢(shì)及脹縮徑規(guī)律，為脹縮式卷筒的設(shè)計(jì)選型提供了理論依據(jù)。有限元模擬計(jì)算結(jié)果如圖2及表2所示。

表2 徑向壓力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of radial pressure

從表2中可以看出，在卷筒卷取0～20圈時(shí)，隨著卷取圈數(shù)的增加，卷筒上所受的徑向壓力也不斷增大，而隨著卷取過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)卷取圈數(shù)增加到25圈及以上時(shí)，卷筒表面的徑向壓力會(huì)有所下降，并維持在3.85 MPa左右。結(jié)合圖2中的脹縮曲線可知，在脹縮式卷筒卷取過(guò)程中，隨著卷取圈數(shù)的增加，卷筒表面的徑向壓力也會(huì)不斷增大，當(dāng)徑向壓力增大到脹縮缸的拉力無(wú)法維持時(shí)，卷筒將發(fā)生自陷式縮徑，卷筒外表面與鋼卷內(nèi)表面發(fā)生瞬時(shí)脫離，鋼卷內(nèi)部的張應(yīng)力得到短暫的釋放，卷筒表面所受到的徑向壓力下降，當(dāng)徑向壓力下降到脹縮缸的拉力能維持時(shí)，卷筒停止縮徑，而隨著卷取過(guò)程的繼續(xù)，卷筒表面的徑向壓力還會(huì)繼續(xù)增大，卷筒還會(huì)繼續(xù)發(fā)生縮徑，脹縮式卷筒的脹縮徑過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

4 二次脹徑的研究

在穿帶過(guò)程中，因皮帶助卷器撤離后，為了防止帶鋼與卷筒之間的徑向壓力不夠而引起的帶鋼打滑擦傷，本文采用有限元分析的手段對(duì)卷筒二次脹徑技術(shù)進(jìn)行了分析和研究:在初次脹徑時(shí)留一點(diǎn)余量，而在皮帶助卷器撤離時(shí)，對(duì)卷筒進(jìn)行二次脹徑，以確保卷筒與帶鋼之間有足夠的徑向壓力，防止帶鋼打滑擦傷。本文采用商用有限元軟件對(duì)卷取3、4、5圈后卷筒的二次脹徑過(guò)程進(jìn)行了分析和模擬了，得到脹縮曲線和計(jì)算結(jié)果如圖3、表3所示(預(yù)留脹徑量為5 mm)。

表3 二次脹徑模擬計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of secondory expanding simulation

從圖3和表3中的模擬計(jì)算結(jié)果可看出，在卷取3圈后進(jìn)行二次脹徑，卷筒能夠迅速脹開(kāi)至最大直徑，并在卷筒與鋼卷之間形成足夠的徑向壓緊力，有效防止帶鋼的打滑。而在卷取4圈或4圈以上時(shí)進(jìn)行二次脹徑，雖然能夠在卷筒與鋼卷之間形成足夠的徑向壓緊力，但由于卷筒并沒(méi)有脹到最大直徑，這會(huì)給后續(xù)的卸卷工序帶來(lái)困難。因此卷取3圈后時(shí)開(kāi)始二次脹徑是最佳二次脹徑時(shí)機(jī)。

圖3 卷取不同圈數(shù)后卷筒的脹徑曲線(帶鋼厚度為5 mm)Fig.3 Expanding curve of reel during different coiling circles when the strip thickness of 5mm

5 輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)

結(jié)合前面的理論分析和計(jì)算，采用C++和PCL編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了雙卷筒卷取機(jī)的輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)集參數(shù)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、扭振分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等于一體，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程， 提高了設(shè)計(jì)效率，軟件界面見(jiàn)圖4。

圖4 雙卷筒卷取機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)界面示意圖Fig.4 Interface schematic of aided design platform in dual-mandrel coiler

6 結(jié)論

本文對(duì)雙卷筒卷取機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理做了介紹，對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性、卷取過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、二次脹徑等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，并結(jié)合編程手段開(kāi)發(fā)出了雙卷筒卷取機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，完成了雙卷筒卷取機(jī)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與研究，并獲得國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)。本文在雙卷筒卷取機(jī)設(shè)計(jì)與研究中所采用的方法值得大型冶金設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化借鑒。

［1］周國(guó)盈.帶鋼卷取設(shè)備［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1992:66－101.

［2］姜世平，焦時(shí)光，張娜，等.Carrousel卷取機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，24(10):18－21.

［3］甄志霞，王立峰.卡盧賽卷取機(jī)在邯鋼酸洗-冷軋聯(lián)合機(jī)組中的應(yīng)用［J］.浙江冶金，2008，41(3):7－9.

［4］彭建東.卡羅塞爾卷取機(jī)國(guó)產(chǎn)化［J］.江蘇冶金，2002，30(4):48－52.