李素珍

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

對于連續(xù)的冷軋生產(chǎn)線，大型立式活套的存在，保證了機(jī)組在進(jìn)口段焊接時，爐段能保持連續(xù)的運行，在出口段更換平整機(jī)輥子，調(diào)整圓盤剪的寬度，改變圓盤剪的刃口，在出口處分割鋼卷，切割廢品取樣，停止檢驗和打磨，從而大大地提高了機(jī)組的生產(chǎn)能力和成品率。文章中設(shè)計的立式活套是一種頂部可移動小型活套塔。該形式結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和維護(hù)。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制、速度控制和張力控制，需要同時配備完整的安全措施，確保安全生產(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)簡介

立式活套主要由活套車本體、活套底輥、塔頂滑輪、配重裝置、卷揚主傳動部分、糾偏控制、張力檢測及過載保護(hù)、斷帶夾緊機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成。立式活套的活套車體上裝有非變速箱轉(zhuǎn)向輥。當(dāng)活套車通過卷揚驅(qū)動結(jié)構(gòu)沿活套塔鋼結(jié)構(gòu)的軌道升降時，即可裝卸套筒[1]。這種垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計大大節(jié)省了設(shè)備的占地面積，并擁有大量的存儲設(shè)備空間。為了平衡活套車的重量，減輕活套車卷揚驅(qū)動的載荷，立式活套還配備了一套配重裝置，可平衡97%的活套本體重量。為了提升活套的精準(zhǔn)度，在卷揚非驅(qū)動端安裝了絕對式編碼器測量裝置。

采用皮帶傳動的底輥設(shè)計，實現(xiàn)了活套正常運行的張力補(bǔ)償，防止了活套塔因受力不均勻而沿帶鋼運行方向傾斜的現(xiàn)象。正是因為這種底輥補(bǔ)償設(shè)計，才能滿足高精度帶鋼速度控制和張力控制的要求[2]。同時在活套的每組底輥之間設(shè)布置糾偏裝置，使整個活套在正常生產(chǎn)運行時更難跑偏。

為防止活套車沖出活套鋼結(jié)構(gòu)，活套行程的兩端分別設(shè)置快停、急停開關(guān)和限位機(jī)械緩沖塊，確保設(shè)備的安全生產(chǎn)。另外，在每個活套塔的一個活套底輥上設(shè)計了一套張力過載保護(hù)裝置。當(dāng)電氣控制出現(xiàn)張力過載問題時，能更有效地保護(hù)整個活套塔鋼結(jié)構(gòu)和活套基礎(chǔ)不受損壞。此外，在每個活套底輥上還設(shè)計了斷帶夾緊裝置，以防止斷帶時所有的帶鋼散落在地基上。

2 設(shè)計計算

根據(jù)以上對立式活套結(jié)構(gòu)組成和功能的簡單介紹，下面對活套本體的卷揚主傳動、底輥傳動補(bǔ)償以及過載裝置的能力選取設(shè)計的計算分析。

2.1 卷揚主傳動電機(jī)計算

其中，P表示卷揚電機(jī)功率（KW）；T帶鋼總表示整個活套內(nèi)帶鋼的總張力（KN）；G帶表示整個活套內(nèi)最大套量時帶鋼的總重量（KN）；G車差表示活套車總重量與配重總重量的差值（KN）；a入表示入口段停車加速度（m/s2）；V入口表示入口段速度（m/s）；V工藝表示入口段速度（m/s）；n表示活套內(nèi)帶鋼道次；η表示機(jī)械效率系數(shù)。

需注意的是，在計算充套加減速過程中實際最大帶鋼重量所產(chǎn)生的功率時，公式中代入的G帶值要大于此時實際的帶鋼套量值。但由于這一項對整個電機(jī)功率影響不大，可以按照G帶值計算；另外，上述公式中并沒有單獨列項卷揚本體與滑輪軸承摩擦阻力、鋼絲繩與滑輪間的摩擦力，因為這部分摩擦所消耗的功率與其他相比較小，公式中的機(jī)械效率η的代入也保證了最終電機(jī)功率的合理和準(zhǔn)確性。

計算時需注意的是：在計算卷揚電機(jī)功率時，應(yīng)按照不同規(guī)格對應(yīng)的帶鋼的張力與活套車速度乘積的最大值來考慮。

2.2 底輥傳動電機(jī)計算

帶傳動的活套輥一般大致均分(根據(jù)底輥的布置情況，如糾偏輥、帶有張力保護(hù)裝置底輥以及裝有張力計的底輥一般不考慮傳動)在所有活套輥之間，如圖1所示的入口活套底輥布置。

圖1 入口活套底輥布置

從整體張力分布來看，由于帶鋼與活套輥的包角基本上大于180°，因此在皮帶傳動下的活套底輥可視為能產(chǎn)生張力的張力輥，從而實現(xiàn)把活套內(nèi)的帶鋼分成幾段的形式進(jìn)行張力控制，并對各段的張力損失進(jìn)行一定的補(bǔ)償，有利于活套內(nèi)張力的均勻分布和穩(wěn)定[3]。

從不同帶鋼規(guī)格對張力影響來看，當(dāng)帶鋼厚大、強(qiáng)度高時，帶鋼在活套輥上的彈塑性彎曲將成為帶鋼張力損失的主要因素；此外，活套底輥在轉(zhuǎn)動時，軸承位置的摩擦阻力也會造成一定的張力損失，活套輥數(shù)量越多，張力損失越大?；钐走M(jìn)、出口帶鋼累積疊加后產(chǎn)生較大的張力差，增加活套鋼結(jié)構(gòu)的傾翻力矩，對設(shè)備的安全和使用壽命有一定影響，采用帶傳動活套底輥后，通過對張力的補(bǔ)償可以大大減小這種不良影響。

當(dāng)活套裝滿和釋放時，帶鋼需要驅(qū)動活套輥進(jìn)行加減速。由于活套輥較重，這一過程中的張力損失與設(shè)定張力相對較大(特別是薄帶鋼和軟帶鋼)，這可能會導(dǎo)致活套中帶鋼(特別是活套前段的帶鋼)因纏繞松動而跑偏，甚至?xí)芤驗榧訙p速時張力波動過大而折斷帶鋼。利用帶傳動的活套輥進(jìn)行張力補(bǔ)償可以大大減小這種情況的出現(xiàn)。

活套中有無傳動活套底輥張力損失比較如圖2所示：

圖2 活套中有無傳動活套底輥張力損失比較

鑒于以上分析，活套底輥傳動電機(jī)功率計算如下：

其中，Pi表示編號為mi的底輥電機(jī)功率（KW）；F損i表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間的張力損失|（KN）；

F車i表示第mi傳動底輥與對應(yīng)的前一個活套車上轉(zhuǎn)向輥之間的張力（KN）；F底輥i’表示第mi傳動底輥的上一個傳動底輥后面的張力（KN）；Vi表示第mi傳動底輥的速度(注意厚度值與速度值的對應(yīng)關(guān)系)（m/s）。

其中，ΣF磨損表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的輥子軸承摩擦力損失（KN）。受力分析如圖3所示：

圖3 受力分析

其中，F(xiàn)磨損i表示第i個輥子的摩擦力損失（KN）；Ni表示第i個輥子軸承位置的壓力（KN）；Ti表示第i個輥子入口的帶鋼張力（KN）；G帶表示經(jīng)過活套車輥子時滿套時2道帶鋼重量（KN）；Θ表示第i個輥子帶鋼包角和弧度；Ч表示滾動軸承摩擦系數(shù)；d表示輥子軸頸位置直徑（m）；D表示輥子直徑（m）。

其中，ΣF慣性i表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的輥子慣性力損失（KN）；F慣性i表示第i個底輥加減速時(充放套時)慣性力損失（KN）；J表示輥子的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）；ai表示第i個輥子的加速度（m/s2）。

活套底輥：

活套車輥：

其中，a出表示充放套時活套出口的加速度(對于入口活套來說，此時工藝段加速度為0)（m/s2）；a入表示充放套時活套入口的加速度及機(jī)組入口段的加速度（m/s2）；mi表示第i個活套底輥；ni表示第i個活套車輥；n表示活套帶鋼的道次；D表示輥子直徑（m）。

其中，ΣF塑損表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的帶鋼塑性變形張力損失（KN）；F塑i表示第i個輥子位置帶鋼的塑性變形力（KN）；бs入表示入口活套底輥位置帶鋼屈服強(qiáng)度（MPa）；B表示帶鋼寬度（m）；h表示帶鋼寬度（m）；R入活表示入口活套底輥半徑（m）；E表示彈性模量MPa。

需說明的是：

（1）本公式是根據(jù)理想彈塑性材料彈塑性彎曲理論用積分原理推導(dǎo)而來的。

（2）在代入公式時，首先要判斷帶鋼是發(fā)生的彈性變形還是彈塑性變形，因為對于彈性變形，考慮到帶鋼的彈復(fù)作用經(jīng)過每個輥子后不存在張力損失；如果是彈塑性變形，則張力損失為彈塑性變形中的塑性變形力而不是整個彈塑性變形力。

（3）帶鋼厚度按照最大厚度代入，6s按照范圍區(qū)間值分別代入公式，最后取F塑損i的最大值。

（4）另外最終計算的每個傳動底輥的電機(jī)功率因布置的不均部性電機(jī)功率值可能不會完全相同，考慮的備件的統(tǒng)一性，最終選擇的電機(jī)功率可以基本上按照最大的電機(jī)功率取值。

2.3 過載保護(hù)裝置計算

過載保護(hù)裝置的設(shè)計，是選定一定值的張力限制器，當(dāng)電氣控制有問題即張力過載時能有效的保護(hù)整個活套塔鋼結(jié)構(gòu)以及活套基礎(chǔ)不被損壞和拉垮。

其中，T限制器標(biāo)定表示設(shè)計選型所需的張力限制器最大脫開拉力（KN）；T帶鋼張力max’表示張力限制器脫開時最大張力的K倍過載力（KN）；L1表示張力限制器距離過載裝置擺動鉸點的距離（m）；L2表示底輥中心距離過載裝置擺動鉸點的距離（m）。K表示張力限制器脫開時最大張力的過載倍數(shù)。

需說明的是，關(guān)于過載倍數(shù)K的選取，主要根據(jù)是活套塔鋼結(jié)構(gòu)最終設(shè)計的安全系數(shù)值考慮。

首先活套塔鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計前提主要由以下幾部分組成：活套車和配重分別在軌道上行走所產(chǎn)生的移動負(fù)荷、塔頂滑輪重力、塔頂所承受的正常帶鋼張力。在計算這部分力的基礎(chǔ)上，同時根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范再取一定的安全系數(shù)，如動力系數(shù)K1=1.3，分享系數(shù)K2=1.4，應(yīng)力控制比K3=1.1。因此過載倍數(shù)K的選取應(yīng)滿足K＜K1＊K2＊K3，一般按照K=1.6～1.8進(jìn)行設(shè)計；然后還要校核裝張力限制器的位置的框架強(qiáng)度以及固定軸承座的螺栓等，總的原則是要保護(hù)到設(shè)備的最薄弱環(huán)節(jié)（基于設(shè)備結(jié)構(gòu)不再進(jìn)行大的變更，結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)比較合理的）。

3 結(jié)語

對于大型的立式活套，結(jié)合以上的計算分析過程，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及電氣控制的速度和張力的精準(zhǔn)性都可以得到有力的保證。