軋機開卷機卷筒優(yōu)化設(shè)計*

趙占偉，祝海容

(浙江龍盛薄板有限公司，浙江紹興 312369)

0 引言

開卷機是熱軋、冷軋鋼鐵廠酸洗、軋鋼、平整、重卷等生產(chǎn)線不可缺少的重要設(shè)備，一般布置在生產(chǎn)線的入口部分，其設(shè)備功能是同開頭機一起完成開頭、開卷喂料工序，在生產(chǎn)過程中對帶材產(chǎn)生工藝所需的張力，并可進行帶材對中使帶鋼寬度中心線與機組中心線保持重合。開卷機一般由卷筒、本體、底座、對中裝置、傳動裝置、壓輥、活動支承等主要部件組成。

開卷機卷筒由四塊扇形板，棱錐形導(dǎo)向套、卷筒軸、拉桿、漲縮油缸等組成。卷板料經(jīng)小車上到卷筒工作位后，漲縮油缸拉動拉桿，拉桿帶動卷筒軸外的棱錐形導(dǎo)向套移動，導(dǎo)向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產(chǎn)生相對滑動，從而實現(xiàn)扇形板漲徑，將鋼卷內(nèi)圈漲緊，卷板料固定于開卷機扇形板上，鋼帶通過后續(xù)一系列設(shè)備如開卷導(dǎo)板、夾送輥、五輥校直機等將卷板料開成平直的鋼板。

1 改進前卷筒存在的問題

如圖1所示，鋼卷上到卷筒后，漲縮油缸1動作，拉動拉桿2，拉桿帶動卷筒軸3外的棱錐形導(dǎo)向套4沿軸向移動，導(dǎo)向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產(chǎn)生相對滑動，從而實現(xiàn)扇形板漲徑，整個卷筒漲縮徑過程中，導(dǎo)向套在卷筒軸上沿軸向往復(fù)滑動，導(dǎo)向套和卷筒軸之間有對稱分布的兩根通長的鍵，目的是限制導(dǎo)向套和卷筒軸產(chǎn)生周向滑動。

圖1 開卷機卷筒結(jié)構(gòu)

每隔半年左右，開卷機卷筒部分就需要整體拆解，清理內(nèi)部磨損的鐵屑及一些其它雜質(zhì)，檢查卷筒軸與相配合的棱錐形導(dǎo)向套磨損情況，磨損如果超出圖紙公差范圍，就需要將芯軸外圈與導(dǎo)向套內(nèi)部重新修磨，磨損部份用鍍鉻方法將其補充回原始公差。當(dāng)兩者磨損程度比較大時，還需要先堆焊，再作修磨，堆焊過程中產(chǎn)生的熱變形會影響卷筒軸的平直度，如果長時間的堆焊會導(dǎo)致卷筒軸變形而無法使用，即使卷筒軸堆焊后不產(chǎn)生變形，因?qū)蛱椎哪p會導(dǎo)致導(dǎo)向套內(nèi)徑變大，此時雖然加堆焊加粗芯軸可以彌補這一點，但是如果廠內(nèi)有幾臺開卷機時，導(dǎo)向套的通用性會受到限制，必須給每臺開卷機都準(zhǔn)備好一套相應(yīng)的備件，增大了備件的資金占用量。且以上處理問題的兩種方法周期都比較長，一般都在半個月左右，當(dāng)備件只有一套時，很難周轉(zhuǎn)。另外需考慮一種更加嚴(yán)重的情況，如果磨損嚴(yán)重可能會導(dǎo)致粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，此時如需拆解卷筒，卷筒軸表面及導(dǎo)向套內(nèi)部會發(fā)生大面積的金屬拉毛現(xiàn)象，拆解變得十分困難，卷筒軸表面和導(dǎo)向套內(nèi)部會有大塊的金屬粘結(jié)掉下，重新修整卷筒軸及導(dǎo)向套的代價相當(dāng)大。

2 改進前卷筒結(jié)構(gòu)的問題分析

針對原設(shè)計卷筒結(jié)構(gòu)存在的問題，究其原因，主要是由于卷筒漲縮徑過程中，導(dǎo)向套在卷筒軸上往復(fù)滑動，導(dǎo)向套內(nèi)孔設(shè)計尺寸為Φ 3300.140，卷筒軸外徑設(shè)計尺寸為 Φ 330-0.06-0.20，其配合間隙范圍為 0.06 ～0.34 mm，且卷筒軸圖紙要求熱處理硬度為HB=286～321，導(dǎo)向套熱處理硬度為HB=241～286，雖然從數(shù)據(jù)上分析兩種部件的硬度沒有交叉重疊部分，但當(dāng)兩者熱處理硬度相差小于50 HB時，極易發(fā)生金屬間的互相滲透，從而導(dǎo)致粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，脫落的金屬顆粒加劇磨損速度，甚至研死。

3 改進措施

(1)改進方案 把磨損的導(dǎo)向套拆解，通過對其頭、尾兩端特殊加工，將其內(nèi)孔尺寸同比例放大，然后在導(dǎo)向套兩端鑲嵌上兩只厚銅套，厚銅套具體尺寸及強度核算如下:

鋼卷上到卷筒后，卷筒漲徑，漲緊力全部承受于導(dǎo)向套，對內(nèi)部銅套而言，承受的力為一個鋼卷、滑套及四個扇形板的總重力，鋼卷設(shè)計大綱最重為32 t，導(dǎo)向套為 0.36 t，四塊扇形板總重為 2.032 t，所以銅套承受的最大總重力為34.392 t。當(dāng)開卷機投入工作做周向旋轉(zhuǎn)時，需要承受一個帶鋼的張緊力，此張緊力一般都在7 t以下，卷筒軸上的鍵與銅套之間承受此7噸張力作用。所以設(shè)計銅套尺寸時，需滿足兩個力學(xué)條件，一是銅套在承受最大重力時的接觸應(yīng)力需小于銅套的屈服強度，二是開卷機旋轉(zhuǎn)時，在最大張力7噸作用下，銅套和鍵的接觸應(yīng)力需小于銅套的屈服應(yīng)力。只要滿足以上條件，即可保證銅套內(nèi)壁不被壓潰。

原設(shè)計導(dǎo)向套內(nèi)壁材料為16 Mn，整個內(nèi)壁與卷筒軸接觸，現(xiàn)改為內(nèi)鑲式銅套，所選材料為鉛青銅ZCuPb10Sn10，其潤滑性能、耐磨性能和耐蝕性能好，屈服強度為σs:≥140(MPa)。當(dāng)開卷機卷筒承受最大卷重時，卷筒兩端銅套承受的力為:F=(32+0.36+2.032)×1000×10(N)，銅套不被壓潰時的臨界接觸面積可由公式S=F/P算出，其中P取鉛青銅的屈服強度，則臨界接觸面積為:S=F/P=343920/140 mm2=2456.6 mm2，重力作用方向豎直向下，所以只有銅套內(nèi)壁整個面積的一半承受，所以兩個銅套內(nèi)壁總面積為最小應(yīng)為 2456.6 ×2=4931.2 mm2，銅套內(nèi)孔直徑基本尺寸和卷筒軸一樣為330 mm，則每個銅套最小寬度為:，由此可以看出單個銅套的寬度只要大于2.4 mm即可滿足最大承載力。

當(dāng)開卷機旋轉(zhuǎn)時，卷筒軸上的鍵與銅套之間承受最大張力為7噸，此時銅套和鍵的最小安全接觸面積為:S=F/P=7 ×10000/140(mm2)=500 mm2，卷筒軸上原來的兩根鍵對稱分布，考慮到節(jié)省成本和檢修效率等多方面原因，仍利用原來的鍵，鍵與銅套的接觸高度為18.15 mm，則鍵與銅套的最小接觸長度為:500/18.15 mm=27.55 mm。兩個銅套與鍵有四個等面積的接觸部位，可以算出單個銅套最小寬度為27.55/4約為7 mm。

圖2 銅套加工尺寸及裝配圖

根據(jù)以上計算，理論上講銅套寬度只要大于7 mm，即可滿足力學(xué)條件，但理論與實際總是存在偏差的，并且考慮到加工和安裝方便以及耐磨和公差配合等諸多因素，我們將安全系數(shù)設(shè)置足夠大，將單個銅套寬度設(shè)計為200 mm，壁厚為15 mm，配合公差參照原設(shè)計尺寸，如圖2所示，銅套內(nèi)外尖角倒鈍，方便裝配，為延長使用壽命及日后維護方便，銅套內(nèi)壁增加潤滑油溝槽。

(2)方案實施 將已經(jīng)磨損的導(dǎo)向套拆解，然后先把整個導(dǎo)向套上車床內(nèi)孔加工一刀，單面加工量為1～2 mm，目的是裝配銅套后導(dǎo)向套內(nèi)壁不與芯軸接觸，加工量不宜過大，大則影響導(dǎo)向套強度，也不宜過小，過小，磨損脫落的細(xì)小顆粒容易研傷接觸面，再將導(dǎo)向套兩頭加工至圖1所示尺寸，在加工導(dǎo)向套兩端的軸向溝槽時，需上插床加工，上插床之前，事先須加工好退刀槽，加工退刀槽時可考慮上銑床局部加工，避免上車床加工一個整圓退刀槽，以致影響導(dǎo)向套的整體強度;然后加工厚壁銅管，因成品銅套相對較薄，并且為不規(guī)則外形尺寸，可先上車床加工內(nèi)圓，內(nèi)圓按圖紙尺寸加工完畢后，余下工序全部上線切割加工，因線切割加工時，工件受力很小，這樣可以保證加工合格率。

把磨損過的卷筒軸打磨光滑，再將加工好的部件打磨去毛刺后，復(fù)測核實尺寸，尺寸確認(rèn)無誤后涂抹潤滑油脂開始裝配工序。先將兩只銅套裝入到導(dǎo)向套內(nèi)，然后測量銅套內(nèi)圓尺寸，檢查裝配過程中是否出現(xiàn)變形，如出現(xiàn)變形局部尺寸超差，則需要修磨修正內(nèi)圓精度，保證銅套內(nèi)壁和卷筒軸軸接觸均勻，以便卷筒漲徑時，銅套和卷筒軸滑動均勻無卡阻。所有部件裝配完畢后，無負(fù)載反復(fù)動作幾次，最后上鋼卷試車。

(3)試驗應(yīng)用效果 改進后的設(shè)備經(jīng)過生產(chǎn)實踐檢驗證明該思路是正確的，卷筒軸硬度為HB=286～321，而鉛青銅硬度為HB=70，使用過程中保護制造成本較高的卷筒軸不受磨損，只需定期更換成本較低的銅套即可，設(shè)備運行過程中磨損脫落的金屬顆粒容易收集在兩個銅套間的1～2 mm的空腔內(nèi)，并且空腔內(nèi)存有潤滑油脂，能有效減緩銅套的磨損速度、延長銅套使用壽命，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的滑套發(fā)生研死的設(shè)備故障，大大減少了設(shè)備維護工作量。

4 結(jié)論

開卷機在金屬加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，改進之前也參觀了同行企業(yè)，發(fā)現(xiàn)存在同樣的問題，嚴(yán)重制約了產(chǎn)量，增加了維修難度。改進后該設(shè)備一直運行安全可靠，維護簡單，檢修方便，大幅提高了設(shè)備使用壽命，故障率幾乎為零，增加了作業(yè)時間，提高了產(chǎn)量，達(dá)到了預(yù)期目的。

［1］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.