高強(qiáng)帶鋼廢邊卷取機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

禹文鋒，李郝林，查德根，王 勇

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海寶菱冶金設(shè)備工程技術(shù)有限公司，上海 201900）

0 引言

在薄板精整重卷機(jī)組中廢邊卷取機(jī)是非常重要的設(shè)備，通常離線設(shè)置在圓盤(pán)剪附近，用來(lái)收集具有一定韌性的帶材［1］。由圓盤(pán)剪切下來(lái)的帶鋼廢邊，一般有兩種處理方法：帶鋼厚度在2mm以上時(shí)，一般將其碎邊，剪切成小塊；帶鋼厚度在1mm以下時(shí)，采用廢邊卷取機(jī)，將其卷曲成捆［2］。廢邊卷取機(jī)工作的穩(wěn)定性、可靠性將直接影響整套機(jī)組的工作效率。本文設(shè)計(jì)研究的是一種新型的用于卷取高強(qiáng)帶鋼廢邊的無(wú)張力式廢邊卷取機(jī)。

1 廢邊卷取機(jī)的組成和工作原理分析

1.1 廢邊卷取機(jī)的基本組成

本文設(shè)計(jì)的廢邊卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、滑動(dòng)底座、壓輥裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)裝置、布料裝置和卷取裝置6部分組成。機(jī)架為焊接式箱體結(jié)構(gòu)，箱體內(nèi)部作為廢料箱，壓輥裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)裝置和布料裝置均安裝在機(jī)架上；滑動(dòng)底座固定在地上，卷取裝置在其上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卸卷；壓輥裝置主要用于卷取時(shí)壓緊廢邊卷，使廢邊產(chǎn)生一定的塑性變形并纏繞在卷取軸上，保證廢邊卷的密實(shí)度并防止松卷；轉(zhuǎn)盤(pán)裝置主要用于卷取時(shí)固定廢邊卷的兩側(cè)，防止廢邊卷脫邊，同時(shí)支撐卷取軸端部，使卷取軸受力更加合理，并在卸卷時(shí)能夠打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸卷；布料裝置主要用于卷取時(shí)使帶鋼廢邊沿卷取軸均勻地纏繞，保證廢邊卷在長(zhǎng)度方向上均勻布置，防止廢邊卷出現(xiàn)錐形或鼓形等；卷取裝置用于將帶鋼廢邊卷取成捆，并能在卷取完成后退出廢料箱，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸卷。

1.2 廢邊卷取機(jī)的工作原理

廢邊卷取機(jī)的工作原理如下：由圓盤(pán)剪剪下的高強(qiáng)帶鋼兩側(cè)廢邊，通過(guò)活套坑進(jìn)入受料槽，有一定存料后，由人工將廢邊插入卷取軸的缺口中，開(kāi)動(dòng)壓緊輥的液壓缸將壓輥放下，啟動(dòng)主電機(jī)，使卷取軸轉(zhuǎn)動(dòng)；卷軸的缺口勾住廢邊頭部，同時(shí)壓緊輥使廢邊卷壓實(shí)，啟動(dòng)布料輥的液壓缸，使其在布料輥油缸的作用下來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使廢邊卷在卷軸上沿徑向均勻分布；隨著廢邊卷直徑的不斷變大，壓緊輥沿著籠體的凹槽逐漸上升，當(dāng)壓輥的擺臂觸動(dòng)極限開(kāi)關(guān)，傳遞給支承壓緊輥的托輥缸信號(hào)使壓輥升起，同時(shí)給傳動(dòng)電機(jī)信號(hào)，使電機(jī)停轉(zhuǎn)［3］；之后傳遞給脫料缸即卷軸移動(dòng)液壓缸信號(hào)，將卷取軸拔出，轉(zhuǎn)盤(pán)打開(kāi)，廢邊卷靠自重作用沿著籠體的斜面滾入收集箱內(nèi)。

圖1 廢邊卷取機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 廢邊卷取機(jī)的技術(shù)參數(shù)

廢邊卷取機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：帶鋼厚度為0.3mm～2.0mm；可處理的帶鋼品種為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、IF鋼、高強(qiáng)鋼等；帶鋼廢邊的寬度為5mm～50 mm；廢邊卷最大尺寸為Φ700×900mm，重量約為3 500kg；帶鋼的抗拉強(qiáng)度σb≤1 200MPa，屈服強(qiáng)度σs≤1 000MPa；機(jī)組穿帶速度為60m/min，運(yùn)行速度最大為300m/min。

3 廢邊卷取機(jī)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 壓輥設(shè)計(jì)

壓輥的設(shè)計(jì)關(guān)鍵為卷取高強(qiáng)帶鋼時(shí)所需壓緊力的計(jì)算。在廢邊卷取機(jī)中，為方便卸卷，廢邊卷的密實(shí)度一般保持在60%～70%即可，因此，壓輥壓力設(shè)計(jì)的主要目的是使廢邊卷取時(shí)張緊力達(dá)到帶鋼卷取張力。高強(qiáng)帶鋼廢邊卷取時(shí)所需張緊力T（N）的計(jì)算公式為：

其中：σ0為單位張力，N/mm2，σ0＝kσs，k為張力系數(shù)，取0.3～0.5，帶鋼厚度大的取大值；h為帶鋼厚度；b為廢邊寬度。

帶鋼的張緊力靠壓輥的壓力提供，壓輥壓力F（N）由下式計(jì)算：

其中：C為系數(shù)，考慮廢邊經(jīng)常成團(tuán)狀卷入，C取1.3～1.5；f為帶鋼廢邊和壓輥間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)，f取0.3～0.5。

根據(jù)式（2）即可設(shè)計(jì)壓輥的重量和壓輥油缸的壓力。圖2為壓輥?zhàn)饔檬疽鈭D，其中，l2為鉸支點(diǎn)到壓輥中心的距離，l1為油缸作用在壓輥上壓力作用點(diǎn)到鉸支點(diǎn)的距離。

圖2 壓輥?zhàn)饔檬疽鈭D

設(shè)壓輥?zhàn)灾貫镕′，則油缸額外需要施加在壓輥上的壓力F0＝F－F′。設(shè)油缸缸徑為D1，則壓輥油缸所需壓力p′（MPa）為：

通過(guò)上述分析和計(jì)算，完成了壓輥壓力的設(shè)計(jì)。

3.2 卷取軸的設(shè)計(jì)

3.2.1 卷取軸直徑選擇計(jì)算

在冷軋帶材卷取中卷筒直徑的選擇一般以卷取過(guò)程中內(nèi)層帶材不產(chǎn)生塑性變形為設(shè)計(jì)原則，以保護(hù)內(nèi)層帶材［4］。但在廢邊卷取機(jī)中，對(duì)高強(qiáng)廢邊沒(méi)有質(zhì)量要求，且為了防止發(fā)生松卷，卷取軸的直徑應(yīng)以使內(nèi)層帶材產(chǎn)生少量的塑性變形為設(shè)計(jì)原則。卷取軸直徑D（mm）計(jì)算公式為：

其中：E為帶材彈性模量，MPa；hmax為帶材的最大厚度，mm。但是倘若卷取軸直徑取得太小，軸的強(qiáng)度必然不夠，所以卷筒直徑還應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

其中：M為軸在計(jì)算截面位置所受彎矩，N·m；σ－1p為卷取軸在對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，MPa。由于廢邊不像成品帶鋼具有平整的表面，在卷取時(shí)，廢邊之間還處于互相纏繞的狀態(tài)，會(huì)增加廢邊鋼卷與卷取軸表面間的摩擦力，繼而增加了卷取軸所受的扭矩，因此卷取軸的直徑選取原則是在式（4）和式（5）計(jì)算得出的數(shù)值范圍內(nèi)盡量選取大一些的值［5］。

3.2.2 卷取軸危險(xiǎn)截面的確定

卷取軸在卷取過(guò)程中的受力屬于超靜定梁情形，其受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。把支座B作為多余約束，解除支座B的約束后，用力FRB代替，如圖4所示。為求解支座反力FRB，將卷取軸的受力簡(jiǎn)圖進(jìn)行分解，分別考慮壓力q（包括廢邊卷和壓輥重量）和支座反力FRB對(duì)卷取軸的作用，利用變形協(xié)調(diào)方程，使用積分法進(jìn)行求解。

圖3 卷取軸受力簡(jiǎn)圖

圖4 解除支座B后卷取軸受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)q單獨(dú)作用時(shí)，將卷取軸AD段分成AC和CD兩段來(lái)考慮，則支座D處的轉(zhuǎn)角θD1和B處的撓度（wB）q分別為：

其中：I為慣性矩，與材料截面尺寸有關(guān)。

當(dāng)q和FRB同時(shí)作用時(shí)，則由靜力平衡∑MA＝0和∑MB＝0可以作出卷取軸的剪力圖和彎矩圖，如圖5所示。

圖5 卷取軸的剪力圖和彎矩圖

彎矩圖5（b）中點(diǎn)E和點(diǎn)D兩處極大值ME（N·mm）和MD（N·mm）分別為：

3.3 廢邊卷取機(jī)功率計(jì)算

高強(qiáng)帶鋼廢邊卷取機(jī)傳動(dòng)功率與普通帶鋼相比要大很多，主要取決于卷取軸上的總靜力矩，其主要包括壓輥壓力作用在卷取軸上引起的力矩、卷取軸自重、高強(qiáng)帶鋼廢邊卷重量及壓輥壓力在卷取軸軸承處引起的力矩、使廢邊彎曲所需的彈塑性力矩，故總靜力矩M總（N·m）為：

其中：v為廢邊卷取線速度，m/min；η為傳動(dòng)效率，一般取0.86～0.9。

4 結(jié)束語(yǔ)

其中：R為高強(qiáng)帶鋼廢邊卷最大半徑，m；∑P為包括卷取軸自重、廢邊卷重量及壓輥壓力在卷取軸軸承處引起的反力，N；u為軸承處的摩擦因數(shù)；d為卷取軸軸承處的直徑，m；M彈塑為彎曲高強(qiáng)帶鋼廢邊所需的彈塑性力矩，N·m。則廢邊卷取機(jī)的傳動(dòng)功率N（kW）為：

本文通過(guò)對(duì)廢邊卷取機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的了解，設(shè)計(jì)了可用于卷取高強(qiáng)帶鋼廢邊的廢邊卷取機(jī)，它具有功率大、可靠性強(qiáng)、自動(dòng)化程度和安全性高等特點(diǎn)。本文有效可行的設(shè)計(jì)方案和思路，為今后廢邊卷取機(jī)的設(shè)計(jì)和改造提供了有價(jià)值的參考。

［1］冶金工業(yè)部武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院.板帶車(chē)間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.

［2］賀毓辛.冷軋板帶車(chē)間［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］薛培，劉熙明.錐形軸拔出式廢邊卷取機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.鞍鋼技術(shù)，1992（1）：8-11.

［4］鄒家祥.軋鋼機(jī)械［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［5］楚云凌，林紅.一種新型的自動(dòng)穿帶廢邊卷取機(jī)組［J］.冶金設(shè)備，2012（2）：50-53.