2400 mm鋁帶1+4熱連軋機(jī)組卷取機(jī)結(jié)構(gòu)及力能參數(shù)分析

高衛(wèi)軍

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618000)

卷取機(jī)是生產(chǎn)帶卷不可缺少的主要設(shè)備之一，本文介紹的卷取機(jī)位于鋁帶熱連軋精軋機(jī)的出口端，用于將被圓盤剪和碎邊剪切邊后的成品鋁帶卷成帶卷，便于存放和運(yùn)輸。生產(chǎn)實(shí)踐證明，卷取機(jī)的工作狀態(tài)直接影響連軋機(jī)生產(chǎn)能力的發(fā)揮。

1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)材料：1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX等系列的鋁合金

(2)成品尺寸：鋁帶厚度2 mm～10 mm；鋁帶寬度1200 mm～2100 mm；鋁卷內(nèi)徑?610 mm；鋁卷外徑?1200 mm～?2450 mm；鋁卷重量≤29.5 t

(3)最大卷取張力：25 t

(4)最大卷取速度：600 m/min

(5)卷筒直徑：?607 mm，漲縮范圍?580 mm～?6l0 mm

(6)卷筒長(zhǎng)度：2400 mm

(7)漲縮缸行程：90 mm

2 卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

卷取機(jī)主要由主傳動(dòng)裝置、卷取機(jī)本體、活動(dòng)外支撐及電氣控制元件等組成。卷取機(jī)本體又包括旋轉(zhuǎn)接頭、漲縮缸、卷筒及固定支撐卷筒的減速機(jī)等部分組成。

2.1 卷筒

卷筒是卷取機(jī)本體的重要核心部分，卷筒的好壞直接關(guān)系卷取機(jī)的工作穩(wěn)定性及鋁帶的卷取質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)的卷筒結(jié)構(gòu)為不帶鉗口的四棱錐式如圖1所示。

1—減速機(jī) 2—扇形板 3—芯軸 4—端頭 5—壓縮彈簧 6—壓蓋圖 1 卷筒結(jié)構(gòu)Figure 1 Drum structure

卷筒由帶四棱錐的芯軸、四個(gè)扇形板、滑板、壓縮彈簧、軸承等組成。

卷簡(jiǎn)直徑的變化是通過(guò)漲縮缸推動(dòng)帶四棱錐的芯軸作軸向移動(dòng)，依靠自潤(rùn)滑滑板斜面作用，使4個(gè)扇形板產(chǎn)生徑向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)卷筒直徑的漲縮。根據(jù)圖1中卷筒的狀態(tài)，當(dāng)芯軸向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷筒產(chǎn)生漲徑；芯軸向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷筒產(chǎn)生縮徑。由扇形板的結(jié)構(gòu)如圖2所示，卷筒脹開后，4個(gè)扇形板之間形成矩齒形結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這樣帶卷內(nèi)表面不至于出現(xiàn)壓痕，適合于帶材的卷取。卷筒的旋轉(zhuǎn)是由變頻交流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)來(lái)傳動(dòng)。

圖 2 扇形板結(jié)構(gòu)Figure 2 Fan-shaped plate structure

圖 3 卷筒扇形板的接口形式Figure 3 Interface type of fan-shaped plate of drum

芯軸斜面上的滑板采用的是自潤(rùn)滑材料，這樣就避免了采用干油潤(rùn)滑時(shí)，由于溫度高、漏油等因素造成的潤(rùn)滑脂溢出，落在鋁卷表面，影響鋁帶表面質(zhì)量。

2.2 減速機(jī)

減速機(jī)為一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，采用硬齒面，齒輪材質(zhì)為合金鍛鋼件，齒輪精度為6級(jí)。卷筒四棱錐芯軸是減速機(jī)的低速軸，大齒輪直接裝在卷筒四棱錐芯軸上。采用此結(jié)構(gòu)的減速機(jī)即完成了傳動(dòng)系統(tǒng)的減速和動(dòng)力傳動(dòng)，又起著固定支撐卷筒的作用，所以減速箱的箱體必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，以滿足卷取大張力的要求。并且為滿足重載、高速的要求，減速機(jī)的軸承及齒輪嚙合處采用稀油循環(huán)潤(rùn)滑，既能帶走軸承熱量又能沖走齒輪嚙合產(chǎn)生的鐵屑。

2.3 活動(dòng)外支撐

活動(dòng)外支撐在卷筒的頭部，用以支撐卷筒。避免卷筒由于張力較大、卷筒較長(zhǎng)，并且處于懸臂狀態(tài)工作導(dǎo)致的卷筒耷頭，有效地防止卷筒變形，保證卷取的最終質(zhì)量?；顒?dòng)外支撐由支座、液壓缸、支撐桿等部分組成。卷取完成時(shí)，活動(dòng)支撐的兩個(gè)支撐桿擺開，便于卸掉鋁卷。液壓缸固定在卷取機(jī)平臺(tái)支座上，用于旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的支撐桿。

2.4 卷取過(guò)程

卷取機(jī)卷筒為二級(jí)漲縮，鋁帶經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)夾送輥進(jìn)入助卷器與卷筒之間，開始卷取時(shí)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)漲縮，卷筒直徑為?607 mm。當(dāng)卷到3～5圈后，卷筒開始終漲，實(shí)現(xiàn)第二次擴(kuò)漲，卷筒直徑為?610 mm，在終漲的過(guò)程中，帶材逐漸被箍緊，當(dāng)卷筒與帶材的相對(duì)滑動(dòng)消失時(shí)，進(jìn)入恒張力卷取。此時(shí)，助卷器打開，靠卷筒單獨(dú)卷取，此時(shí)卷取速度與帶材的運(yùn)行速度相等。

3 卷取機(jī)的力能分析

3.1 卷取機(jī)電機(jī)功率的選擇

N=KTV/(1000×η)

式中，K值為考慮摩擦及塑性彎曲的影響系數(shù)，一般取K=1.1～1.2；T為鋁帶的卷取張力，單位為N；V為鋁帶的卷取速度，單位為m/s；η為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，一般取η=0.85～0.9；TV的值為各種工藝條件下，速度和張力乘積的最大值。

取電動(dòng)機(jī)額定功率P要大于N，為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，故選用低速電機(jī)。

3.2 卷筒直徑的選擇

卷筒直徑的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

(1)為避免鋁帶在卷取過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形，所以卷筒直徑不能太小。

(2)為避免卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2過(guò)大，影響其啟動(dòng)、制動(dòng)及動(dòng)平衡性，所以卷筒直徑不能太大。

(3)卷筒的設(shè)計(jì)必須滿足主要零部件的強(qiáng)度和剛度。

理論上，卷筒直徑的選擇以卷取過(guò)程中鋁帶內(nèi)層不產(chǎn)生塑性變形為原則。

以材料7A09為例，因?yàn)樗腅/σs值最小，所得的卷筒直徑最小。卷筒直徑與鋁帶力學(xué)性能、厚度的關(guān)系為：

D≥Ehmax/σs=72000×10/505=1425.74 mm

式中，D為卷筒直徑，單位mm；E為鋁帶的彈性模量，單位MPa；hmax為卷取鋁帶的最大厚度，單位mm；σs為鋁帶的屈服強(qiáng)度，單位MPa。

式中的計(jì)算結(jié)果非常大，而實(shí)際生產(chǎn)中所選用的卷筒直徑往往比計(jì)算所得的數(shù)值小。所以卷筒直徑的選擇應(yīng)理論結(jié)合實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)選擇卷筒直徑，取值為?610 mm。

3.3 卷筒漲縮時(shí)的受力分析

根據(jù)上述的卷筒結(jié)構(gòu)，卷筒漲縮是由漲縮缸驅(qū)動(dòng)帶四棱錐的芯軸，依靠斜面作用，使4個(gè)扇形板產(chǎn)生徑向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)機(jī)械原理可知，若斜角α小于滑動(dòng)面的摩擦角β時(shí)，即使卷筒上承受再大的徑向壓力，均不會(huì)使卷筒扇形板與四棱錐芯軸配合的斜面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，處于自鎖情況，此種狀態(tài)對(duì)卷筒受力極為不利，很容易使卷筒產(chǎn)生塑性變形。

所以我們?cè)O(shè)計(jì)的卷筒是取值α>β的“縮徑卷筒”?；瑒?dòng)面的摩擦角即自鎖角β一般取7°～8°。當(dāng)摩擦表面的摩擦力和軸向漲縮缸的推力之和小于卷筒徑向壓力時(shí)，卷筒扇形板與四棱錐芯軸的接觸表面就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3.3.1 卷筒的徑向壓力

卷取機(jī)卷取工作時(shí)，卷筒所受的徑向壓力為：

式中，σ0為鋁帶卷取的單位張力，σ0=T/Bh，單位kN/mm2；f為鋁帶層與層之間的摩擦系數(shù)，取f=0.12；R為鋁卷外半徑，單位mm；r1為卷筒外半徑，單位mm。

縮徑時(shí)，卷筒壓力系數(shù)k為：

式中，c=1.35。

3.3.2 扇形板支反力

四棱錐卷筒受力圖如圖4所示。扇形板支反力為：

式中，B為鋁帶寬度，單位mm；d為卷筒直徑，單位mm。

圖4 四棱錐卷筒受力圖Figure 4 Force diagram of rectangular pyramid

3.3.3 四棱錐芯軸的軸向受力

卷筒工作時(shí)，卷筒四棱錐芯軸及扇形板的受力分析如圖5所示。此時(shí)卷筒受力達(dá)到平衡狀態(tài)，方程式為：

-P1+Ncosα+fNsinα=0(1)

F+4fNcosα-4Nsinα=0(2)

由式(1)、(2)可得：

圖5 卷筒四棱錐芯軸及扇形板的受力分析Figure 5 Force diagram of mandril of rectangularpyramid and fan-shaped plate

式中，f為斜面上的摩擦系數(shù)，f=0.1；α為四棱錐軸卷筒芯軸斜面的斜角，芯軸的斜角取tanα=1/5=0.2，即α=11.31°。

3.3.4 漲縮缸的選擇

漲縮缸活塞直徑的選擇要按照“頂?shù)镁o”的原則進(jìn)行選擇，即漲縮缸所需軸向力Q應(yīng)大于F。

漲縮缸直徑的選擇有兩種情況：

(1)活塞側(cè)進(jìn)油脹徑時(shí)，漲縮缸直徑為：

(3)

(2)活塞桿側(cè)進(jìn)油脹徑時(shí)，漲縮缸直徑為：

(4)

式中，Dg為漲縮缸活塞直徑，單位mm；Q為漲縮缸最大平衡力，單位N；P0為液壓系統(tǒng)工作壓力，單位N/mm2；dg為漲縮缸活塞桿直徑，單位mm；η為漲縮缸效率，可取值0.95。

本次設(shè)計(jì)的卷筒為活塞桿側(cè)進(jìn)油漲徑，故本漲縮缸選用公式(4)來(lái)計(jì)算其活塞直徑。

4 結(jié)論

本文分析了鋁帶熱軋卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合相應(yīng)的理論計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)卷取機(jī)。由于卷取速度快，為了使卷取機(jī)在加減速、啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)反應(yīng)靈敏，要求設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)平衡好，而且應(yīng)理論結(jié)合實(shí)際。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)中現(xiàn)有的卷筒結(jié)構(gòu)、性能、參數(shù)、制造情況、使用情況等實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是我們選擇結(jié)構(gòu)型式和卷筒直徑的重要依據(jù)。

[1] 鄒家祥. 軋鋼機(jī)械(第三版)[M]. 冶金工業(yè)出版社，2000.

[2] 周國(guó)盈. 帶鋼精整設(shè)備[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 王海文. 軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，l983.