銅帶精軋機(jī)立式自復(fù)位皮帶助卷器的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

謝 磊，計(jì) 江，閆成琨，師浩浩，孫紅剛

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

在銅帶精軋機(jī)組薄帶軋制生產(chǎn)中，當(dāng)帶材的厚度T薄到≤0.4 mm時(shí)，需要采用卷取機(jī)帶套筒方式軋制，使用皮帶助卷裝置輔助帶材頭部緊密的纏繞在套筒上，當(dāng)帶材頭部纏繞套筒若干圈并能承受一定的張緊力后，助卷器就可退出軋制過(guò)程。

目前在銅帶精軋機(jī)組上配置較多的有臥式皮帶助卷裝置和擺臂式皮帶助卷裝置，臥式皮帶助卷裝置因其占用車間場(chǎng)地大，在銅帶軋機(jī)中使用越來(lái)越少；擺臂式皮帶助卷裝置在不參與助卷時(shí)需依靠液壓缸的推力實(shí)現(xiàn)復(fù)位，即保持在退出位置，一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或生產(chǎn)車間停電時(shí)容易產(chǎn)生生產(chǎn)事故。

為了使助卷設(shè)備既能占用空間小，又能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種銅帶精軋機(jī)立式自復(fù)位的皮帶助卷器。

1 設(shè)備組成及工作原理

如圖1所示為立式自復(fù)位皮帶助卷器立面示意圖，立式自復(fù)位皮帶助卷器主要由立式架體、配重、升降液壓缸、鏈輪架和鏈條組成。立式架體是一個(gè)焊接方箱結(jié)構(gòu)，方箱內(nèi)部為空腔，豎直的固定安裝在卷取機(jī)減速箱上。配重是由一定數(shù)量和一定重量的鑄鋼件矩形塊豎直疊加組成，放置在方箱內(nèi)部，可以沿著豎直的方箱上下運(yùn)動(dòng)。升降液壓缸是鉸接的液壓缸，鉸接底座固定在立式架體上，缸頭與助卷架相接。鏈輪架由鏈輪架體和兩個(gè)鏈輪組成，鏈輪架體固定安裝在立式架體的頂面，兩個(gè)鏈輪通過(guò)輪軸安裝在鏈輪架體上，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。鏈條擔(dān)在兩個(gè)鏈輪上，一端連接配重，另一端連接助卷架，可以在鏈輪上靈活滑動(dòng)。

圖1 立式自復(fù)位皮帶助卷器立面示意圖

如圖2所示為立式自復(fù)位皮帶助卷器K向示意圖，設(shè)備主要由張緊氣缸、助卷架、張緊臂皮帶、抱臂和抱臂氣缸組成。架體靠助卷架的一側(cè)有豎直的滑動(dòng)軌道，張緊氣缸是鉸接結(jié)構(gòu)的氣缸，鉸接底座固定在助卷架上，缸頭與張緊臂相接，助卷架是由焊接結(jié)構(gòu)的架體和若干組皮帶輥組成，與液壓缸的缸頭和鏈條相連。助卷架上帶有滑塊，安裝在立式架體的滑動(dòng)軌道上，使助卷架可以沿著立式架體的軌道上下靈活滑動(dòng)，皮帶輥是鋼輥，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。張緊臂由焊接架體和一個(gè)張緊輥組成，可以沿著助卷架內(nèi)部的軌道上下滑動(dòng)，皮帶是一整張無(wú)頭皮帶，按如圖2所示纏繞在皮帶輥和張緊輥上。抱臂由焊接的架體和若干皮帶輥組成，抱臂鉸接在助卷架上，可以繞著鉸接軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輥是鋼輥，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。抱臂氣缸是鉸接結(jié)構(gòu)的氣缸，鉸接底座固定在助卷架上，缸頭與抱臂相接。配重的重量大于張緊氣缸，助卷架、張緊臂、皮帶、抱臂和抱臂氣缸所疊加后的總重量，使得液壓缸不工作時(shí)，在抱臂打開(kāi)后的自然狀態(tài)下，助卷架總是被配重在鏈條的拖拽下，自動(dòng)處于其最上位，即助卷器處于復(fù)位位置。

圖2 立式自復(fù)位皮帶助卷器K向示意圖

助卷架的初始位置是在卷筒上方，其最下側(cè)與卷筒中心的距離需大于最大銅卷半徑。此位置被稱為助卷架的最上位，即復(fù)位位置。抱臂的初始位置是在抱臂打開(kāi)位。在銅帶精軋機(jī)組帶套筒軋制時(shí)，助卷架在液壓缸的推動(dòng)下，沿著立式架體的滑動(dòng)軌道向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)工作位，此時(shí)狀態(tài)如圖3所示。抱臂在抱臂氣缸的推動(dòng)下，到達(dá)抱臂抱緊位，張緊臂在張緊氣缸的推動(dòng)下，將皮帶張緊，此時(shí)狀態(tài)如圖4所示。帶材頭部沿著如圖4所示與套筒外表面相切的方向進(jìn)入助卷器，在張緊的皮帶的包裹下，帶材頭部緊密的纏繞到套筒上，當(dāng)帶材纏繞到套筒上3～5圈后，助卷過(guò)程結(jié)束。此時(shí)帶材與套筒之間的摩擦力可以保證帶材在張力作用下不發(fā)生打滑。抱臂在抱臂氣缸的推動(dòng)下，到達(dá)抱臂打開(kāi)位，助卷架在配重的自重作用以及在液壓缸的推動(dòng)下，立式機(jī)架沿著立式架體的滑動(dòng)軌道向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)復(fù)位位置。

圖3 立式自復(fù)位皮帶助卷器抱臂打開(kāi)示意圖

圖4 立式自復(fù)位皮帶助卷器助卷態(tài)示意圖

在正常軋制過(guò)程中，由于配重的重量要大于張緊氣缸、助卷架、張緊臂皮帶、抱臂和抱臂氣缸所疊加后的總重量，這使得液壓缸不工作時(shí)，在抱臂打開(kāi)后的自然狀態(tài)下，助卷架總是被配重在鏈條的拖拽下，自動(dòng)處于其最上位，即助卷器處于復(fù)位位置。使得軋制生產(chǎn)過(guò)程安全性可靠。

2 立式自復(fù)位皮帶助卷器的皮帶輥配置方法

立式自復(fù)位皮帶助卷器的皮帶在助卷架內(nèi)部需要使用若干皮帶輥進(jìn)行支撐，使得助卷時(shí)的皮帶能形成一定的形狀與角度，方便帶材頭部能順利的進(jìn)入皮帶助卷器，從而緊密的纏繞在套筒上。合理的配置皮帶輥可以使整個(gè)助卷過(guò)程高效而便捷。

助卷架內(nèi)部的皮帶輥配置如圖4所示，其中皮帶張緊輥、固定皮帶輥(二)、抱臂皮帶輥、抱臂助卷輥、固定助卷輥均布置在皮帶所圍繞成的封閉區(qū)域的內(nèi)側(cè)。固定皮帶輥(一)、絞軸輥布置在皮帶所圍繞成的封閉區(qū)域的外側(cè)。皮帶張緊輥布置在固定皮帶輥(一)和固定助卷輥之間的上方，在助卷時(shí)皮帶張緊輥豎直升到最上位，以張緊皮帶。固定皮帶輥(一)、固定皮帶輥(二)布置在套筒的左上方靠近套筒的位置，絞軸輥布置在套筒的左側(cè)，抱臂皮帶輥布置在套筒的左下方靠近套筒的位置，固定皮帶輥(一)、固定皮帶輥(二)、絞軸輥、抱臂皮帶輥的布置方式在皮帶助卷器助卷時(shí)起到分離內(nèi)層與外層皮帶，使皮帶在輥?zhàn)犹幮纬砂?，從而穩(wěn)定皮帶的作用。抱臂助卷輥布置在套筒的右下側(cè)，使得張緊后的皮帶與帶材形成角度β，固定助卷輥布置在套筒的右側(cè)，使得張緊后的皮帶與帶材形成角度θ。

合理設(shè)計(jì)角度β可以保證帶材頭部初次進(jìn)入時(shí)能順利的進(jìn)入皮帶助卷器，而合理設(shè)計(jì)角度θ可以保證帶材纏繞到套筒的第二圈時(shí)帶材頭部能順利的進(jìn)入皮帶助卷器，從而緊密的纏繞在套筒上。合理的角度β和θ并不能通過(guò)計(jì)算得出，而要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定，表1、表2為所做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，其中T表示帶材頭部能夠順利進(jìn)入助卷器中，F(xiàn)表示帶材頭部沒(méi)有進(jìn)入助卷器。由表1可知，角度β≤20°時(shí)，帶材頭部初次進(jìn)入皮帶助卷器時(shí)能順利的纏繞到套筒上.由表2可知，角度θ在≥110°時(shí)，帶材纏繞到套筒的第二圈時(shí)帶材頭部能順利的進(jìn)入皮帶助卷器。

表1 β在不同角度值時(shí)帶材助卷情況

表2 θ在不同角度值時(shí)帶材助卷情況

如圖4所示，皮帶助卷器抱臂打開(kāi)態(tài)時(shí)，絞軸輥和固定助卷輥的布置位置可以保證助卷架順利上升到非工作位置而不碰到卷筒。

3 助卷器皮帶張緊力的計(jì)算

立式自復(fù)位皮帶助卷器的皮帶張緊力由張緊氣缸提供，用于在助卷時(shí)將皮帶張緊，從而將帶材緊緊纏繞在套筒上，帶材在助卷皮帶的張緊力作用下包繞于卷筒時(shí)必然產(chǎn)生彈塑性變形。助卷器皮帶的受力分析如圖5所示。

圖5 皮帶助卷器受力分析

帶材的彎曲力矩

M=M1+M2

式中，M1為帶材在彈性區(qū)域產(chǎn)生的力矩;M2為帶材在塑性區(qū)域產(chǎn)生的力矩；σs為帶材的屈服強(qiáng)度；b為帶材的寬度；h1為帶材彈性區(qū)厚度；ρ為帶材中性層的曲率半徑;E為帶材的彈性模量；R為卷筒半徑；h為銅帶厚度。

整理得

(1)

由于卷筒半徑R遠(yuǎn)大于銅帶厚度h，因此在受力分析時(shí)銅帶厚度h忽略不計(jì)。此計(jì)算還忽略了皮帶各處的張力損失，認(rèn)定皮帶張力T處處相等。受力分析如圖5所示。

皮帶產(chǎn)生的力矩Mp=TLcosα

α=90°-θ1-θ2

整理得

(2)

皮帶助卷器的正常工作條件是皮帶張力產(chǎn)生的彎曲力矩必須大于銅帶的彎曲力矩，即Mp≥M，因此我們通過(guò)計(jì)算式(1)、式(2)即可確定助卷器所需的皮帶張緊力。

4 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

目前本論文所設(shè)計(jì)的立式自復(fù)位皮帶助卷器已成功應(yīng)用在了由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司為安徽楚江科技新材料股份有限公司總成套的800 mm六輥可逆銅帶精軋機(jī)組上，如圖6所示為皮帶助卷器在使用現(xiàn)場(chǎng)情況，此時(shí)助卷器處在助卷位，其抱臂抱緊卷筒。本助卷器在使用過(guò)程中，助卷效果好，使用操作安全，占用場(chǎng)地空間小，得到了用戶的肯定。

圖6 立式自復(fù)位皮帶助卷器應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)照片

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的立式自復(fù)位皮帶助卷器，其架體豎直安裝在卷取機(jī)箱體上，不占用地面基礎(chǔ)空間，結(jié)構(gòu)緊湊，通過(guò)對(duì)皮帶助卷器施加配重，使得皮帶助卷器在自然狀態(tài)下總是自動(dòng)處于復(fù)位位置，大大提高了軋制生產(chǎn)過(guò)程的安全性，具有良好的應(yīng)用推廣前景，已在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)發(fā)明專利。