懸臂式卷筒的頭部支承研究與應(yīng)用

彭鐵輝，王 雷，羅志仁

(泰爾重工股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

開卷機(jī)用于將安裝在卷筒上的鋼卷展開成平面運(yùn)動(dòng)的帶鋼，卷取機(jī)用于將平面運(yùn)動(dòng)的帶鋼在卷筒上卷取成卷。開卷機(jī)、卷取機(jī)廣泛采用懸臂式卷筒結(jié)構(gòu)，對(duì)于板帶寬度超過1 m的生產(chǎn)線，通常在卷筒懸臂端還會(huì)增加活動(dòng)支撐，用于支撐卷筒懸臂端的頭部支承。

板帶生產(chǎn)工序主要包括熱軋、酸洗、冷軋、退火、平整、剪切等生產(chǎn)線，不同鋼廠的軋制工藝路線會(huì)略有區(qū)別，還存在酸軋聯(lián)合機(jī)組、脫脂、鍍鋅、彩涂等生產(chǎn)線。不同的生產(chǎn)線根據(jù)卷筒工作環(huán)境、卷取張力及卷筒外徑等區(qū)別會(huì)選用不同結(jié)構(gòu)形式的卷筒，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為連桿-柱塞式、斜楔閉式、斜楔開式、棱錐套式、棱錐軸式等型式卷筒。卷筒頭部支承根據(jù)安裝方式可分為分體式和一體式卷筒。

分體式卷筒的頭部支承安裝在端軸上，端軸通過螺栓與主軸相連接。分體式卷筒多應(yīng)用在連桿-柱塞式卷筒、斜楔開式和斜楔閉式卷筒結(jié)構(gòu)中。

一體式卷筒的頭部支承直接安裝在卷筒主軸末端。一體式卷筒多應(yīng)用在棱錐軸式和棱錐套式卷筒結(jié)構(gòu)中，卷筒主軸設(shè)計(jì)為通軸，在頭部支承和脹縮部分之間無螺栓連接，避免了螺栓松動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，提高了卷筒使用可靠性。

本文根據(jù)不同型式卷筒的頭部支承結(jié)構(gòu)，對(duì)頭部支承進(jìn)行受力分析，優(yōu)化頭部支承結(jié)構(gòu)，改善卷筒使用性能。

1 連桿-柱塞式卷筒

連桿-柱塞式卷筒主要應(yīng)用在熱軋板帶生產(chǎn)線地下卷取機(jī)上，結(jié)構(gòu)如圖1所示。卷筒主軸和端軸連接處采用內(nèi)、外止口配合，主軸末端設(shè)計(jì)帶圓形凹槽，端軸設(shè)計(jì)帶圓形凸臺(tái)，并通過聯(lián)接螺栓將兩個(gè)零件連在一起，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 連桿-柱塞式卷筒立體圖

圖2 優(yōu)化前卷筒頭部支承結(jié)構(gòu)立體圖

卷筒脹大時(shí)，脹縮油缸帶動(dòng)芯軸在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動(dòng)，芯軸上的楔形面通過柱塞推動(dòng)扇形板徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒脹大；縮小時(shí)，由芯軸通過連桿將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒縮小。

熱軋卷筒高速卷取帶鋼，帶頭以約10 m/s的速度進(jìn)入卷取機(jī)，帶頭對(duì)卷筒會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，使卷筒產(chǎn)生一定的振動(dòng)。卷筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，連接主軸和端軸的止口配合處會(huì)產(chǎn)生交變擠壓力，止口配合間隙會(huì)隨著卷筒使用時(shí)間的增加而變大，且卷筒承受沖擊及振動(dòng)，主軸止口根部易產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋形式如圖3所示。主軸止口產(chǎn)生裂紋后強(qiáng)度降低，連接螺栓受力會(huì)發(fā)生變化，會(huì)承受一定的彎曲力和沖擊力，安裝在螺栓上固定端軸的螺母易發(fā)生松動(dòng)，螺母松動(dòng)后，螺栓受力不均衡，螺栓易發(fā)生斷裂故障，從而影響卷筒一次上機(jī)卷鋼量。

圖3 主軸端面止口槽

優(yōu)化后的頭部支承和主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)采用封閉式的主軸結(jié)構(gòu)，連接螺栓由8-M48改為24-M30，螺栓受力更均勻。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，主軸末端強(qiáng)度提高，主軸和端軸配合處的內(nèi)、外止口均為完整的圓面，改善了主軸端部受力，可提高主軸的使用壽命，也提高了卷筒的使用可靠性。

圖4 優(yōu)化后卷筒頭部支承立體圖

2 斜楔開式卷筒

斜楔開式卷筒主要由主軸、扇形板、斜楔、拉桿、端軸、十字頭、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。卷筒結(jié)構(gòu)如圖5所示(后續(xù)卷筒主視圖上傳動(dòng)端的大軸承、齒輪和脹縮油缸等零件不再示出)。斜楔開式卷筒的斜楔帶上、下勾頭，斜楔安裝時(shí)需要從主軸末端滑入主軸T形槽內(nèi)，主軸末端開槽后通常分成四個(gè)扇形塊，通過8個(gè)螺栓將端軸固定在主軸上。

圖5 斜楔開式卷筒

卷筒脹大時(shí)，脹縮油缸帶動(dòng)拉桿在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動(dòng)，安裝在拉桿上的十字頭推動(dòng)軸向斜楔在主軸的軸向槽內(nèi)移動(dòng)，軸向斜楔的楔形面推動(dòng)扇形板徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒脹大，卷筒縮小時(shí)由斜楔上的勾頭將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動(dòng)、實(shí)現(xiàn)卷筒縮小。

卷筒主軸和端軸連接處采用內(nèi)、外止口配合，結(jié)構(gòu)如圖6所示，主軸末端設(shè)計(jì)帶圓形凸臺(tái)，端軸設(shè)計(jì)帶圓形凹槽，該連接結(jié)構(gòu)的受力和連桿-柱塞式卷筒結(jié)構(gòu)相似，由于冷軋卷筒使用周期比熱軋卷筒更長(zhǎng)，卷筒長(zhǎng)時(shí)間使用后，也會(huì)存在螺栓松動(dòng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生螺栓斷裂的故障。

圖6 斜楔開式卷筒1頭部支承立體圖

針對(duì)分體式斜楔開式卷筒優(yōu)化的頭部支承結(jié)構(gòu)如圖7所示，在主軸上開口的扇形塊處增加的T形塊，用于將開口的主軸末端連成閉式結(jié)構(gòu)，增加了止口配合處的接觸面積，并增加了8個(gè)連接螺栓，改善螺栓受力，增加T形塊后，主軸端部增大了向外的拉力，為改善主軸端部受力，將主軸的螺紋孔加深，優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 斜楔開式卷筒2頭部支承立體圖

圖8 螺紋沉入結(jié)構(gòu)

3 斜楔閉式卷筒

斜楔閉式卷筒主要由主軸、扇形板、軸向斜楔、徑向斜楔、拉桿、端軸、十字頭、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。斜楔閉式卷筒通常采用分體式結(jié)構(gòu)，如圖9所示，端軸通過8個(gè)螺栓與主軸相連接。

圖9 分體式斜楔閉式卷筒

卷筒脹大時(shí)，脹縮油缸帶動(dòng)拉桿在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動(dòng)，安裝在拉桿上的十字頭推動(dòng)軸向斜楔在主軸的軸向槽內(nèi)移動(dòng)，軸向斜楔的楔形面推動(dòng)徑向斜楔徑向運(yùn)動(dòng)，徑向斜楔在向外擴(kuò)脹的同時(shí)推動(dòng)扇形板向外運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒脹大，卷筒脹到最大時(shí)(工作位置)扇形板和徑向斜楔在外圓方向形成一個(gè)封閉的整圓；卷筒縮小由安裝在扇形板內(nèi)的壓縮彈簧釋放壓力來實(shí)現(xiàn)。

分體式斜楔閉式卷筒使用過程中，端軸和主軸配合的止口受力形式和斜楔開式卷筒相似，卷筒在使用一定周期后，也會(huì)發(fā)生連接端軸和主軸的螺栓松動(dòng)的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生螺栓斷裂的故障。

采用一體式設(shè)計(jì)斜楔閉式卷筒結(jié)構(gòu)如圖10所示，頭部軸承及支撐套直接安裝在主軸末端，一體式設(shè)計(jì)的卷筒主軸為通軸，主軸上的3個(gè)軸承安裝圓面可一次裝夾、磨削成形，保證了軸承安裝面圓柱度，能提高頭部支承的圓跳動(dòng)，改善頭部支承受力，也提高了卷筒使用的可靠性。

圖10 一體式斜楔閉式卷筒

主軸設(shè)計(jì)為通軸后，連接軸向斜楔和拉桿的十字頭不能直接從主軸末端安裝，為了將十字頭安裝到拉桿上，在主軸上開了一個(gè)方形槽，十字頭插入主軸槽后再旋轉(zhuǎn)90°，再將拉桿穿過十字頭內(nèi)孔，從而將十字頭安裝在拉桿上。為保證加工了安裝槽的主軸強(qiáng)度，十字頭設(shè)計(jì)得較薄，便于十字頭穿過安裝槽，為保證十字頭的強(qiáng)度，在十字頭兩端安裝了支撐板1和支撐板2，通過螺母將十字頭和兩塊支撐板緊密貼合在一起，提高十字頭的強(qiáng)度。頭部支承連接處內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 一體式斜楔閉式卷筒頭部支承立體圖

4 棱錐套式卷筒

棱錐套式卷筒主要由主軸、棱錐套和扇形板、拉桿、扁鍵、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。

棱錐套式卷筒多采用一體式卷筒結(jié)構(gòu)，卷筒結(jié)構(gòu)如圖12所示，棱錐套安裝在主軸上，可在主軸外圓上滑動(dòng)，主軸上開有腰形槽，用于安裝扁鍵，扁鍵將棱錐套和拉桿連成一體。卷筒脹大時(shí)，脹縮油缸通過連接的拉桿、扁鍵帶動(dòng)棱錐套在主軸上軸向運(yùn)動(dòng)，棱錐套的楔形面推動(dòng)扇形板徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒脹大，卷筒縮小時(shí)由棱錐套上的勾頭將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒縮小。

圖12 棱錐套式卷筒1

由于扁鍵要穿過拉桿，開有槽的拉桿強(qiáng)度會(huì)有一定降低，且扁鍵要穿過主軸連接拉桿和棱錐套，因此，扁鍵設(shè)計(jì)成長(zhǎng)腰形，能提高扁鍵的強(qiáng)度，同時(shí)減小鍵槽在拉桿上的橫截面積，提高拉桿強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)可通過有限元分析來優(yōu)化扁鍵和拉桿腰形槽尺寸。

當(dāng)拉桿尺寸受限，拉桿上不適合開腰形槽時(shí)，可采用圖13所示卷筒結(jié)構(gòu)，拉桿通過滑套與棱錐套相連接，頭部軸承安裝在端軸套上，端軸套通過兩個(gè)銷軸固定在主軸上。卷筒脹縮時(shí)，拉桿通過滑套帶動(dòng)棱錐套在主軸上軸向移動(dòng)，滑套同時(shí)在端軸套內(nèi)孔中軸向移動(dòng)，該結(jié)構(gòu)使拉桿上不需要開腰形槽，保證了拉桿的強(qiáng)度。

圖13 棱錐套式卷筒2

5 棱錐軸式卷筒

棱錐軸式卷筒主要由棱錐軸、空心軸套、扇形板、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。

棱錐軸式卷筒多采用一體式卷筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖14所示。棱錐軸安裝在空心軸套內(nèi)，在脹縮油缸的帶動(dòng)下可在空心軸套內(nèi)軸向移動(dòng)，棱錐軸楔形面上安裝有T形鍵。卷筒脹大時(shí)，脹縮油缸帶動(dòng)棱錐軸進(jìn)行軸向移動(dòng)，棱錐軸楔形面推動(dòng)扇形板徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒脹大，卷筒縮小時(shí)由安裝在棱錐軸上的T形鍵將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒縮小。

圖14 棱錐軸式卷筒1

卷筒脹縮過程中，頭部支承套會(huì)隨著棱錐軸的軸向移動(dòng)而移動(dòng)，活動(dòng)支撐一般設(shè)計(jì)成滾輪結(jié)構(gòu)，以減小支承套軸向移動(dòng)時(shí)與活動(dòng)支撐的阻力。由于棱錐軸式卷筒剛性較好，該形式卷筒多用于大張力卷取機(jī)，如可逆軋機(jī)組、森基米爾軋機(jī)組，卷筒承受較大的張力，活動(dòng)支撐與卷筒頭部支承接觸處設(shè)計(jì)成軸瓦型式或全封閉套型式更利于頭部支承受力，此時(shí)需要保證頭部支承軸向不產(chǎn)生位移，可采用圖15所示卷筒結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)卷筒的端軸套安裝在主軸上，并通過螺栓及銷套將端軸套軸向固定在扇形板端面上，支承套和頭部軸承安裝在端軸套上，從而保證支承套在卷筒脹縮時(shí)不會(huì)產(chǎn)生軸向位移。

圖15 棱錐軸式卷筒2

6 結(jié)束語

頭部支承分體式結(jié)構(gòu)卷筒可通過優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)來提升卷筒使用性能，頭部支承一體式結(jié)構(gòu)卷筒能提升卷筒頭部支承的圓跳動(dòng)，改善卷筒受力，且不會(huì)隨著卷筒多次拆裝而降低頭部支承精度，更利于卷筒的使用和維護(hù)，在卷筒設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮采用頭部支承一體式卷筒結(jié)構(gòu)。