承鋼CPL卷取機(jī)卷筒設(shè)計(jì)優(yōu)化

王超 欒英偉 王偉

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司 河北承德067000）

1 前言

帶鋼卷取機(jī)是軋鋼生產(chǎn)線上的一種常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于軋鋼、酸洗、脫脂、連退、平整、縱剪、重卷、鍍鋅、鍍錫等生產(chǎn)線。卷筒作為開、卷取機(jī)的核心零部件，決定了開、卷取機(jī)的適用范圍、運(yùn)行穩(wěn)定性、壽命及維修周期等；因此卷筒的結(jié)構(gòu)及形式優(yōu)良與否，在很大程度上影響了開、卷取機(jī)的整體穩(wěn)定性及使用壽命。

目前承德鋼鐵集團(tuán)擁有國內(nèi)首條8mm板厚的高強(qiáng)連續(xù)酸洗線，此酸洗線卷取機(jī)卷筒［1］采用了四斜楔＋周向機(jī)械鉗口的結(jié)構(gòu)；與同類卷筒相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，制造難度大；但具有高效率、大張力、張力及鉗口夾緊力皆可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。承鋼酸洗產(chǎn)品大綱厚度1.0mm～8mm、帶寬900mm～1630mm，最高強(qiáng)度980MPa，產(chǎn)品種類多，厚度和強(qiáng)度跨度范圍特別大，此卷筒在線工作正常，滿足生產(chǎn)大綱中所有帶鋼的生產(chǎn)需求。

2 卷筒結(jié)構(gòu)原理

在討論卷筒的結(jié)構(gòu)及原理之前，要先了解常見的卷取機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，卷取機(jī)主要由卷筒、減速箱、底座、主電機(jī)、對中油缸、外支撐等幾大部分組成。底座及箱體主要起承載卷筒本體及承受載荷的作用；主電機(jī)是卷筒旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來源；對中油缸主要作用為調(diào)節(jié)箱體位置，保證帶鋼中心線對準(zhǔn)機(jī)組中心線；外支撐主要是在卷取帶鋼支撐卷筒頭部，使卷筒在工作時(shí)具有足夠的剛度，同時(shí)也可以克服張力和卷重對卷筒的影響；卷筒尾端的漲縮液壓缸通過軸向運(yùn)動(dòng)控制卷筒徑向的漲大與縮小，主電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)帶鋼的卷取過程。

圖1 卷取機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1-卷筒；2-減速箱；3-固定底座；4-主電機(jī)；5-對中油缸

2.1 卷筒組成結(jié)構(gòu)

如圖2所示，卷筒主要由主軸、拉桿、延伸軸、斜楔、扇形板［2］、頭部支撐部件、鉗口部件、十字塊、夾緊筒、碟簧組件等零部件構(gòu)成。主軸前半部分為空心四棱結(jié)構(gòu)，后半部分為空心臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)；拉桿穿入主軸內(nèi)部圓孔中，并可由油缸驅(qū)動(dòng)相對主軸做軸向運(yùn)動(dòng)；延伸軸通過螺栓固定于主軸端部；斜楔通過十字塊連接于拉桿上并隨拉桿做軸向運(yùn)動(dòng)；扇形板安裝于斜楔上，斜楔的軸向運(yùn)動(dòng)通過斜面轉(zhuǎn)化為扇形板的徑向移動(dòng)；頭部支撐部件安裝于延伸軸端部；鉗口座及鉗口夾板為斜面配合結(jié)構(gòu)，安裝于鉗口扇形板外圓面凹槽處；十字塊及夾緊筒安裝于拉桿前端，并通過螺母固定在拉桿上；碟簧組件安裝于夾緊筒內(nèi)部。

圖2 卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 卷筒工作原理

以圖2為例，卷筒工作時(shí)，脹縮油缸通過拉桿帶動(dòng)斜楔在主軸的凹槽內(nèi)向右做軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過斜楔斜面結(jié)構(gòu)使扇形板向上做徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒的漲大，同時(shí)拉桿通過碟簧組件帶動(dòng)夾緊筒向右做軸向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)鉗口座作軸向運(yùn)動(dòng)，通過斜面結(jié)構(gòu)使鉗口夾板做沿卷筒外圓圓周切線方向的運(yùn)動(dòng)（后續(xù)簡稱周向運(yùn)動(dòng)），實(shí)現(xiàn)鉗口的夾緊，“咬”住帶鋼頭部，主電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行帶鋼的卷取，此為卷筒的漲大及鉗口夾緊過程；卷取一卷帶鋼完成后，脹縮油缸通過拉桿帶動(dòng)斜楔向左做軸向運(yùn)動(dòng)，使扇形板向下做徑向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卷筒的縮徑，同時(shí)拉桿帶動(dòng)夾緊筒向左做軸向運(yùn)動(dòng)，使鉗口的張開，方便帶卷脫卷，在推板裝置與卸卷小車的同步作用下，將帶卷順利移出，完成了一卷帶鋼的卷取過程。

3 卷筒主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢

本文所述卷筒在結(jié)構(gòu)形式上屬于四斜楔結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、精度要求較高，加工制造難度較大，但也有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢及特點(diǎn)，現(xiàn)列如下。

3.1 鉗口結(jié)構(gòu)

鉗口裝置是卷筒重要組成部份，結(jié)構(gòu)合理的鉗口裝置應(yīng)具有夾緊力均勻、不打滑；運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)；且要求維護(hù)檢修方便，互換性強(qiáng)；同時(shí)對帶鋼內(nèi)層的影響盡可能小。

目前常見的鉗口結(jié)構(gòu)，為了便于加工鉗口油缸座孔及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，常將固定鉗口條（一）及固定鉗口條（二）設(shè)置為單獨(dú)的零件，并通過螺栓連接到扇形板上，如圖3所示；此種結(jié)構(gòu)在卷筒工作時(shí)，作用在固定鉗口條（一）上的鉗口夾緊力會(huì)使此鉗口條的把合螺栓承受較大的周期性變載荷拉應(yīng)力，易引起螺栓的變形、松動(dòng)甚至斷裂。進(jìn)而導(dǎo)致鉗口的變形卡死或夾不住鋼。

圖3 鉗口結(jié)構(gòu)示意圖

本文所述卷筒鉗口為周向鉗口結(jié)構(gòu)，鉗口座及鉗口夾板安裝于鉗口扇形板的外圓凹槽處，通過斜面滑動(dòng)將鉗口座的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鉗口夾板的周向運(yùn)動(dòng)，如圖4所示；此結(jié)構(gòu)鉗口相當(dāng)于將圖3中的扇形板及固定鉗口條（一）合并為一個(gè)整體的零件，取消了承受周期性變載荷拉應(yīng)力的把合螺栓，原螺栓拉應(yīng)力被扇形板承擔(dān)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，有效解決了把合螺栓變形、松動(dòng)甚至斷裂導(dǎo)致鉗口失效的問題，且加裝了不同厚度的、可以定期拆卸更換的鉗口條，可卷取不同厚度規(guī)格的帶鋼，定期拆卸更換的鉗口條也大大增加了整個(gè)鉗口部件的使用壽命。

圖4 鉗口結(jié)構(gòu)示意圖

由于本結(jié)構(gòu)扇形板上的外圓凹槽徑向深度較淺，無需加工常見結(jié)構(gòu)的較深的徑向鉗口油缸孔，因此本結(jié)構(gòu)的扇形板徑向尺寸可以做的更小、更薄，在同樣卷徑的前提下，主軸直徑更大，可以提高卷筒的整體剛度，更好的克服張力和卷重對卷筒的影響。

3.2 調(diào)節(jié)鉗口夾緊力的碟簧組件

就卷取機(jī)卷筒的驅(qū)動(dòng)形式來分，一般分為機(jī)械鉗口和液壓鉗口兩大類；機(jī)械鉗口即為通過機(jī)械零件之間的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉗口夾緊及張開的鉗口結(jié)構(gòu)，液壓鉗口即為通過液壓實(shí)現(xiàn)鉗口夾緊及張開的鉗口結(jié)構(gòu)。

這兩種結(jié)構(gòu)的鉗口分別有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺陷，機(jī)械鉗口運(yùn)行穩(wěn)定、傳動(dòng)可靠，在設(shè)計(jì)制造合格的前提下可以運(yùn)行很長時(shí)間，即使有少許磨損也可正常使用，但機(jī)械鉗口為剛性結(jié)構(gòu)，沖擊較大，對帶鋼厚度要求嚴(yán)格，張力較小，鉗口夾緊力相對較小且不可調(diào)；液壓鉗口傳動(dòng)平穩(wěn)，鉗口夾緊力較大且可調(diào)，但液壓系統(tǒng)成本較高，液壓鉗口所占體積較大，因此在較薄的扇形板上難以應(yīng)用，且加工精度要求高，整個(gè)鉗口油路任何一點(diǎn)泄露都會(huì)導(dǎo)致鉗口夾緊力下降，鉗口失效［3］，并污染帶鋼。

為解決上述問題，本文所述卷筒采用了機(jī)械鉗口的方式，但在夾緊筒內(nèi)部設(shè)有碟簧組件，巧妙解決了機(jī)械鉗口沖擊大、鉗口夾緊力不可調(diào)的弊端，實(shí)現(xiàn)了有緩沖的、鉗口夾緊力可調(diào)的機(jī)械鉗口。如圖5所示，夾緊筒為空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有碟簧組件，通過螺母將碟簧組件壓緊安裝到拉桿上；拉桿向右移動(dòng)時(shí)，十字塊帶動(dòng)斜楔向右運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)扇形板徑向運(yùn)動(dòng)，卷筒漲大；同時(shí)拉桿通過碟簧組件帶動(dòng)夾緊筒運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉗口夾緊。由于拉桿和夾緊筒之間為碟簧組件軟連接，消除了常見機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性連接沖擊，并可通過調(diào)整碟簧片數(shù)量和預(yù)緊力的方式來調(diào)整鉗口夾緊力的大小，實(shí)現(xiàn)了有緩沖的、鉗口夾緊力可調(diào)的機(jī)械鉗口。

圖5 碟簧組件示意圖

3.3 側(cè)向偏移的夾緊筒

本文所述卷筒的夾緊筒采用了側(cè)向偏移的結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示，夾緊筒的突出部分沿Y軸正方向延伸，但向X軸正方向偏移；一般情況下，夾緊筒的突出部分應(yīng)該與圖4（a）的Y軸正方向重合，這樣可以保證拉桿的拉力在X軸方向上沒有分量，那么為何本文所述卷筒的夾緊筒采用了側(cè)向偏移的結(jié)構(gòu)呢？結(jié)合圖4（b）可以得知，在鉗口扇形板外圓凹槽大小不變的情況下，如果夾緊筒的突出部分與Y軸方向重合，那么就會(huì)侵占圖4（b）中擋塊的空間，使得擋塊在鉗口夾板的運(yùn)動(dòng)方向上的厚度減小，難以限制鉗口夾板的軸向移動(dòng)，容易出現(xiàn)鉗口卡死的現(xiàn)象，因此本文所述卷筒的夾緊筒采用了側(cè)向偏移的結(jié)構(gòu)，為圖4（b）中的擋塊讓出了空間，預(yù)防了因?yàn)閾鯄K厚度不足引起的鉗口卡死的問題。

4 問題及相應(yīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

本卷筒在上機(jī)使用過程中也暴露出一些問題，現(xiàn)將這些問題及改造方案列如下述。

4.1 夾緊筒外圓優(yōu)化

在本卷筒原設(shè)計(jì)中，卷筒傳動(dòng)側(cè)拉桿上設(shè)有自潤滑銅套，用于減小拉桿和主軸之間的磨損，起到支撐及耐磨的作用。在卷筒操作側(cè)并沒有相關(guān)防止磨損的措施，起到支撐及耐磨作用的是夾緊筒及十字塊，夾緊筒、十字塊及主軸材料均為42CrMo，但由于夾緊筒及十字塊經(jīng)氮化處理，硬度較高，主軸僅調(diào)質(zhì)處理，且公差配合為H7／f7，因此在卷取帶鋼時(shí)，卷筒操作側(cè)載荷作用在夾緊筒及十字塊與主軸配合處，會(huì)導(dǎo)致主軸磨損，尤其是主軸內(nèi)孔磨損嚴(yán)重。

為解決這一問題，采用在夾緊筒外圓面堆焊鋁青銅并減小十字塊外圓直徑的改造方案；堆焊鋁青銅可減少夾緊筒與主軸內(nèi)壁摩擦力，十字塊外圓直徑減小，避免與主軸內(nèi)孔接觸，如此方案可達(dá)到避免損傷主軸的目的。

4.2 斜楔底部優(yōu)化

在本卷筒原設(shè)計(jì)中，斜楔及主軸材料均為42CrMo，但斜楔經(jīng)氮化處理，硬度較高，主軸僅調(diào)質(zhì)處理，硬度較低，且斜楔與主軸配合面為承壓滑動(dòng)面，因此在卷取帶鋼時(shí)，斜楔的軸向移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致主軸異常磨損。

為解決這一問題，采用在斜楔和主軸摩擦面之間增加自潤滑銅滑板的方案。自潤滑銅滑板可減少斜楔與主軸的摩擦力，避免主軸直接與斜楔接觸，如此方案可達(dá)到避免損傷主軸的目的。

4.3 鉗口倒角優(yōu)化

在本卷筒原設(shè)計(jì)中，鉗口夾板根部圓角為R20，在卷取剛性較大或厚度較大等難以折彎的帶鋼時(shí)，在此圓角處會(huì)造成鋼卷凸起、鼓包等缺陷，如圖6（a）所示；這種現(xiàn)象會(huì)影響鋼卷最內(nèi)幾層鋼帶的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鋼卷為橢圓形，卸卷小車無法穩(wěn)定托舉鋼卷，導(dǎo)致卸卷困難。

為解決這一問題，采用加大此處圓角的優(yōu)化方案；隨著此圓角的加大，帶鋼的折彎曲率逐漸變小，帶鋼可以更好地貼合卷筒外圓，避免鋼卷凸起、鼓包等現(xiàn)象。實(shí)際現(xiàn)場逐漸加大此圓角并試驗(yàn)，最終確定了將此圓角修改為R40，如圖6（b）所示，有效解決了鋼卷凸起、鼓包的現(xiàn)象。

圖6 鉗口圓角對比示意圖

5 結(jié)論

（1）本文所述卷取機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)緊湊、加工難度大，但具有高效率、高精度、大張力等優(yōu)勢。

（2）本卷筒的鉗口裝置夾緊均勻、穩(wěn)定可靠、傳動(dòng)平穩(wěn)無沖擊，通過碟簧組件巧妙的實(shí)現(xiàn)了有緩沖的、鉗口夾緊力可調(diào)的機(jī)械鉗口。

（3）采用堆焊鋁青銅和增加自潤滑耐磨銅板的方式，有效避免了主軸的異常磨損，自潤滑耐磨銅板可拆卸更換，維修方便，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（4）加大了鉗口夾板圓角，有效的避免了鋼卷凸起、鼓包影響整卷鋼卷質(zhì)量的現(xiàn)象。