首鋼遷鋼2 160 mm平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改造

劉 晗，王月月，彭鐵輝，李克誠，濮維飛，王 雷

(泰爾重工股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前言

1 卷筒結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示為卷筒結(jié)構(gòu)示意圖，首鋼遷鋼2 160 mm平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒為斜楔閉式結(jié)構(gòu)，主要由空心主軸、拉桿、軸向斜楔、徑向斜楔、扇形板、鉗口扇形板(一)、鉗口扇形板(二)、十字頭、彈簧、螺桿等零部件構(gòu)成[5]?？招闹鬏S前半部分為空心四棱柱結(jié)構(gòu)，后半部分為空心臺階軸結(jié)構(gòu)；拉桿穿入空心主軸內(nèi)部圓孔中；十字頭通過螺母固定于拉桿前端，軸向斜楔通過十字頭連接在拉桿上且與徑向斜楔為斜面配合結(jié)構(gòu)，共同安裝于空心主軸軸向矩形凹槽內(nèi)；扇形板通過螺桿及彈簧安裝于空心主軸軸向矩形凹槽中，鉗口扇形板(一)與鉗口扇形板(二)根部為鉸鏈結(jié)構(gòu)，安裝于空心主軸軸向圓形凹槽中。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖1卷筒工作時(shí)，空心主軸軸向相對靜止不動(dòng)，脹縮油缸驅(qū)動(dòng)拉桿向右做軸向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)十字頭及軸向斜楔向右運(yùn)動(dòng)，迫使徑向斜楔沿卷筒徑向向外運(yùn)動(dòng)，克服彈簧彈力頂起扇形板，并使鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)繞鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，咬住插入鉗口扇形板(一)與鉗口扇形板(二)之間縫隙的帶鋼頭部，如圖2所示，此為卷筒的漲大及鉗口夾緊過程；隨后主電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行帶鋼的卷取；卷取一卷帶鋼完成后，脹縮油缸通過拉桿帶動(dòng)十字頭及軸向斜楔向左運(yùn)動(dòng)，徑向斜楔沿卷筒徑向向內(nèi)收縮，扇形板在彈簧彈力作用下收縮，實(shí)現(xiàn)卷筒的縮徑，同時(shí)鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)繞鉸鏈點(diǎn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，松開被咬住的帶鋼頭部，在卸卷小車的作用下，將帶卷順利移出，完成了一卷帶鋼的卷取過程。

圖2 卷筒漲大、鉗口夾緊帶鋼示意圖

2 問題及原因分析

本文所述的首鋼遷鋼2 160 mm平整機(jī)組卷取機(jī)卷筒，在帶鋼卷取完成卸卷時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉗口卡住帶鋼頭部，難以自動(dòng)卸卷的現(xiàn)象；強(qiáng)行卸卷就會(huì)出現(xiàn)帶鋼整體移出，但帶鋼頭部仍卡在鉗口內(nèi)造成塔型卷；在卷取厚度較薄的帶鋼時(shí)此現(xiàn)象尤為頻發(fā)。極大的影響了帶鋼質(zhì)量和生產(chǎn)效率。圖3為卷筒卷取的帶鋼實(shí)物照片，從圖3中可以看出，帶鋼頭部變形嚴(yán)重，本來平直的帶鋼現(xiàn)在變的凹凸不平，變形的帶鋼難以從狹窄的鉗口中順利移出，造成卸卷困難。

圖3 帶鋼頭部變形照片

經(jīng)現(xiàn)場排查及分析，鉗口卡鋼，難以自動(dòng)卸卷的主要原因是卷筒鉗口結(jié)構(gòu)不合理，擠壓帶鋼頭部造成帶鋼頭部凹凸不平，難以卸卷。鉗口裝置是卷筒的重要組成部份，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[6]。現(xiàn)卷筒鉗口結(jié)構(gòu)如圖4所示，縮徑狀態(tài)時(shí)，鉗口張開，鋼帶進(jìn)入鉗口區(qū)域時(shí)，由于穿帶停止不及時(shí)、穿帶角度不對、帶鋼彎曲、鉗口夾緊過程中鉗口扇形板(二)尖點(diǎn)下壓鋼帶等條件的影響，帶鋼頭部經(jīng)常性的會(huì)插入鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)根部所形成鉸鏈處；此處夾角α為銳角，角度較小，鋼帶頭部在鉗口夾緊過程中會(huì)被鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)根部的α角擠壓的凹凸不平,影響卸卷。

圖4 原鉗口結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改造方案

針對鉗口卡鋼，難以自動(dòng)卸卷的現(xiàn)象，對現(xiàn)卷筒在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化和改造。

(1)鉗口扇形板(二)的肘部增加了凸出的導(dǎo)向臺階，其在帶鋼頭部插入至鉗口中時(shí)起到了導(dǎo)向作用，保證了帶鋼頭部可以順利的插入鉗口根部的圓形凹槽處；同時(shí)凸出的導(dǎo)向臺階也填平了原結(jié)構(gòu)的銳角開口，帶鋼頭部不會(huì)再插入鉸鏈開口受到擠壓和剪切。

(2)鉗口扇形板(一)的對應(yīng)位置增加了可容納鉗口扇形板(二)導(dǎo)向臺階的凹槽，鉗口開合時(shí)，此凹槽與鉗口扇形板(二)的導(dǎo)向臺階配合作用，為帶鋼搭出了平整的插入路線，形成了導(dǎo)向平臺，有利于鋼帶的插入。

如圖5所示為優(yōu)化后鉗口結(jié)構(gòu)示意圖，優(yōu)化后的卷筒在縮徑狀態(tài)時(shí)，鉗口張開，鋼帶進(jìn)入鉗口區(qū)域，鉗口扇形板(一)的凹槽及鉗口扇形板(二)的導(dǎo)向臺階配合作用，為帶鋼搭出了平整的插入路線，原為銳角的α角現(xiàn)在變?yōu)榻嵌群艽蟮拟g角，鋼帶進(jìn)入鉗口后會(huì)直接插入鉗口根部，不會(huì)再被夾角α處咬傷。

緬甸的藍(lán)寶石主要產(chǎn)在抹谷地區(qū)，不過產(chǎn)出的地質(zhì)條件與其紅寶石不同，紅寶石產(chǎn)自變質(zhì)的大理石巖中，而藍(lán)寶石產(chǎn)自偉晶巖、霞石剛玉巖和正長巖中，稱得上是佳品的優(yōu)質(zhì)藍(lán)寶石，產(chǎn)量較少。

圖5 優(yōu)化后鉗口結(jié)構(gòu)示意圖

4 強(qiáng)度校核

為防止結(jié)構(gòu)修改對卷筒強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而導(dǎo)致卷筒強(qiáng)度不足影響正常工作使用，需對原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4.1 模型建立

由于卷筒其他部分并未改動(dòng)，為節(jié)省資源及便于計(jì)算，利用UG NX1847分別建立鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)優(yōu)化前后的三維模型，并劃分網(wǎng)格，其中鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)根部應(yīng)力集中處是分析的重點(diǎn)，網(wǎng)格劃分設(shè)定較小，其余位置網(wǎng)格相對較粗。簡化后的模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

4.2 接觸定義、邊界條件及材料設(shè)置

4.2.1 模型中的主要接觸定義

卷筒運(yùn)動(dòng)過程中主要接觸有扇形板根部圓柱與主軸圓形凹槽之間的摩擦副以及扇形板底面與徑向斜楔之間的摩擦副。此二處摩擦副之間都有潤滑脂潤滑，且摩擦力對本強(qiáng)度校核影響不大，因此忽略此二處摩擦不加考慮，鉗口條與鉗口扇形板(一)設(shè)置為面面接觸。

4.2.2 邊界條件設(shè)置[6-8]

鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)根部圓柱面采用圓柱形約束，沿軸向旋轉(zhuǎn)自由，其余自由度固定；

鉗口扇形板(一)中鉗口條上表面及鉗口扇形板(二)中鉗口條在鉗口扇形板(二)上的投影面采用固定約束；

鉗口扇形板(一)與徑向斜楔接觸面及鉗口扇形板(二)與徑向斜楔接觸面施加垂直于面方向的相應(yīng)大小的力。邊界條件設(shè)置情況如圖6所示。

4.2.3 材料設(shè)置

鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)均采用40CrNiMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，密度 7 830 kg/m3，彈性模量209 000 MPa，泊松比0.29，抗拉強(qiáng)度σb≥980 MPa，屈服強(qiáng)度σS≥835 MPa[9]。

4.3 應(yīng)力分析

采用Simcenter Nastran求解器，解算類型選擇SOL101線性靜態(tài)-全局約束，鉗口扇形板與徑向斜楔接觸面施加的力經(jīng)計(jì)算大小為412 239 N，加載運(yùn)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)優(yōu)化前后應(yīng)力云圖對比

由圖7的應(yīng)力分析結(jié)果可知，原結(jié)構(gòu)鉗口扇形板(二)最大等效應(yīng)力為248.95 MPa，鉗口扇形板(一)最大等效應(yīng)力為367.23 MPa；對鉗口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，優(yōu)化后的鉗口扇形板(二)最大等效應(yīng)力為278.38 MPa，鉗口扇形板(一)最大等效應(yīng)力為394.54 MPa。

由圖7可以看出，此優(yōu)化方案對鉗口扇形板的強(qiáng)度影響較小，鉗口扇形板(一)及鉗口扇形板(二)主要應(yīng)力集中部位及最大等效應(yīng)力的大小都沒有很大改變，以最大等效應(yīng)力394.54 MPa計(jì)算，安全系數(shù)ns=σs/σmax=2.11>2，可以滿足正常工作條件下的使用要求。

5 結(jié)論

(1)本文所述卷取機(jī)卷筒卸卷困難的主要原因是鉗口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，鉗口擠壓帶鋼頭部造成帶鋼頭部凹凸不平，卡在鉗口內(nèi)部，難以卸卷。

(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鉗口扇形板(二)的肘部增加了凸出的導(dǎo)向臺階，填平了原結(jié)構(gòu)的鉸鏈開口，帶鋼頭部不會(huì)再插入鉸鏈開口受到擠壓和剪切，帶頭平整。

(3)優(yōu)化方案對鉗口扇形板的強(qiáng)度影響較小，可以滿足正常工作條件下的使用要求。