超大徑寬比銅合金帶卷運(yùn)卷小車(chē)的研發(fā)

閆成琨，計(jì) 江，徐家祥，王悅晗，謝 磊，辛靜泰

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.清遠(yuǎn)楚江銅業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

近幾年來(lái)，得益于銅板摩擦焊接技術(shù)的進(jìn)步，一種將兩個(gè)熱軋卷頭尾對(duì)焊后拼接成一個(gè)更大卷徑的帶卷，然后進(jìn)行冷軋的工藝模式被提出來(lái)。該工藝的好處有，一是減少了原工藝的頭尾廢料和頭尾部因加減速導(dǎo)致的超差長(zhǎng)度，提高了產(chǎn)品的綜合成材率；二是減少了帶卷單位產(chǎn)量的上卸卷平均輔助時(shí)間，提高了班組效率和產(chǎn)能。這種工藝下，帶卷在寬度不變的情況下，卷重和帶長(zhǎng)翻倍，卷徑大幅增加。帶卷外徑與寬度的比值，稱(chēng)為“徑寬比”。這種更大規(guī)格的帶卷被稱(chēng)為“超大徑寬比帶卷”，后文簡(jiǎn)稱(chēng)“超大卷”。

超大卷導(dǎo)致原有常規(guī)工藝下的冷軋機(jī)組無(wú)法適用新工藝生產(chǎn)，出現(xiàn)多種問(wèn)題，其中最為突出的是帶卷豎立放置運(yùn)輸時(shí)穩(wěn)定性變差，在運(yùn)卷過(guò)程中很容易向兩側(cè)傾翻造成安全事故。針對(duì)超大卷生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)卷問(wèn)題，我公司研發(fā)了適用于超大徑寬比銅合金帶卷的運(yùn)卷小車(chē)，已應(yīng)用于軋制超大卷的粗、中、精軋機(jī)組中，取得了良好的實(shí)用效果。

1 超大卷規(guī)格簡(jiǎn)介

在傳統(tǒng)銅帶生產(chǎn)中，帶卷的徑寬比一般不大于5，在黑色和鋁合金板帶生產(chǎn)中，徑寬比一般不大于2。在新的焊接卷工藝下，以國(guó)內(nèi)某大型銅帶加工企業(yè)為例，粗軋來(lái)料帶卷直徑達(dá)到2.5m，徑寬比最大可達(dá)8.3，單位寬度卷重最高可達(dá)23kg/mm，該規(guī)格在全世界銅板帶軋制領(lǐng)域也前所未見(jiàn)。

超大卷的詳細(xì)規(guī)格為：

加工品種： 青銅、紫銅、黃銅、白銅,等

來(lái)料厚度： 14mm ～ 20mm

來(lái)料寬度： 300mm ～ 440mm

銅卷外徑： max.Φ2500mm

最大卷重： 10t

成品厚度： 0.5mm ～ 4.0mm

徑寬比： max.8.3

單位寬度卷重： max.23kg/mm

2 運(yùn)卷小車(chē)防傾翻技術(shù)方案的選擇

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，徑寬比小于5的帶卷，直接豎立放置在運(yùn)卷小車(chē)托架上運(yùn)輸，在正常擾動(dòng)范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定的。但當(dāng)徑寬比大于5時(shí)，豎立放置的帶卷穩(wěn)定性開(kāi)始變差，在運(yùn)輸過(guò)程中，帶卷很容易向兩側(cè)傾翻，極易造成生產(chǎn)安全事故。目前帶卷徑寬比最大已達(dá)到8.3，是世界銅帶生產(chǎn)中前所未見(jiàn)的最大規(guī)格，如何保證其運(yùn)卷過(guò)程的穩(wěn)定性沒(méi)有可以借鑒的成熟方案。表1列出了4種具備實(shí)施可能性的防止帶卷傾翻的技術(shù)方案及其特點(diǎn)。

表1 運(yùn)卷小車(chē)防傾翻技術(shù)方案對(duì)比Tab.1 Comparison of anti-overturning technical solutions on coil cars

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析和綜合對(duì)比，最終確定采取方案4應(yīng)用于本文成套的超大卷粗、中、精軋機(jī)組中，即在運(yùn)卷小車(chē)上配置液壓傳動(dòng)夾具，通過(guò)夾持帶卷下部來(lái)保持穩(wěn)定的方案。該方案相對(duì)其他3個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是，穩(wěn)定效果好，占用空間小，安全性高，操作便捷。

進(jìn)一步，由于冷軋機(jī)組中雙柱頭開(kāi)卷機(jī)和張力卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按小車(chē)上卸卷時(shí)帶卷的放置方向，可分為徑向運(yùn)卷和軸向運(yùn)卷兩類(lèi)。為此，本文研發(fā)了兩種防傾翻裝置，一種配置在沿著帶卷徑向運(yùn)動(dòng)的上卷小車(chē)上，上卷的同時(shí)可躲開(kāi)雙柱頭開(kāi)卷機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)和側(cè)導(dǎo)柱；另一種配置在沿著帶卷軸向運(yùn)動(dòng)的卸卷小車(chē)上，有大小兩對(duì)托輥，可兼顧殘卷和套筒的裝卸。

3 徑向運(yùn)動(dòng)上卷小車(chē)防傾翻技術(shù)

配置在沿著帶卷徑向運(yùn)動(dòng)的上卷小車(chē)上的防傾翻裝置其工作狀態(tài)如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 上卷小車(chē)防傾翻裝置撤除狀態(tài) 圖2 上卷小車(chē)防傾翻裝置投入狀態(tài)Fig.1 Removal status of anti-overturning device on loading coil car Fig.2 Operation status of anti-overturning device on loading coil car

防傾翻裝置安裝在上卷小車(chē)頂部，防傾翻夾具安裝在防傾翻裝置兩側(cè)的擺臂末端。準(zhǔn)備上卷時(shí)，擺臂擺下(圖1)，將超大卷落在小車(chē)V形托架上。待帶卷放置平穩(wěn)后，驅(qū)動(dòng)擺臂帶動(dòng)防傾翻夾具擺起(圖2)，然后驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)傳動(dòng)齒輪使帶卷兩側(cè)的夾桿及螺母底座相向運(yùn)動(dòng)，直至將帶卷夾持住，完成夾持動(dòng)作(圖3)。之后驅(qū)動(dòng)小車(chē)進(jìn)入雙柱頭開(kāi)卷機(jī)卷筒之間進(jìn)行上卷作業(yè)。通過(guò)調(diào)整小車(chē)進(jìn)退以及車(chē)體升降，可使帶卷卷芯對(duì)準(zhǔn)兩側(cè)的柱頭卷筒。當(dāng)卷芯與開(kāi)卷機(jī)卷筒同軸后，驅(qū)動(dòng)兩側(cè)開(kāi)卷機(jī)靠向帶卷，當(dāng)開(kāi)卷機(jī)卷筒部分進(jìn)入卷芯并能夠托住帶卷時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，使夾桿松開(kāi)帶卷，然后驅(qū)動(dòng)擺臂落下，使夾桿避開(kāi)帶卷和卷筒，并控制運(yùn)卷小車(chē)退出開(kāi)卷機(jī)區(qū)域，完成整個(gè)上卷過(guò)程。

圖3 防傾翻夾具剖視圖Fig.3 Sectional view of anti-overturning clamps

該裝置的有益效果是，(1)通過(guò)兩側(cè)共4處夾桿對(duì)帶卷下部的夾持，大大增強(qiáng)了超大卷運(yùn)輸過(guò)程的豎立穩(wěn)定性和抗外部擾動(dòng)能力，從而達(dá)到防止帶卷傾翻的效果。(2)利用了螺母螺桿結(jié)構(gòu)的自鎖特性。當(dāng)帶卷有傾翻傾向時(shí)，巨大的自重導(dǎo)致傾翻力矩比較大，作用在立桿上的反向力也會(huì)很大。本裝置在立桿和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間設(shè)置了螺母螺桿結(jié)構(gòu)，利用螺母與螺桿之間的自鎖特性，使立桿在巨大外力下能夠固定在原位，既能保持帶卷豎立狀態(tài)，也不會(huì)將較大的傾翻力傳遞到齒輪和液壓馬達(dá)上，避免造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損壞。(3)全程通過(guò)液壓和電氣系統(tǒng)控制，無(wú)須操作人員靠近帶卷進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)超大卷徑向上卸卷方式的全自動(dòng)化，從而降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，也提高了生產(chǎn)效率。

4 軸向運(yùn)動(dòng)卸卷小車(chē)防傾翻技術(shù)

配置在沿帶卷軸向運(yùn)動(dòng)的卸卷小車(chē)上的防傾翻裝置其工作狀態(tài)如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 卸卷小車(chē)防傾翻裝置夾卷運(yùn)輸狀態(tài)Fig.4 Clamping delivery status of anti-overturning device on unloading coil car

圖5 防傾翻夾具大卷夾持狀態(tài)Fig.5 Clamping status of anti-overturning clamps for oversize coil

因卸卷小車(chē)要兼顧超大卷整卷、殘卷以及套筒的運(yùn)輸，三者直徑相差較大。若按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅布置一對(duì)托輥，為了兼顧殘卷和套筒運(yùn)輸，這對(duì)托輥的間距就不能太大；而為了保證對(duì)超大卷托舉的穩(wěn)定性，這對(duì)托輥的間距又不能太小。為了解決上述矛盾，該裝置布置了大、小兩對(duì)托輥系統(tǒng)，大托輥系統(tǒng)用于托舉超大卷，托輥的間距較大、直徑較大且芯軸直接安裝在裝置基座上，可承受整卷的重量；小托輥系統(tǒng)用于托舉殘卷和套筒，托輥的間距較小、直徑較小且芯軸安裝在擺動(dòng)臂上，需要時(shí)擺起，不需要時(shí)可擺下藏于基座內(nèi)，為超大卷讓出空間。

小托輥擺臂的轉(zhuǎn)軸由擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可使擺臂擺起、落下。小托輥擺臂的轉(zhuǎn)軸端側(cè)面被加工為扇形齒，與安裝在大托輥芯軸上的扇形齒環(huán)嚙合。防傾翻夾具的擺動(dòng)夾桿通過(guò)滑套套裝在大托輥的芯軸上，并可隨著扇形齒環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)擺起、落下。由于扇形齒相互嚙合，小托輥擺臂和擺動(dòng)夾桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向正好相反。當(dāng)運(yùn)輸超大卷時(shí)，可驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)夾桿擺起。擺動(dòng)夾桿通過(guò)一組卡環(huán)與一個(gè)夾持油缸相連接。夾持油缸收回可使夾桿在芯軸上向內(nèi)滑動(dòng)并夾住帶卷兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超大帶卷的夾持防傾翻(圖4、圖5)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)夾桿落下，則小托輥抬起，可實(shí)現(xiàn)殘卷或者套筒的運(yùn)輸(圖6)。

圖6 防傾翻裝置殘卷、套筒運(yùn)輸狀態(tài)Fig.6 Delivery status of anti-overturning devicefor fragment coil or sleeve

該裝置的有益效果是，(1)通過(guò)兩側(cè)共4處擺臂夾桿對(duì)超大卷下部進(jìn)行夾持，大大增強(qiáng)了超大卷運(yùn)輸過(guò)程的豎立穩(wěn)定性和抗外部擾動(dòng)能力，從而達(dá)到防止帶卷傾翻的效果。(2)利用了液壓系統(tǒng)的鎖定功能。當(dāng)帶卷有傾翻傾向時(shí)，側(cè)傾力作用在擺臂夾桿上，會(huì)有推開(kāi)夾桿的分力。本裝置通過(guò)在液壓系統(tǒng)中設(shè)置液壓鎖，使擺臂夾桿在巨大外力下能夠固定在原位，保持帶卷豎立狀態(tài)。(3)全程通過(guò)液壓和電氣系統(tǒng)控制，無(wú)須操作人員靠近帶卷進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)超大卷軸向上卸卷方式的全自動(dòng)化，從而降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，也提高了生產(chǎn)效率。(4)具備大小兩套托輥，分別可對(duì)超大卷和小卷、套筒進(jìn)行上卸卷操作，還可以用小托輥代替卷取機(jī)壓輥對(duì)帶頭、帶尾進(jìn)行壓頭操作，具有靈活廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

5 小車(chē)整體穩(wěn)定性和安全性設(shè)計(jì)

超大卷銅卷自重10t，單位寬度卷重高達(dá)23kg/mm，已是目前銅卷生產(chǎn)的最大規(guī)格，較傳統(tǒng)卷重幾乎翻倍。因此超大卷運(yùn)卷小車(chē)的車(chē)體整體穩(wěn)定性也需要進(jìn)行特別的強(qiáng)化。

首先，需要加強(qiáng)的是升降車(chē)體自身的剛度。傳統(tǒng)銅帶運(yùn)卷小車(chē)一般采用兩個(gè)實(shí)心圓柱體導(dǎo)柱維持車(chē)體升降時(shí)的剛性，該結(jié)構(gòu)在負(fù)荷翻倍增加后，就會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性變差的情況。故而本機(jī)組在超大卷運(yùn)卷小車(chē)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用了中空的方箱式導(dǎo)柱，升降油缸設(shè)置于箱體內(nèi)部。以邊長(zhǎng)350mm，壁厚20mm的方箱式導(dǎo)柱，對(duì)比同等重量材料的雙圓柱導(dǎo)柱，并按兩個(gè)圓柱導(dǎo)柱間距320mm為例，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，在占用空間相似的情況下，方箱式導(dǎo)柱的縱向抗彎強(qiáng)度與雙圓柱導(dǎo)柱相接近，而橫向抗彎強(qiáng)度是雙圓柱導(dǎo)柱的12.7倍，其綜合穩(wěn)定性更為優(yōu)越，十分適合超大卷帶卷運(yùn)輸。

其次，考慮在上卸卷操作失誤時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)超重帶卷側(cè)翻力過(guò)大的情況。此時(shí)帶卷雖然被防傾翻夾具夾持，卻可能因自重過(guò)大，將運(yùn)卷車(chē)體整體連帶壓翻。為充分保證安全，將小車(chē)軌道設(shè)計(jì)為C形軌道，車(chē)輪裝入軌道的C形槽內(nèi)(圖7)。在車(chē)體即將被帶卷壓翻時(shí)，C形軌道可將車(chē)輪限制在軌道槽內(nèi)，限制了車(chē)體的傾翻，進(jìn)而通過(guò)車(chē)頂?shù)姆纼A翻裝置限制帶卷傾翻。對(duì)于軌道的設(shè)計(jì)改進(jìn)，在提升上卸卷操作穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步提高了上卸卷操作過(guò)程的安全冗余度。

圖7 車(chē)體防傾翻C形軌道設(shè)計(jì)Fig.7 Anti-overturning design of c-shaped track for coil car body

6 結(jié)束語(yǔ)

將兩卷熱軋卷頭尾對(duì)焊后拼接成一卷銅卷然后進(jìn)行冷軋，是近年來(lái)開(kāi)始出現(xiàn)的銅帶冷軋新工藝。這種工藝模式下超大規(guī)格大徑寬比銅卷生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性是其一大難點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了各種防傾翻技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并最終確定了對(duì)帶卷下部夾持運(yùn)輸?shù)姆椒榫C合最優(yōu)解。

大徑寬比銅卷運(yùn)卷小車(chē)的創(chuàng)新研發(fā)，是我公司開(kāi)發(fā)的大徑寬比銅合金帶卷粗、中、精軋機(jī)組的重要組成設(shè)備，是對(duì)超大卷銅帶冷軋新工藝高效安全生產(chǎn)的重要支撐。本機(jī)組的成功研發(fā)，為國(guó)內(nèi)銅加工企業(yè)節(jié)材節(jié)能、降低排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。