大张力卷取机的研制及关键技术

寇汉萍，余光明，钟 毅

（武汉钢铁股份有限公司，湖北 武汉 430080）

一、概述

张力卷取机是森吉米尔轧机的核心设备，径向液压钳口卷取，超大旋转缸径达φ840mm，最大卷取胀径力380t，卷取机工作时，卷取张力30t。

二、大张力卷取机的结构功能及主要技术参数

1.结构功能

森吉米轧机为冷轧可逆机组，其左右张力卷取机采用四棱锥轴结构。它主要由变速传动机构、卷筒机构和胀缩旋转缸及卷筒外支撑等部分组成。棱锥轴是实现卷胀缩的主体，它直径较大、强度高，可受较大的张力。旋转胀缩缸与旋转给油器相连，通过活塞的左右移动，实现卷筒胀缩运动，同时通过旋转给油器的不同通道，将油压配送给旋转胀缩缸及钳口油缸。由于卷取时，卷取机张力较大，加之卷重较重，为了改善卷筒受力状态，卷筒轴端设有外部支撑架，以协调卷取机的正常卷取。

2.主要技术参数（见表1）

3.主要特点

某公司自行设计制造的大张力卷取机，采用直流电机直接驱动、变频调速，把数字传感技术与卷取机液压伺服系统结合起来，实现卷筒旋转、卷筒张力调整以及卷筒动态胀缩全过程的自动控制。硅钢薄板卷材是冷轧产品中的精品，其脆性、硬度等方面都比普通带钢大，因而在卷取产品中常常出现压痕、折印，甚至折断的情形，严重影响着硅钢产品的质量和成材率。大张力卷取机采用可控胀缩闭式卷筒、结构新颖的钳口形式、合理的减载槽，有效解决了这一难题。同时，由于卷取机采用了倒四棱锥轴卷筒形式，卷筒受力更加合理，结构更加简单，动平衡性能好。

三、大张力卷取机主要关键技术

表1

1.开发卷取机智能化集成设计系统

作为卷取（开卷）机制造的专业企业，某公司经历了一个由简单制造到数控机床的仿形加工，再到计算机智能设计及虚拟制造的转变。

该公司用巨资引进五台以捷克W200HD／NC为代表的数控加工机床，极大提高了产品质量和生产效率。随着新产品开发及对卷取机内在属性的认识，以大张力卷取机新产品研制为背景的计算机智能集成设计系统开发出来。

卷取机智能化设计系统在传统的计算机辅助设计的基础上，开发了卷取机属性管理、卷筒相关设计计算、VESES结构分析、ANSYS结构分析和运动仿真（虚拟传动）等内容，并将其汇集到一个计算机界面上。

卷取机智能化集成设计系统研制成功，大大缩短了产品开发周期，提高了设计质量，为卷取机新产品的深度开发提供了有力的保证。

2.冷连轧防断带技术研究

在大型轧机运行过程中，往往由于卷取张力的不平衡，引起卷取机卷筒缩径，因而带卷内层出现相对滑移，擦伤带钢表面。滑移严重时，由于巨大的卷取径向力，使得内层带钢被迫“赶”到卷筒钳口及相邻扇形板之间的缝隙里，形成内层带钢的压痕、折印，尤其是在轧制0.5mm以下的薄板时，极易产生带钢折断的情形。所以，在轧制薄板接近带卷末端时，一般采用降低轧制速度，以防断带而影响生产效率。

经过研究试制，采取增加摩擦系数，在带钢之间垫一层衬纸的办法防止滑移。为了进一步解决带卷内层的周期性压痕、折印及折断的难题，运用缩小钳口间隙，增加固定钳口二次倒角及减载槽，这样，带钢在较大径向压力作用下，卷筒缩径产生松动时，内层不致被全部“赶”到钳口及相邻扇形板缝隙里，而是被均匀地压在各个减载槽里。

3.新型钳口装置的研制

钳口装置是张力卷取机中一个极其重要的组成部分，合理的钳口装置应是夹紧均匀、不打滑；运行稳定、安全可靠，同时对带卷内层无伤害。旧式钳口装置，卷筒工作时，巨大的径向压力作用在外圆面上的固定钳口条上，使得钳口条上的压紧螺栓承受较大的变载荷拉应力，螺栓极易松动、折断。为此发明了一种新型的结构型式，这种型式的钳口装置受力合理，原螺栓约67%拉应力被扇形板承担。由于缩小了钳口间隙，增加了小固定钳口的二次倒角，研制的新型钳口装置不仅解决了由于螺栓松动、折断而工作不稳定的问题，而且对提高卷取带钢质量有很大的改善作用。

4.应用有限元技术，优化卷取机花键参数

（1）外花键静强度分析基本情况

外花键的主要参数有齿数、模数、压力角等，还有正常齿和短齿之分。为了获得较小应力分布状态的设计参数，对各种参数组合的外花键进行了有限元分析，有限元模型见图1。根据结构及其受力特点，将外花键简化为平面应力模型，并且分为全齿模型和单齿模型，以进行比较分析。

（2)结果及分析

各模型外花键最大应力位置均在齿根处，利用COSMOS/M计算得到的危险结点的应力值见表2，利用自行开发的结构分析软件VSES对齿数为25、模数为12、压力角为30°的短齿计算得到了应力值（见表2最后一行）、拉应力分布图和压应力分布图（从略）。

对表2序号1与序号3的计算结果进行比较可知，单齿模型的应力比全齿模型的应力要大约48%，采用单齿模型的计算结果进行设计更安全。

表2 各模型外花键危险结点的应力值

从表2可见，正常齿的最大应力比短齿的最大应力大，齿数少的最大应力比齿数多的最大应力大，压力角小的最大应力比压力角大的最大应力大。

对表2序号3与序号VSES的计算结果进行比较可知，自行开发的结构分析软件VSES与大型工程有限元分析软件COSMOS/M计算得到的拉压应力值误差仅约10%。

各模型中，序号4的应力值最小，即齿数30个、模数10mm、压力角为30°的短齿花键是最好的参数设计。

（3)结论及建议

花键参数的初步设计为齿数30个、模数10mm、压力角为30°的短齿花键，若考虑到不均匀因素的影响，不均匀系数取为1.4，则花键的挤压应力约为1.4×15=21MPa，若安全系数取为2，则最大拉应力68.44MPa，最大压应力84.84MPa，满足强度要求。

四、结论

大张力卷取机研制成功，投入使用两年多来运行安全可靠，性能稳定，完全符合轧制工艺要求，标志着我国森吉米尔卷取机已完全国产化。该项目所采用的研究成果已达到国内同类产品的先进水平，在某些领域已达到国际先进水平。

[1]赵威.大张力连续纵剪机组中的卷取机设计 [J].河北冶金，2002(5).

[2]彭建东.卡罗塞尔卷取机国产化 [J].江苏冶金，2002(4).