卡罗塞尔卷取机结构和主要技术参数分析

梅如敏

(常州宝菱重工机械有限公司，江苏 常州 213019)

1 前言

卡罗塞尔卷取机(Carrousel Tension Reel)又称为转盘式双卷筒张力卷取机。该设备主要完成将带材卷取成钢卷的动作，以方便成品钢板的仓储和运输。卡罗塞尔卷取机1号卷筒通过胀缩油缸回拉斜楔使卷筒胀开，电机驱动齿轮箱使卷筒转动，在皮带助卷器的辅助下，薄钢带紧贴在卷筒上，先慢后快将带钢卷取成钢卷。卷取完成时由飞剪将带钢切断，卷筒通过胀缩油缸推动斜楔使卷筒缩小，由卸卷小车托起钢卷将钢卷从卷筒上卸下，完成卷取。在1号卷筒卷取时，卡罗塞尔卷取机的大箱体同步进行公转，在1号卷筒完成第一卷的卷取前2号卷筒就转到待卷位，1号卷筒完成卷取后马上切换到2号卷筒进行下一个钢卷的卷取。上述过程是连续的，因而能实现连续的卷取作业，从而保证机组始终处于连续生产的状态。

卡罗塞尔卷取机工作可靠性高，能满足生产线的高速、连续生产要求。卡罗塞尔卷取机设计合理，结构紧凑，能节省安装空间40%左右。在生产线上布置卡罗塞尔卷取机后，减少重复的转向装置、穿带装置、助卷器、卸卷小车等设备，可节省厂房空间，减少投资(相对于传统布置的双卷取机)。

卡罗塞尔卷取机用途广泛，既可作为开卷机使用，又可作为卷取机使用，用于热轧、冷连轧、一些大型连续工艺生产线(如镀锌、彩涂)等。由于生产线条件及产品要求的限制，卡罗塞尔卷取机在冷连轧(酸轧)生产线中应用最多。自2000年国产化第一台卡罗塞尔卷取机以来，国内已生产几十台该类设备，主要应用于冷连轧(酸轧)生产线。但国内相关的文献报道不多，对其结构还没有系统的分析研究。因此，本文从类型、结构及主要技术参数等方面对卡罗塞尔卷取机进行系统分析、总结，为自主设计卡罗塞尔卷取机提供一些设计方法和经验。

2 卡罗塞尔卷取机类型

卡罗塞尔卷取机一般按其传动方式可分为行星齿轮传动式和三层空心轴传动式两种类型，结构示意分别见图1、图2。

行星齿轮传动式工作原理为电机通过减速装置及联轴器分别单独驱动两个独立传动的平行轴。平行轴上的齿轮与齿圈及行星框架等构成行星轮系。行星轮系将力矩传递到卷筒芯轴，从而带动卷筒旋转实现带钢的卷取。当1号位(图1中低位处)卷筒卷取一定钢卷后，公转电机驱动转盘顺时针旋转1号位卷筒至2号位继续卷取至成品卷，同时2号位卷筒旋转至1号位待卷。

三层空心轴传动式工作原理为电机通过联轴器及减速装置分别单独驱动两中空花键轴，花键轴通过齿轮带动卷筒工作。1号位卷筒驱动外层花键轴，2号位卷筒驱动内层花键轴。内层花键轴内装有一中空轴，与主回转接头连接。故该种传动方式称为三层空心轴传动式。转盘公转方式同行星齿轮式。

国内早期制作的卡罗塞尔卷取机为行星齿轮式的，主要在益昌薄板厂、鞍钢等企业使用。在文献［1］详细介绍了行星齿轮式卡罗塞尔卷取机及其国产化。由于行星齿轮传动式卡罗塞尔卷取机结构较复杂，制作成本高，故近期制造的卡罗塞尔卷取机以三层空心轴传动式为主。因此本文也主要介绍这种卡罗塞尔卷取机。

3 卡罗塞尔卷取机结构

卡罗塞尔卷取机由本体及相关附属设备及装置等组成。

3.1 本体结构

卡罗塞尔卷取机本体由主传动装置(主电机、联轴器等)、主回转接头、主减速器、公转箱体、卷筒、锁紧装置、托辊、公转电机及减速装置等组成，结构如图3所示。

(1)主传动装置由主电机、联轴器等组成。一般在电机尾部布置有制动器和PLG，用于卷取机控制。联轴器采用鼓形齿式联轴器，传递较大力矩。

(2)主回转接头。用于向公转箱体输送润滑油及液压油。主回转接头的尾部一般和滑环相连，滑环为公转箱体上的控制元件提供配线。主回转接头与中心轴相连，位于卷取机的中心。

(3)主减速器。主减速器为卧式结构，由上下箱体、齿轮等主要件构成。

(4)公转箱体。公转箱体为上、下分体式结构。行星齿轮式卡罗塞尔公转箱体由上下箱体、行星齿轮、行星框架、传动齿轮、传动轴、球面轴承、公转齿圈等主要件构成。三层轴式卡罗塞尔公转箱体由上下箱体、卷筒传动齿轮、三层空心轴、球面轴承、公转齿圈等主要件构成。球面轴承装在主减速器箱体上，内孔面与公转箱体连接。公转时，公转箱体连同卷筒在球面轴承和托辊的支承下旋转。

(5)卷筒。液压胀缩卷筒一般采用四棱锥式结构，以确保卷筒在承受大张力时能可靠工作。卷筒胀缩量一般为25mm左右，由空心轴、斜楔块、扇形板、旋转油缸、旋转接头等主要件构成。旋转油缸布置在卷筒尾部，有两种结构方式，一种采用内置式结构与卷筒芯轴做成一体，另一种方式为成品油缸，通过法兰与卷筒芯轴连接。

图3 三层空心轴式卡罗塞尔卷取机结构图Fig.3 Structure of triple-layer hollow shaft Carrousel reeler

卷筒一般与公转箱体装配成一体，拆卸时需打开公转箱体。但有些国外设计的卷取机采用一种可整体抽出卷筒进行更换的结构，如图4所示。更换卷筒时只需拆下旋转油缸及卷筒芯轴与箱体的连接螺栓，就可以将卷筒整体抽出更换，以节省更换备件时间。

图4 可整体抽出式卷筒结构图Fig.4 Structure of entire pulling-out type winding drum

(6)锁紧装置。锁紧装置由锁紧挡块及夹紧装置组成，用于卷取机工作时锁紧公转箱体，保证平稳卷取。锁紧挡块及夹紧装置均采用曲柄滑块结构，由液压油缸驱动，机械锁紧。

(7)托辊。用于支撑公转箱体及钢卷重量。

(8)公转电机及减速装置。用于驱动公转箱体旋转，实现公转，由电机、减速器、联轴器、驱动齿轮等组成。公转电机驱动公转减速器及小齿轮旋转，通过小齿轮与固定在公转箱体上的大齿圈的啮合，带动卡罗塞尔卷取机本体公转。由于公转装置靠近公转箱体，此处空间较小，故公转减速器结构紧凑。

3.2 附属设备及装置

卡罗塞尔卷取机附属设备主要包括压辊、外支撑、回油装置、防护罩及安全罩等。

(1)压辊。为防止带钢分切后高速甩尾造成事故，在卡罗塞尔卷取机的卸卷位置都布置有压辊，压辊采用液压缸驱动。压辊的数量一般为2～3个。

(2)外支撑。为保证卷筒卷取时的平稳性，在助卷位和卸卷位都布置有外支撑。对于一般张力较小，带钢规格较小的卷取机，有的只在卸卷位布置一个外支撑，外支撑采用液压方式驱动。

(3)回油装置。主要用于公转箱体中齿轮、轴承等润滑油的回油。回油装置为结构件，一端与公转箱体相连，另一端固定在底座上，箱体公转时亦能回油。

(4)轧机出口防护罩及安全罩。轧机出口段布置有钢丝网防护罩，将卷取机及飞剪等轧机出口段设备罩入其中，防止事故产生。在防护罩上布置有活门，在卸卷或上套筒时活门可以打开。卷取机大齿圈处布置有安全罩。

另外，国内外某些设计公司在卡罗塞尔卷取机上设置推钢机，将不能成功卸卷的钢卷推出卷筒。

4 主要技术参数

4.1 张力矩

张力矩为卷取张力与卷取钢卷半径的乘积值，如下式:

式中，TR为张力矩，N·m;T为卷取张力，N;R为钢卷半径，m。

张力矩为衡量卷取机的主要参数。最大张力矩即反映卡罗塞尔卷取机的最大卷取能力。

卷取张力主要根据卷取带钢的材质，由工艺合理选取。张力按下式计算选取:

式中，T为卷取张力，N;b为带钢宽度，mm;t为带钢厚度，mm;σ0单位张力，N/mm2

一般连轧机组的卷取单位张力按下式计算选取:σs为带钢屈服应力，N/mm2。

对于高强钢(如 DP、TRIP、TWIP)、不锈钢、硅钢等较难轧制、卷取的钢种，单位张力选取要根据冷轧实际经验选取合理的数值。

4.2 电机功率

卡罗塞尔卷取机电机功率按式(4)计算

式中，N为单个卷筒电机功率，kW;T为卷取张力，N;v为卷取速度，m/min;η为传动效率，取值0.9～0.95。

对应每种典型钢种张力及速度，计算出卷取所需电机功率，最后选择一个合理的功率值，以确保每一规格的钢种都能卷取。考虑带钢变形情况，可将计算的电机功率放大1～1.1倍。有时计算电机功率仅以最大张力与最大速度进行计算，其计算结果偏大，导致电机功率过大，增加了设备和控制成本，故计算电机功率时需全面考虑。

计算选择电机功率后，还应根据电机转速及速比验算最大卷取力矩是否满足张力矩的要求。

4.3 减速比

卡罗塞尔卷取机减速比为主减速器速比与卷筒传动齿轮速比的乘积。

卷取机正常工作是在恒功率调速区间。如果减速比选择过小，则会使卷取机调速区间偏离电机的恒功率调试区间，造成电机超载;如果减速比选择过大，造成电机转速超出最高允许转速。因此，应选择合理的减速比，使卡罗塞尔卷取机的调速范围尽可能的位于电机的恒功率调速区间内，或是覆盖电机的整个恒功率调速区。

一般按下式初选速比

式中，i为减速比;nm为电机最高允许工作转速，r/min;nt为卷筒实际最高工作转速，r/min;

初定减速比后，应根据卡罗塞尔卷取机结构及电机结构和电气调速情况等选择最佳的减速比，使卡罗塞尔卷取机的机械、电气设备得到充分利用，从而使设计最经济合理。

5 结束语

卡罗塞尔卷取机具有高效、连续的带钢卷取方式，节省投资等优点，已成为带钢冷连轧生产线上的首选卷取设备。通过对卡罗塞尔卷取机类型、结构及主要技术参数的系统分析，结合工程应用中的实际经验，为自主设计该类型的卷取机提供相应的设计方法及经验，具有实际意义。

［1］ 彭建东．卡罗塞尔卷取机国产化［J］．江苏冶金，2002(4):48－50，52．