冷连轧机开卷机卷筒主要参数的计算与分析

孙 鹏

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039)

开卷机是冷连轧带材生产线上的关键设备之一，轧制过程中与轧机建立后张力实现稳定轧制。开卷机的组成部分中，卷筒是与料卷直接接触、支撑铝卷承担载荷的零部件。现代化高速铝带冷连轧机组中，开卷卷筒通常采用四棱锥卷筒结构，其形状对称、动平衡性能好且涨缩量大，本文对其结构特点和相关零件的强度计算方法进行分析探讨。

1 卷筒结构

图1卷筒结构图是为某厂设计的 1700冷连轧开卷机卷筒所采用的方案图。从图1看出， 涨缩缸推动芯杆轴向移动，芯杆轴向移动钩住楔形块作轴向移动，在楔形块的作用下，斜滑块产生径向位移，顶着扇形板径向移动，完成卷筒涨径缩径。卷筒胀开时芯杆受拉力，其稳定性较好。由此结构分析可看出，回转缸的缸径拉力、缸径计算及斜块滑块、楔形块剪切、挤压力的计算对卷筒的正常工作起到关键作用。

图1 卷筒结构图

2 涨缩缸拉力及缸径计算

如图2所示，带材外径上作用开卷张力T。卷材内径与卷筒之间靠卷筒胀开，产生足够的摩擦力F所形成的力矩与张力所形成的力矩平衡。摩擦力F由正压力产生，即T×D=F1×μ1×d；式中，T为带材的最大张力120kN；D为带材的最大直径1850mm；F1为带材与卷筒之间的压力；μ1为带材与卷筒间的摩擦系数，取0.17；d为卷筒的外径510mm；计算求得F1为2560.6 kN。

图2 开卷卷筒受力图

图3为卷筒斜楔的受力图，根据图中的平衡关系可列出以下方程：N×cosα=f×sinα+F1，N×sinα+f×cosα=T′，f=N×μ2；式中，N为两斜块之间的压力；α为斜块的倾斜角取15o；f为两斜块间摩擦力；F1为带材与卷筒之间的压力已求得为2560.6kN；T′为空心轴作用在斜块上的水平力；μ2为两斜块间的摩擦系数取0.1；计算求得N=2724 kN，f=272.4 kN。

图3 斜楔受力图

根据图3中下斜块的平衡关系可列出以下方程：S=N×sinα+f×cosα，N′+f×sinα=N×cosα；式中，S为斜块所需拉力；N′为外界作用在下斜块上竖直方向的力，由于斜块是对称布置在卷筒上，最终竖直方向的力将会抵消，因此这里可忽略不计；计算求得S≈968.2kN。

考虑到实际生产中的各种损耗，一般液压缸的拉力都适当放大，这里取F=1.2S,F为液压缸的拉力，计算求得F≈1162kN。根据液压缸压力的计算公式P×π×(R2-r2)=F,式中，P为液压缸压力7MPa；R为回转缸半径；r为芯杆半径60mm；计算求得R≈237.6mm。取R=240mm，则回转缸的直径为D=2R=80mm。

3 斜、滑块及其楔形块强度的计算

3.1 楔形块的计算

图4为斜、滑块及楔形块结构示意图。楔形块在工作时主要受压力影响，只需校核挤压应力即可。楔形块所受挤压应力为σ1=F/A0；式中σ1为楔形块所受挤压应力，F为回转油缸的拉力，A0为楔形块的截面积，由图4得出约为20000mm2；计算求得σ1=59.35MPa

3.2 斜、滑块的计算

斜块和滑块既受剪切又受挤压，挤压力为带材和卷筒间压力(即F1)传递到斜块和滑块上的力，剪切力为空心轴作用在斜块上的水平力(即T′)与带材和卷筒之间摩擦力(即F1×μ1)的合力。

件1-斜、滑块；件2 -楔形块

斜块所受剪切应力为τ1=F2/A2；式中τ1为斜块所受的剪切应力；F2为空心轴作用在斜块上的力与带材和卷筒之间摩擦力的合力，F2=[T′2+(F1×μ1)2]0.5，T′为空心轴在斜块上的水平力约1000kN，F1为带材与卷筒间的压力约为2600kN；μ1为带材与卷筒间的摩擦系数，取0.17；A2为接触面的截面面积；计算求得τ1=22.32MPa。

由上述计算得知，斜、滑块及楔形块满足许用。

4 结束语

通过对冷连轧开卷机卷筒相关主要部件的分析计算，使开卷机结构设计更优化、更合理，也为日后相关轧机开卷机卷筒的设计提供了设计计算依据。

[1]冶金工业有色金属加工设计研究院.板带车间机械设备设计(下册)[M].冶金工业出版社， 1983.

[2]闫开宇.开卷机卷筒涨缩缸推力的确定[J].一重技术，2007，2

[3]周国盈.带钢卷取设备(修订本)[M].冶金工业出版社，1992.