1700 热轧线塔形卷塔形消除装置的设计及应用

詹雪雄

(中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司 湖北武汉430080)

1 前言

热轧带钢卷取就是将带钢卷成整齐、紧密的钢卷，以解决带钢的存放和运输问题。塔形是在钢卷头部或尾部几圈或几十圈偏向一侧，造成成品卷外观不好，并且在运输和吊运过程中，容易损坏钢卷的边部质量。塔形分为外塔和内塔，以内塔居多，典型的内塔塔形如图1。塔形卷在运输及吊运时极易压折、损伤，直接影响到钢材的成材率，从而影响到产权厂的效益。

热轧线钢卷塔形现象较为多见［1］，塔形产生有设备方面原因，如卷取机前侧导板摆动、卷取机芯轴的扩张时序不合理等，也有工艺方面原因，如卷取初期张力变化、侧导板开口度设定过大等。针对钢卷塔形现象，产权厂通常采取综合控制策略，改善卷取时的卷形，减少或避免塔形卷。但是，塔形产生的原因比较复杂，难以彻底根除，所以塔形卷在热轧线仍然时有发生。

图1 钢卷头部塔形

对于塔形卷，可以依靠人工进行塔形消除，但是对生产节奏有影响，并且浪费人力和物力。现有技术中，可以使用塔形消除装置，进行钢卷塔形消除。塔形消除装置根据装设位置，分为在线和离线两种方式;根据采用的执行机构，有液压和气动两种方式。

2 1700 热轧线基本参数

1700 热轧线建成于1978 年，全套引进日本的设备和工艺技术。多年运行后，粗轧区由于设备间隙及对中性的问题，板形和卷形情况不太理想，于2009 年改造后，卷形质量有明显提高。但是仍然存在一定数量的塔形卷，以立卷上部内塔塔形为主。

经分析论证后，决定在1700 热轧线卷取区域采用塔形消除装置，对塔形卷进行塔形消除操作，保证钢卷卷形质量，提高成材率。

2.1 基本参数

卷取带钢厚度:1. 2 ～12. 7mm;卷取带钢宽度:850 ～1550mm;卷取钢卷最大外径:Φ2200mm;卷取钢卷最小外径:Φ1600mm;卷重:max.30t;塔形量:0 ～150mm;钢卷输送形式:立卷;轧线轧制节奏:105s/块钢。

2.2 设计条件

1700 热轧线有3 台三助卷辊式地下卷取机，轧线上的带钢由其中一台卷取机卷取后，经翻钢机翻转90°后，立卷存放于输送链上进行运输。气压驱动的装置设备刚度小、作用力小、结构强度差［2］;离线式塔形消除装置将装设于精轧区，需要进行钢卷吊转和旁站操作，增加精轧区吊车的使用率以及操作人员的工作量;若考虑在输送链上装设塔形消除装置，需要增加塔形消除工作时间，将对轧制节奏有较大影响。因此，考虑在线、液压、前工序(进入输送链前)进行塔形消除操作。据此，需要在卷取机区域装设塔形消除装置。可以考虑在翻钢机上或打捆鞍座上装设塔形消除装置，经过分析、比较，最终确定在打捆机侧鞍座上进行装设。该区域空间较小，极易与卷取机、翻钢机、运卷小车等发生干涉，对结构要求很高。塔形消除装置装设位置见图2。

2.3 负荷条件

图2 1700 热轧线卷取机区

为保证塔形消除装置实现拍打操作，顺利将塔形消除到要求范围，并且不导致钢卷在鞍座上滑移，需要选择合适的拍打力和控制方式。为保证拍打操作过程中钢卷不发生滑移，一般采取两侧同时拍打;在控制方式上，要求两侧拍打板受力均衡，即两侧拍打板的执行机构由同一个管路接入后分两支供压;在拍打力上，需要足够大以便顺利将塔形卷压回到钢卷内，同时不能过大，使钢卷本体受到压迫而变形、损伤。根据工艺要求的参数，设定拍打力为55kN。装置系统油源取自热轧线卷取机区域检修坑道靠近1#卷取机侧，系统最大油压为13MPa。

3 塔形消除装置的结构设计和工作过程

根据装设的环境和工艺要求，设计塔形消除装置，如图3。该装置主要由压板、左右转臂、右鞍座、旋转油缸、右底座、压紧油缸、导杆、转轴、滑动轴承及连接盘等组成。其中，右鞍座、右底座参考现有鞍座及底座进行改造设计;左右转臂采用连接板等连接在转轴上，用键传动;转轴采用连接盘连接在右鞍座上，采用滑动轴承实现转动;左右转臂上采用压板、导杆及压紧油缸等，实现拍打;采用旋转油缸驱动左右转臂，实现左右转臂的旋入、旋出;采用安全销，实现在检修或调试状态下，插入安全销，防止装置的误动作。

塔形消除装置工作过程如下:系统检测到塔形卷(内塔，塔形量＜150mm)→钢卷按要求在鞍座上存放→打捆机完成打捆操作→启动装置→转臂旋入(旋转油缸推出)→转臂到位后，压板压紧(压紧油缸推出)→压板压力达到设定压力值后，压板退回(压紧油缸收回)→压板退回到位后，转臂旋出(旋转油缸收回)→转臂旋出到位后，装置停止。

本次设计中，考虑机旁和集中操作两种方式，可以进行一键操作，也可点动操作。并考虑机旁优先级，以实现在现场检修时，机旁箱能完全控制装置的操作，避免误操作。同时，为避免在拍打过程中两端拍打板动作不一致，在液压系统中采用一套进油路，分两路分别引入到拍打板油缸，实现拍打时受力均衡。并严格根据实际使用情况，设定最大拍打力，防止装置使用时对钢卷造成不必要的损伤。

图3 热轧线塔形卷塔形消除装置结构示意图

4 受力分析及计算

塔形消除装置中活动部件主要受到压紧工作时塔形卷给予的拍打反力，转臂旋入、旋出时转臂重力产生的转矩。分三种状态进行分析。

1)待令位，受到转臂部件重力的转矩作用(受力简图见图4)

图4 待令位受力简图(单位:kN，mm)

此时，左右转臂部件的重力产生对转轴的转矩，因为左转臂部件由旋转油缸进行支撑，所以，右转臂部件的重力对转轴产生扭矩T12。

式中 T12—待令位转轴的扭矩，N·m;

F12—待令位右转臂部件的重力，N;

L12—待令位右转臂部件对转轴的力臂，m。

同时，要驱动装置中的转臂部件实现旋入，旋转油缸要产生推力F1q来克服转臂部件重力产生的力矩M1b。

式中 M1b—待令位转臂部件对转轴的力矩，N·m;

F11—待令位左转臂部件的重力，N;

L11—待令位左转臂部件对转轴的力臂，m;

F12—待令位右转臂部件的重力，N;

L12—待令位右转臂对转轴部件的力臂，m;

μ—滑动轴承半干摩擦系数，取为0.25。

式中 M1q—待令位旋转油缸对转轴的力矩，N·m;

F1q—待令位旋转油缸产生的推力，N;

L1q—待令位旋转油缸推力的力臂，m;

Px—旋转油缸工作油压，MPa;

d1—旋转油缸的油缸直径，mm。

经计算，M1q＞M1b，所以，旋转油缸缸径满足要求。

2)压紧工作位，钢卷给予的压紧反力以及转臂部件的转矩(受力简图见图5)。

图5 压紧工作位受力简图(单位:kN，mm)

此时，压板受到钢卷给予的压紧反力，最大压紧反力按55kN 进行计算。转臂受到的压紧反力F2b的作用，由压紧油缸传递到转臂上，使转臂承受弯扭。

转轴在压紧反力的作用下，受到拉力F21和弯矩M21;同时，由于右转臂的重力作用，产生转轴的扭矩T22。此时，转轴的受力，既有弯矩又有扭矩;并且还有拉力，该拉力作用在转轴与鞍座连接的滑动轴承轴肩上。

3)压紧结束后，油缸杆收回驱动转臂部件旋出工作位(受力简图见图6)。

此时，油缸要产生拉力F2q，克服转臂部件重力产生的转矩使转臂部件回位。

其中:M2b=1.3×(F21×L21+F22×L22)×(1+μ);

式中代号参照公式(2)、(3)。

算得，M2q＞M2b，所以，旋转油缸杆径满足要求。

图6 转臂部件旋出工作位受力简图(单位:kN，mm)

5 主要零件强度校核

5.1 转轴强度校核

装置在不同状态下，转轴的受力不同。

1)在待令位时

转轴主要受到右转臂部件的重力产生的转矩T12。可以使用扭转强度进行直径核算［3］。

式中 d—轴端直径，mm;

T—转轴承受的转矩，N·m;

τp—许用扭转剪应力，按手册取为45MPa。

算得d=105mm，即最小轴径为105mm。

设计的转轴中最小轴段直径为140mm，在该截面计算所得最大扭转应力τmax=17MPa，计算安全系数S=2.65 ＞Sp=2.5，故满足要求。

2)在工作位时

转轴受到拉伸、弯矩和扭矩的作用，其中拉伸力对轴强度影响较小，可不考虑，所以使用弯扭合成强度进行核算。

(1)按弯扭合成强度计算

式中 M—轴在计算截面所受弯矩，N·m;

T—轴在计算截面所受扭矩，N·m;

ψ—校正系数，单向旋转，取为0.6;

σ－1p—轴的许用完全压力，按手册选取。

计算d =167mm，即在与转臂部件联接段最小轴径为167mm。设计中取该段轴径为200mm，采用圆形平键键45 ×25 ×250 进行联接传动。

(2)按静强度安全系数校核

运用该方法校验轴对塑性变形的抵抗能力，即校核危险截面的静强度安全系数。通过分析得出危险截面，并分别进行校核，经计算，危险截面静强度满足要求。

由以上计算可知，转轴设计满足要求。

5.2 滑动轴承校核

转轴与鞍座间的联接由滑动轴承来完成，转轴运行过程中的转速较低，通过对装置的受力分析，应对压紧工作状态时，滑动轴承的压力强度及轴肩的载荷进行校核。

1)压紧工作状态下，滑动轴承的压力强度校核

通过受力分析，在压紧工作状态下，滑动轴承的受力为弯矩作用，经简化，可以视为在滑动轴承上承受P，受力简图见图7。

图7 滑动轴承在压紧工作状态的受力简图

滑动轴承的压力强度按以下公式计算。

式中 p—轴承压强，MPa;

P—轴承径向载荷，N;

d、B—轴颈的直径和工作宽度，mm;

pp—许用压强，MPa，由机械设计手册查得。

算得，p =7. 9MPa ＜pp=8MPa，故轴承选用合理。

2)压紧工作状态下，滑动轴承轴肩承受的轴向荷载校核

在该状态下，轴承承受的最大径向载荷P =322162N，经计算轴承承受的轴向载荷为Pz=55000N，Pz=0.17P ＜0.3P，所以轴向荷载在安全范围内。

6 有限元分析

6.1 分析模型的建立

根据初步设计的结果，采用SolidWorks 软件对装置进行三维建模，装置模型如图8。

6.2 材料数据

材料模型类型:线性弹性同向性。根据零件的具体普通碳素钢、合金钢等材料进行加载。

图8 塔形消除装置实体模型

6.3 仿真分析

在前处理软件中，将材料特性、边界约束条件进行定义，再用FEE 结算器(迭代)求解，将求解结构再调入前处理软件进行结果后处理。

6.3.1 鞍座

鞍座采用普通碳素钢，底板添加固定约束，斜面添加载荷压力150kN，即最大钢卷重量30t，进行网格划分后，仿真分析鞍座应力分布。见图9。

图9 鞍座应力分布

6.3.2 底座

在底板添加固定约束，在上联接面添加载荷压力200kN，即最大钢卷重量30t，并且计算鞍座及转轴等重量，划分网格后，仿真分析应力分布。见图10。

6.3.3 转臂

转臂油缸联接面施加压力55kN，即最大压紧反力55kN，在联接面添加固定约束，划分网格后，仿真分析应力分布。见图11。

图10 底座应力分布

图11 转臂应力分布

通过对原鞍座等部位在增加消除塔形装置后的应力进行有限元分析，表明强度没有问题。

7 装置特点

1)该设计方案充分考虑生产线的生产节奏，在卷取机末、运输链前的工艺环节装设，对整个工艺节奏的影响降到最小。

2)结构设计中，充分考虑环境的要求，利用现有的结构件做载体进行装设，克服空间狭小的难题，采用简单有效的结构型式完成既定的功能设计。

3)该装置制作简单，操作便利，后期检修维护方便。

4)因为可以借鉴的资料少，本着扎实耐用的原则进行设计，在装置设计上偏保守，有待深入研究分析，结合现场使用的实际情况，在后期推广中进行优化。

8 结语

本次设计中，结合产权厂的工艺特点和生产要求，在卷取机后打捆机鞍座上进行装设，存在空间狭小、难以布置的困难，通过利用已有的底座、鞍座，完成装置的固定、联接，从而实现预定的要求，具有较好的创新性。该装置研制完成后，经过现场安装、调试，能顺利完成拍打操作，能有效消除塔形卷的内塔形，对钢卷不会产生任何损伤，使用效果良好。

［1］于千，杨健，余威，王伦，李瑞恒. 热轧带钢卷取塔形产生原因及防范措施［J］.轧钢，2007(3):59－60.

［2］罗威，魏欣，吴洋子，傅连东，曾良才.新型离线式钢卷塔形消除装置的液压系统设计［J］.液压与气动，2012(8):21－23.

［3］成大先. 机械设计手册［M］. 北京:化学工业出版社，2006.