2400 mm铝带1+4热连轧机组卷取机结构及力能参数分析

高卫军

(二重集团(德阳)重型装备股份有限公司，四川618000)

卷取机是生产带卷不可缺少的主要设备之一，本文介绍的卷取机位于铝带热连轧精轧机的出口端，用于将被圆盘剪和碎边剪切边后的成品铝带卷成带卷，便于存放和运输。生产实践证明，卷取机的工作状态直接影响连轧机生产能力的发挥。

1 主要技术参数

(1)材料：1XXX、2XXX、3XXX、4XXX、5XXX、6XXX、7XXX、8XXX等系列的铝合金

(2)成品尺寸：铝带厚度2 mm～10 mm；铝带宽度1200 mm～2100 mm；铝卷内径∅610 mm；铝卷外径∅1200 mm～∅2450 mm；铝卷重量≤29.5 t

(3)最大卷取张力：25 t

(4)最大卷取速度：600 m/min

(5)卷筒直径：∅607 mm，涨缩范围∅580 mm～∅6l0 mm

(6)卷筒长度：2400 mm

(7)涨缩缸行程：90 mm

2 卷取机的结构分析

卷取机主要由主传动装置、卷取机本体、活动外支撑及电气控制元件等组成。卷取机本体又包括旋转接头、涨缩缸、卷筒及固定支撑卷筒的减速机等部分组成。

2.1 卷筒

卷筒是卷取机本体的重要核心部分，卷筒的好坏直接关系卷取机的工作稳定性及铝带的卷取质量。本次设计的卷筒结构为不带钳口的四棱锥式如图1所示。

1—减速机 2—扇形板 3—芯轴 4—端头 5—压缩弹簧 6—压盖图 1 卷筒结构Figure 1 Drum structure

卷筒由带四棱锥的芯轴、四个扇形板、滑板、压缩弹簧、轴承等组成。

卷简直径的变化是通过涨缩缸推动带四棱锥的芯轴作轴向移动，依靠自润滑滑板斜面作用，使4个扇形板产生径向移动来实现卷筒直径的涨缩。根据图1中卷筒的状态，当芯轴向右运动时，卷筒产生涨径；芯轴向左运动时，卷筒产生缩径。由扇形板的结构如图2所示，卷筒胀开后，4个扇形板之间形成矩齿形结构，如图3所示，这样带卷内表面不至于出现压痕，适合于带材的卷取。卷筒的旋转是由变频交流电机通过减速机来传动。

图 2 扇形板结构Figure 2 Fan-shaped plate structure

图 3 卷筒扇形板的接口形式Figure 3 Interface type of fan-shaped plate of drum

芯轴斜面上的滑板采用的是自润滑材料，这样就避免了采用干油润滑时，由于温度高、漏油等因素造成的润滑脂溢出，落在铝卷表面，影响铝带表面质量。

2.2 减速机

减速机为一级圆柱齿轮传动，采用硬齿面，齿轮材质为合金锻钢件，齿轮精度为6级。卷筒四棱锥芯轴是减速机的低速轴，大齿轮直接装在卷筒四棱锥芯轴上。采用此结构的减速机即完成了传动系统的减速和动力传动，又起着固定支撑卷筒的作用，所以减速箱的箱体必须有足够的刚度和强度，以满足卷取大张力的要求。并且为满足重载、高速的要求，减速机的轴承及齿轮啮合处采用稀油循环润滑，既能带走轴承热量又能冲走齿轮啮合产生的铁屑。

2.3 活动外支撑

活动外支撑在卷筒的头部，用以支撑卷筒。避免卷筒由于张力较大、卷筒较长，并且处于悬臂状态工作导致的卷筒耷头，有效地防止卷筒变形，保证卷取的最终质量。活动外支撑由支座、液压缸、支撑杆等部分组成。卷取完成时，活动支撑的两个支撑杆摆开，便于卸掉铝卷。液压缸固定在卷取机平台支座上，用于旋转活动的支撑杆。

2.4 卷取过程

卷取机卷筒为二级涨缩，铝带经过偏转夹送辊进入助卷器与卷筒之间，开始卷取时，实现一级涨缩，卷筒直径为∅607 mm。当卷到3～5圈后，卷筒开始终涨，实现第二次扩涨，卷筒直径为∅610 mm，在终涨的过程中，带材逐渐被箍紧，当卷筒与带材的相对滑动消失时，进入恒张力卷取。此时，助卷器打开，靠卷筒单独卷取，此时卷取速度与带材的运行速度相等。

3 卷取机的力能分析

3.1 卷取机电机功率的选择

N=KTV/(1000×η)

式中，K值为考虑摩擦及塑性弯曲的影响系数，一般取K=1.1～1.2；T为铝带的卷取张力，单位为N；V为铝带的卷取速度，单位为m/s；η为整个传动系统的传动效率，一般取η=0.85～0.9；TV的值为各种工艺条件下，速度和张力乘积的最大值。

取电动机额定功率P要大于N，为了减小转动惯量GD2，故选用低速电机。

3.2 卷筒直径的选择

卷筒直径的选择应考虑以下几个因素：

(1)为避免铝带在卷取过程中产生塑性变形，所以卷筒直径不能太小。

(2)为避免卷筒转动惯量GD2过大，影响其启动、制动及动平衡性，所以卷筒直径不能太大。

(3)卷筒的设计必须满足主要零部件的强度和刚度。

理论上，卷筒直径的选择以卷取过程中铝带内层不产生塑性变形为原则。

以材料7A09为例，因为它的E/σs值最小，所得的卷筒直径最小。卷筒直径与铝带力学性能、厚度的关系为：

D≥Ehmax/σs=72000×10/505=1425.74 mm

式中，D为卷筒直径，单位mm；E为铝带的弹性模量，单位MPa；hmax为卷取铝带的最大厚度，单位mm；σs为铝带的屈服强度，单位MPa。

式中的计算结果非常大，而实际生产中所选用的卷筒直径往往比计算所得的数值小。所以卷筒直径的选择应理论结合实际，根据现场使用经验选择卷筒直径，取值为∅610 mm。

3.3 卷筒涨缩时的受力分析

根据上述的卷筒结构，卷筒涨缩是由涨缩缸驱动带四棱锥的芯轴，依靠斜面作用，使4个扇形板产生径向移动来实现的。

根据机械原理可知，若斜角α小于滑动面的摩擦角β时，即使卷筒上承受再大的径向压力，均不会使卷筒扇形板与四棱锥芯轴配合的斜面产生相对滑动，处于自锁情况，此种状态对卷筒受力极为不利，很容易使卷筒产生塑性变形。

所以我们设计的卷筒是取值α>β的“缩径卷筒”。滑动面的摩擦角即自锁角β一般取7°～8°。当摩擦表面的摩擦力和轴向涨缩缸的推力之和小于卷筒径向压力时，卷筒扇形板与四棱锥芯轴的接触表面就会产生相对运动。

3.3.1 卷筒的径向压力

卷取机卷取工作时，卷筒所受的径向压力为：

式中，σ0为铝带卷取的单位张力，σ0=T/Bh，单位kN/mm2；f为铝带层与层之间的摩擦系数，取f=0.12；R为铝卷外半径，单位mm；r1为卷筒外半径，单位mm。

缩径时，卷筒压力系数k为：

式中，c=1.35。

3.3.2 扇形板支反力

四棱锥卷筒受力图如图4所示。扇形板支反力为：

式中，B为铝带宽度，单位mm；d为卷筒直径，单位mm。

图4 四棱锥卷筒受力图Figure 4 Force diagram of rectangular pyramid

3.3.3 四棱锥芯轴的轴向受力

卷筒工作时，卷筒四棱锥芯轴及扇形板的受力分析如图5所示。此时卷筒受力达到平衡状态，方程式为：

-P1+Ncosα+fNsinα=0(1)

F+4fNcosα-4Nsinα=0(2)

由式(1)、(2)可得：

图5 卷筒四棱锥芯轴及扇形板的受力分析Figure 5 Force diagram of mandril of rectangularpyramid and fan-shaped plate

式中，f为斜面上的摩擦系数，f=0.1；α为四棱锥轴卷筒芯轴斜面的斜角，芯轴的斜角取tanα=1/5=0.2，即α=11.31°。

3.3.4 涨缩缸的选择

涨缩缸活塞直径的选择要按照“顶得紧”的原则进行选择，即涨缩缸所需轴向力Q应大于F。

涨缩缸直径的选择有两种情况：

(1)活塞侧进油胀径时，涨缩缸直径为：

(3)

(2)活塞杆侧进油胀径时，涨缩缸直径为：

(4)

式中，Dg为涨缩缸活塞直径，单位mm；Q为涨缩缸最大平衡力，单位N；P0为液压系统工作压力，单位N/mm2；dg为涨缩缸活塞杆直径，单位mm；η为涨缩缸效率，可取值0.95。

本次设计的卷筒为活塞杆侧进油涨径，故本涨缩缸选用公式(4)来计算其活塞直径。

4 结论

本文分析了铝带热轧卷取机的结构特点，并结合相应的理论计算来设计卷取机。由于卷取速度快，为了使卷取机在加减速、启动、制动时反应灵敏，要求设备转动惯量小，动平衡好，而且应理论结合实际。国内外生产中现有的卷筒结构、性能、参数、制造情况、使用情况等实际经验是我们选择结构型式和卷筒直径的重要依据。

[1] 邹家祥. 轧钢机械(第三版)[M]. 冶金工业出版社，2000.

[2] 周国盈. 带钢精整设备[M]. 机械工业出版社，1982.

[3] 王海文. 轧钢机械设计[M]. 机械工业出版社，l983.