冷态厚板带卷取机卷筒钳口结构设计选型①

徐　俊

(常州宝菱重工机械有限公司， 江苏 常州　213019)

引　言

卷取机作为冷态板带成卷设备，广泛应用于冷(热)轧酸洗、轧机、连退、平整、精整等机组中。由于冷态板带卷取具有张力大、速度高、卷取质量好等工艺要求，冷态板带生产过程中所使用的卷取机绝大多数采用卷筒式卷取机。卷筒作为卷取机的核心零部件，其产品质量决定了卷取机的适用范围、使用寿命、轧制工艺设备运行的稳定性。

冷带钢卷取过程中，卷取厚度小于3 mm的带钢时，广泛采用助卷器等辅助设备进行带头卷取，形成初始卷取张力；而卷取厚度3 mm以上的带钢，一般在卷筒上设置钳口装置进行带头卷取，形成较大的张力。带钳口卷筒的卷取机一般应用于酸洗、可逆轧机、平整机组、轧前准备机组中。根据带厚及生产工艺的特点，钳口结构也各不相同。

随着国民经济的大力发展，一些新型材料、特殊厚度的冷态板带材也得到广泛应用，如7～8 mm厚的高强钢板带，8～12 mm厚的不锈钢带等。对于这些厚板带的卷取，需应用适应大张力、高速、高刚性的卷筒，而设计合理、使用方便可靠的钳口装置是此类卷筒设计的重要内容。

1　钳口结构分析

钳口装置结构较多，一般分为固定钳口和活动钳口两种类型，常用的多为活动钳口。

1)厚板卷取时，要使板带头弯曲并紧贴在卷筒上，则钳口需产生较大的夹紧力，夹紧带头；钳口夹紧带头后，电机旋转出力，在扭矩的作用下产生较大的初始张力。而固定钳口则无法提供夹紧力，也就不能形成初始张力。因此，固定钳口较少使用，只在某些特定场合使用。固定钳口装置结构简单，只在扇形板上加工出钳口槽即可，如图1所示。工作时，厚带头插入钳口槽中，电机缓慢转动弯曲带钢贴合在卷筒上(有时需人工干预)进行卷取。生产不锈钢机组中，也会用到一种带钳口槽的厚套筒卷取不锈钢带。钳口槽设计时，需根据带钢厚度及带钢特性，选取合适的槽口深度和厚度。槽口一般较深，可达40 mm以上。

1.拉杆；2.芯轴；3.棱锥套；4.扇形板；5.闭合条；6.钳口扇形板图1　固定钳口结构图

2)活动钳口则使用较广泛，结构类型多。一般适用于厚板带卷取的钳口装置可分为液压式、机械式结构，如图2～8所示。

图2为一种液压摆式钳口结构。钳口活塞推动摆动钳口板压着带头靠近固定钳口板，在钳口压板和滚珠的作用下，摆动钳口板摆动压紧带头，形成初始张力；卸卷时，液压钳口回油，摆动钳口板由钳口压板处的弹簧复位。由于是液压活塞直接驱动，该钳口能产生较大的张力，而且钳口开度大，适合厚板带的卷取机。该结构卷筒常用于不锈钢热酸机组中，可卷取12mm厚的不锈钢带。但是，该卷筒为弓形块摆动结构，卷筒外圆不能整体胀缩，造成卷筒卸卷困难，卷筒固定表面磨损大。另外，液压钳口对制造精度要求高，使用过程中会产生漏油现象，需经常更换密封。因此，新设计的卷筒不推荐采用此种结构。

1.芯轴；2.弓形块；3.闭合块；4.弓形块弹簧；5.固定钳口板；6.钳口活塞；7.摆动钳口板；8.滚珠；9.钳口压板(弹簧)图2　液压摆式钳口结构图

1.棱锥轴；2.扇形板；3.钳口扇形板；4.钳口压板；5.钳口板；6.固定钳口板；7.键块图3　径向液压钳口结构图

图3为一种径向液压钳口四棱锥类型卷筒，其强度、刚性好，能满足可逆冷轧机组卷取机使用要求。径向液压钳口能提供较大的夹紧力，较容易地夹紧带头，确保顺利卷取，卷形好，特别适合不锈钢、硅钢等需大张力卷取的使用场合。工作时，液压活塞推动钳口板压紧带头；卸卷时，液压回油，弹簧复位钳口板。卷取厚板带时，由于张力大，磨损较严重，设计时需考虑钳口板、压板及固定钳口板的材料、结构及表面硬度，提高其刚性及耐磨性。卷筒使用时，需注意钳口液压活塞漏油情况。

在不锈钢、硅钢生产机组中，还经常用到一种径向机械钳口四棱锥卷筒，如图4所示。钳口液压缸推动钳口拉杆轴向移动，通过钳口拉杆与钳口斜楔、斜楔与钳口板顶柱间的斜面运动，实现钳口板的径向运动，从而将带头夹紧在固定钳口板和钳口压板处。钳口液压缸回拉时，钳口弹簧复位，钳口松开。该卷筒钳口结构复杂，制造装配精度要求高，成本较高，但同时避免了上述液压钳口漏油的现象。设计时也应考虑钳口整体的刚性、强度及耐磨性。

图3,4所示的钳口可实现8～10 mm的厚带卷取，而且卷筒能整体胀缩，利于卸卷。

1.棱锥轴；2.钳口拉杆；3.钳口斜楔；4.钳口板顶柱；5.钳口弹簧；6.外支撑头；7.扇形板；8.钳口扇形板；9.固定钳口板；10.钳口板；11.钳口压板；12.键块图4　径向机械钳口结构图

图5所示为一种摆式机械钳口结构。在卷筒胀开的过程中，顶板推动摆动钳口板和钳口压板绕钳口转轴反向旋转，压紧带头。卷筒收缩时，摆动钳口板和钳口压板在钳口弹簧的作用下复位，松开带头。该钳口可通过更换钳口条的方式，实现较薄带或厚带的钳口夹紧卷取。该钳口可卷取12 mm及以上的厚带。

1.芯轴；2.拉杆；3.扇形板弹簧；4.外支撑头；5.扇形板；6.摆动钳口板；7.钳口弹簧；8.摆动钳口压板；9.钳口转轴；10.斜楔；11.顶板图5　摆式机械钳口四斜楔卷筒结构图

相对于摆式机械钳口，图6所示的斜楔闭合式钳口结构更为简单，通过斜楔的移动和弹簧的拉压，卷筒胀缩和钳口松夹同时动作。该类型卷筒还可设计为对称钳口，实现上、下卷取的功能。该类型卷筒结构简单，制造成本相对较低。这种钳口能产生较大的夹紧力，满足6～8 mm厚带的卷取，在酸洗机组中广泛应用。

图7所示为一种斜楔式钳口结构。钳口斜楔块推动闭合斜楔将带头压向钳口条，并压紧。卷筒扇形板的胀缩由旋转油缸推动斜楔块实现，钳口的夹紧由钳口液压缸推动钳口斜楔块实现。这两种动作分别独立控制，可在卷筒胀开过程中夹紧带头。该钳口结构简单，但钳口整体刚性较差。为防止带头插入钳口太深而无法卸卷，需在扇形板上设置挡带头装置。这种钳口能满足12 mm厚带的卷取，多应用于酸洗机组中。

图8所示为一种扭杆弹簧式钳口结构。卷筒胀缩过程中，钳口在钳口斜楔的移动下松、夹带头。钳口夹住带头后，扭杆弹簧预紧力协助钳口条反向摆动夹紧带头。卷筒收缩时，钳口在弹簧的作用下复位。

1.芯轴；2.扇形板；3.导柱；4.闭合条；5.斜楔；6.弹簧；7.钳口块；8.钳口弹簧；9.钳口条；10.扭杆弹簧；11.钳口斜楔图8　扭杆弹簧式钳口结构图

厚带卷取时，由于卷筒钳口结构及带钢材料的影响，带钢在卷筒钳口折弯处并不能贴合在卷筒上，而会形成一个凸包，随着钢卷的增大，凸包也会更明显。这就造成了钢卷的偏心，影响卷取质量和卸卷。扭杆弹簧式钳口通过扭杆的扭动和钳口条的摆动，压紧厚带带头，使带头折弯处也能贴合在卷筒表面，避免凸包出现，减少钢卷偏心影响。这对于厚带卷取是非常有利的。

扭杆弹簧式钳口卷取带钢厚带范围大，能满足12 mm厚板带的卷取。综合考虑该钳口的优点、制造成本等，设计厚板卷取钳口时可优先考虑。

2　设计计算

2.1　钳口夹紧力

板带卷取过程中，钳口的夹紧力一般是根据板带弯曲条件确定的。只有当初始张力大于板带弯曲张力，才能保证带材贴合在卷筒上。在带材弯曲塑性变形的假设条件下，板带弯曲张力按下式计算

(1)

式中Tb为带材弯曲张力(N)；b为板带宽度(mm)；h为板带厚度(mm)；D为卷筒直径(mm)；σs为板带屈服极限(MPa)。

卷取初始张力必须满足

Ts≥Tb

(2)

式中Ts为卷取初始张力(N)。

卷取初始张力由钳口摩擦力产生，由钳口夹紧力和摩擦系数决定

Ts=fQ

(3)

根据式(1),(2)和(3)，可得钳口夹紧力计算式

(4)

式中Q为钳口夹紧力(N)；f为带钢与钳口接触摩擦系数，对于带齿的钳口，f一般取值0.5～0.8。

若以钳口夹紧弯曲力矩为计算条件，则钳口夹紧弯曲力矩必须大于带头折弯处断面弯曲力矩，此时钳口夹紧力为

(5)

式中L为钳口夹紧力作用点到折弯点的距离(mm)，根据卷取时带头实际弯曲情况取值。

钳口设计时，应按式(4)计算，并按式(5)校核钳口夹紧力。

2.2　钳口运动几何位置

有些钳口结构较复杂，与扇形板之间也有联动关系，在设计时，需考虑两者之间的运动联系，以优化相关结构。

以图8所示扭杆弹簧式钳口为例，简要分析计算钳口与扇形板之间的运动关系。钳口条在斜楔的推动下胀开扇形板，同时钳口斜楔推动钳口块胀开扇形板并夹紧带头。斜楔和钳口斜楔由旋转油缸同时推动动作，因此这两者之间的斜楔角度必须匹配。设计时，应优化两斜楔角度，既能使钳口产生较大夹紧力，也能保证扇形板运行顺畅，并保证真圆状态工作。扭杆弹簧结构钳口运动位置简图如图9所示。

图中，a，b，c为闭合条4、钳口块7、扇形板2的运动位移。由此可得相互间的位置关系：

(6)

(7)

而a=s·tanφ1c=s·tanφ2

(8)

图9　扭杆弹簧式钳口运动位置示意图

式中s为旋转油缸行程(mm)；φ1，φ2分别为斜楔和钳口斜楔的斜角。

根据式(7)和式(8)即可得到两斜角间的关系。设计时，可按此几何关系选取合适的斜角和旋转油缸行程。其它结构的钳口也可做类似分析。

3　结束语

卷取机卷筒钳口装置结构类型较多，而适合冷态厚板带卷取的钳口结构则相对较少。设计时，要结合钳口结构的特点及使用情况，进行充分地计算、校核，选择一种合适的钳口结构。从目前掌握的使用情况来看，图8所示的扭杆弹簧式钳口不失为一种较理想的冷态厚板带卷取钳口结构。但是在设计选型时，还是需根据用户的现场实际情况和加工制造、维护成本等多方面考虑。

参考文献：

[1]周国盈.带钢卷取设备[M].第一版，北京：冶金工业出版社，1992.

[2]于涛，宋智良.冷轧卷取机扭杆弹簧式钳口结构及参数确定[J].一重技术，2014，(1)：1—5.