一种热轧卷筒胀径微调的改造设计与计算

胡世标，汪时行，李徽

（1.湖南科美达重工有限公司；2.湖南理工学院机械工程学院，湖南 岳阳 414000）

连杆柱塞式卷筒是热轧带钢地下卷取机热轧卷筒的主流结构之一。其结构特点主要在于芯轴安装在卷筒空心轴的中空孔内，四块扇形板互为90°布置在空心轴外侧的四个方向，形成封闭的圆柱体状结构，通过连杆和销轴与芯轴连接。空心轴内部装有柱塞，

内有耐热压缩弹簧。胀缩油缸拉动芯轴，芯轴上的四棱锥面推动柱塞沿空心轴的径向孔向外顶开扇形板，使卷筒胀开，反之，胀缩油缸推着芯轴，连杆拉着扇形板向内运动，使卷筒缩小。

国内外不同公司的设计理念不同，连杆柱塞式卷筒的胀缩量也不尽相同。

典型结构之一，卷筒缩小在正常缩径的基础上再增加了事故圆，卷筒胀大至正常胀径的前提下，将胀径再增加了一定的富裕量。该类卷筒具体的胀缩尺寸分别为φ722mm（事故圆）、φ730mm（正常缩径）、φ752mm（预胀、真圆）、φ770mm（最大胀径）。

典型结构之二，卷筒胀缩只有正常缩径、正常胀径，其具体的胀缩尺寸分别为φ727mm（正常缩径）、φ745mm（预胀、真圆）、φ762mm（正常胀径）。这两种典型结构的卷筒在实际运用中，为了保证扇形板，柱塞和芯轴表面之间能够贴紧，在柱塞中都装有圆柱弹簧，在任一自由状态下，扇形板与柱塞并不直接接触，而是有0～4mm的间隙，这样有效减少了带头的冲击。在任一自由状态下，连杆都拉住扇形板，使得连杆的运动与斜面机构运动之间不会产生干涉。

典型结构二的卷筒，由于其设计的胀缩范围相对较小，为避免在胀缩极限位置扇形板与柱塞间的冲击，在胀径和缩径两种状态，扇形板与柱塞之间留有一定的初始间隙，一般取值0.5mm左右。

连杆柱塞式热轧卷筒主要由空心轴、扇形板、芯轴、连杆、柱塞等组成，如图1所示。

图1 连杆柱塞式热轧卷筒

1 卷筒的胀缩原理

连杆柱塞结构卷筒通过连杆和柱塞（及弹簧）共同作用下，控制着卷筒的胀大与缩小。对连杆的运动轨迹可做出图2所示的弧线，其中角度和之间的弧线段为连杆运动轨迹，角度为的位置1为卷筒最大时的连杆状态，角度为的位置2为卷筒最小时的连杆状态。当AB点水平方向的距离即为芯轴的轴向行程时，相当于此时柱塞从A点运动到B点，AB两点的连线为柱塞相对芯轴的运动轨迹，与水平方向的夹角为两者相对运动斜面的水平夹角。如果连杆运动轨迹超出之间的范围，连杆比柱塞在垂直方向的位移要小，连杆的运动和柱塞会产生干涉，故设计的连杆运动只能在范围内。扇形板和柱塞只作径向运动，在没有弹簧的影响下，芯轴轴向位移，扇形板和柱塞相对芯轴斜面夹角的作用下产生径向位移，而且它们的位移量会始终一致。由于扇形板还受到连杆的牵制以及弹簧的作用，相对于柱塞会产生随芯轴轴向位移而变化的间隙，这个间隙的作用就是缓冲带头对扇形板的冲击，使卷筒胀缩平稳，延长柱塞和扇形板的使用寿命。

图2 连杆运动轨迹示意图

2 卷筒的使用问题

上述典型结构二的连杆柱塞式热轧卷筒，在实践使用中基本上可满足各种生产线的工艺要求，但针对某些高强度较厚带钢，卷取时会出现松卷、塌卷，甚至出现卷筒回缩现象，严重影响钢卷卸卷以及钢卷的品质。究其原因，该结构卷筒的胀径不足是其主要原因之一。下面将对既有卷筒进行改造，在更换少量小件及大件适量加工的前提下，微调卷筒的胀径，以适应更高要求的带钢生产。

3 连杆的设计与计算

典型结构二的胀缩范围φ727～φ762mm，为适当增大其胀径，参照典型结构一将最大圆直径调整至φ770mm。

3.1 芯轴行程计算

根据芯轴与柱塞斜面的相对关系，理论上计算出卷筒在胀缩范围φ727～φ762mm的轴向行程。如图3所示：斜面角度为α；卷筒从最小圆胀大至最大圆，单边胀径为H；相应芯轴的轴向行程为L。

图3 芯轴与柱塞斜面关系示意图

其中：

L圆整为一位小数为66.2mm。

3.2 连杆计算

连杆在卷筒处于最大圆与最小圆两个状态的相对关系，如图4所示（具体结构参考图1），假设连杆在卷筒处于最大圆，芯轴销轴孔与扇形板段销轴孔在轴向初始偏移量为X，连杆轴向行程为L，连杆销轴孔中心距为A（原设计192.15mm）。利用卷筒现有结构已知的参数有：卷筒最大圆半径为385mm，芯轴销轴孔与卷筒的中心距为98.5mm，扇形板销轴孔与其圆弧面的距离为93mm，推导出卷筒处于最大圆时，扇形板销轴孔与芯轴销轴孔在径向的距离为193.5mm，卷筒最大圆与最小圆之间的胀缩量为21.5mm，其相对关系见图4所示。

图4 连杆相对关系示意图

根据图4，可列三角函数方程式如下：

解方程式，得

X=26.25(圆整两位小数)

代入公式（1），得A=195.27。

以上三个参数X、L和A在实际设计中可适当调整。将连杆按新的销轴孔中心距设计，可调整卷筒的胀缩范围，分别为φ727mm（正常缩径）、φ745mm（预胀、真圆）、φ770mm（正常胀径），可以解决该卷筒在卷取某些高强度较厚带钢时出胀径不足的问题。

4 相关件再设计

上述改造设计涉及柱塞抬高，芯轴行程增大，但原件都可以满足正常使用。空心轴、扇形板安全挂耳需根据胀径变量对半加大避让空间。卷筒传动侧涨缩油缸限位块需根据行程变量作相应调整，涨缩油缸传动侧富裕行程基本可满足使用，有必要可在涨缩油缸修复时可适当调整相关尺寸。

5 结语

热轧生产线由于其工况及极冷极热的恶劣环境，要求卷筒设计首当其冲要考虑结构的可靠性。在既有的技术前提下，设计者要博采众长，善于总结、综合，再结合实际使用出现的问题，设计出更可靠和先进的卷筒结构，满足不同生产工艺要求，确保在特殊产品生产的情况下卷筒依然能安全使用，并尽可能提高卷筒的使用寿命。