卡羅塞爾卷取機結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)分析

梅如敏

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213019)

1 前言

卡羅塞爾卷取機(Carrousel Tension Reel)又稱為轉(zhuǎn)盤式雙卷筒張力卷取機。該設(shè)備主要完成將帶材卷取成鋼卷的動作，以方便成品鋼板的倉儲和運輸?？_塞爾卷取機1號卷筒通過脹縮油缸回拉斜楔使卷筒脹開，電機驅(qū)動齒輪箱使卷筒轉(zhuǎn)動，在皮帶助卷器的輔助下，薄鋼帶緊貼在卷筒上，先慢后快將帶鋼卷取成鋼卷。卷取完成時由飛剪將帶鋼切斷，卷筒通過脹縮油缸推動斜楔使卷筒縮小，由卸卷小車托起鋼卷將鋼卷從卷筒上卸下，完成卷取。在1號卷筒卷取時，卡羅塞爾卷取機的大箱體同步進行公轉(zhuǎn)，在1號卷筒完成第一卷的卷取前2號卷筒就轉(zhuǎn)到待卷位，1號卷筒完成卷取后馬上切換到2號卷筒進行下一個鋼卷的卷取。上述過程是連續(xù)的，因而能實現(xiàn)連續(xù)的卷取作業(yè)，從而保證機組始終處于連續(xù)生產(chǎn)的狀態(tài)。

卡羅塞爾卷取機工作可靠性高，能滿足生產(chǎn)線的高速、連續(xù)生產(chǎn)要求。卡羅塞爾卷取機設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，能節(jié)省安裝空間40%左右。在生產(chǎn)線上布置卡羅塞爾卷取機后，減少重復(fù)的轉(zhuǎn)向裝置、穿帶裝置、助卷器、卸卷小車等設(shè)備，可節(jié)省廠房空間，減少投資(相對于傳統(tǒng)布置的雙卷取機)。

卡羅塞爾卷取機用途廣泛，既可作為開卷機使用，又可作為卷取機使用，用于熱軋、冷連軋、一些大型連續(xù)工藝生產(chǎn)線(如鍍鋅、彩涂)等。由于生產(chǎn)線條件及產(chǎn)品要求的限制，卡羅塞爾卷取機在冷連軋(酸軋)生產(chǎn)線中應(yīng)用最多。自2000年國產(chǎn)化第一臺卡羅塞爾卷取機以來，國內(nèi)已生產(chǎn)幾十臺該類設(shè)備，主要應(yīng)用于冷連軋(酸軋)生產(chǎn)線。但國內(nèi)相關(guān)的文獻報道不多，對其結(jié)構(gòu)還沒有系統(tǒng)的分析研究。因此，本文從類型、結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)等方面對卡羅塞爾卷取機進行系統(tǒng)分析、總結(jié)，為自主設(shè)計卡羅塞爾卷取機提供一些設(shè)計方法和經(jīng)驗。

2 卡羅塞爾卷取機類型

卡羅塞爾卷取機一般按其傳動方式可分為行星齒輪傳動式和三層空心軸傳動式兩種類型，結(jié)構(gòu)示意分別見圖1、圖2。

行星齒輪傳動式工作原理為電機通過減速裝置及聯(lián)軸器分別單獨驅(qū)動兩個獨立傳動的平行軸。平行軸上的齒輪與齒圈及行星框架等構(gòu)成行星輪系。行星輪系將力矩傳遞到卷筒芯軸，從而帶動卷筒旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)帶鋼的卷取。當(dāng)1號位(圖1中低位處)卷筒卷取一定鋼卷后，公轉(zhuǎn)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)1號位卷筒至2號位繼續(xù)卷取至成品卷，同時2號位卷筒旋轉(zhuǎn)至1號位待卷。

三層空心軸傳動式工作原理為電機通過聯(lián)軸器及減速裝置分別單獨驅(qū)動兩中空花鍵軸，花鍵軸通過齒輪帶動卷筒工作。1號位卷筒驅(qū)動外層花鍵軸，2號位卷筒驅(qū)動內(nèi)層花鍵軸。內(nèi)層花鍵軸內(nèi)裝有一中空軸，與主回轉(zhuǎn)接頭連接。故該種傳動方式稱為三層空心軸傳動式。轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)方式同行星齒輪式。

國內(nèi)早期制作的卡羅塞爾卷取機為行星齒輪式的，主要在益昌薄板廠、鞍鋼等企業(yè)使用。在文獻［1］詳細(xì)介紹了行星齒輪式卡羅塞爾卷取機及其國產(chǎn)化。由于行星齒輪傳動式卡羅塞爾卷取機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本高，故近期制造的卡羅塞爾卷取機以三層空心軸傳動式為主。因此本文也主要介紹這種卡羅塞爾卷取機。

3 卡羅塞爾卷取機結(jié)構(gòu)

卡羅塞爾卷取機由本體及相關(guān)附屬設(shè)備及裝置等組成。

3.1 本體結(jié)構(gòu)

卡羅塞爾卷取機本體由主傳動裝置(主電機、聯(lián)軸器等)、主回轉(zhuǎn)接頭、主減速器、公轉(zhuǎn)箱體、卷筒、鎖緊裝置、托輥、公轉(zhuǎn)電機及減速裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)主傳動裝置由主電機、聯(lián)軸器等組成。一般在電機尾部布置有制動器和PLG，用于卷取機控制。聯(lián)軸器采用鼓形齒式聯(lián)軸器，傳遞較大力矩。

(2)主回轉(zhuǎn)接頭。用于向公轉(zhuǎn)箱體輸送潤滑油及液壓油。主回轉(zhuǎn)接頭的尾部一般和滑環(huán)相連，滑環(huán)為公轉(zhuǎn)箱體上的控制元件提供配線。主回轉(zhuǎn)接頭與中心軸相連，位于卷取機的中心。

(3)主減速器。主減速器為臥式結(jié)構(gòu)，由上下箱體、齒輪等主要件構(gòu)成。

(4)公轉(zhuǎn)箱體。公轉(zhuǎn)箱體為上、下分體式結(jié)構(gòu)。行星齒輪式卡羅塞爾公轉(zhuǎn)箱體由上下箱體、行星齒輪、行星框架、傳動齒輪、傳動軸、球面軸承、公轉(zhuǎn)齒圈等主要件構(gòu)成。三層軸式卡羅塞爾公轉(zhuǎn)箱體由上下箱體、卷筒傳動齒輪、三層空心軸、球面軸承、公轉(zhuǎn)齒圈等主要件構(gòu)成。球面軸承裝在主減速器箱體上，內(nèi)孔面與公轉(zhuǎn)箱體連接。公轉(zhuǎn)時，公轉(zhuǎn)箱體連同卷筒在球面軸承和托輥的支承下旋轉(zhuǎn)。

(5)卷筒。液壓脹縮卷筒一般采用四棱錐式結(jié)構(gòu)，以確保卷筒在承受大張力時能可靠工作。卷筒脹縮量一般為25mm左右，由空心軸、斜楔塊、扇形板、旋轉(zhuǎn)油缸、旋轉(zhuǎn)接頭等主要件構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)油缸布置在卷筒尾部，有兩種結(jié)構(gòu)方式，一種采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)與卷筒芯軸做成一體，另一種方式為成品油缸，通過法蘭與卷筒芯軸連接。

圖3 三層空心軸式卡羅塞爾卷取機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of triple-layer hollow shaft Carrousel reeler

卷筒一般與公轉(zhuǎn)箱體裝配成一體，拆卸時需打開公轉(zhuǎn)箱體。但有些國外設(shè)計的卷取機采用一種可整體抽出卷筒進行更換的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。更換卷筒時只需拆下旋轉(zhuǎn)油缸及卷筒芯軸與箱體的連接螺栓，就可以將卷筒整體抽出更換，以節(jié)省更換備件時間。

圖4 可整體抽出式卷筒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of entire pulling-out type winding drum

(6)鎖緊裝置。鎖緊裝置由鎖緊擋塊及夾緊裝置組成，用于卷取機工作時鎖緊公轉(zhuǎn)箱體，保證平穩(wěn)卷取。鎖緊擋塊及夾緊裝置均采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動，機械鎖緊。

(7)托輥。用于支撐公轉(zhuǎn)箱體及鋼卷重量。

(8)公轉(zhuǎn)電機及減速裝置。用于驅(qū)動公轉(zhuǎn)箱體旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)公轉(zhuǎn)，由電機、減速器、聯(lián)軸器、驅(qū)動齒輪等組成。公轉(zhuǎn)電機驅(qū)動公轉(zhuǎn)減速器及小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過小齒輪與固定在公轉(zhuǎn)箱體上的大齒圈的嚙合，帶動卡羅塞爾卷取機本體公轉(zhuǎn)。由于公轉(zhuǎn)裝置靠近公轉(zhuǎn)箱體，此處空間較小，故公轉(zhuǎn)減速器結(jié)構(gòu)緊湊。

3.2 附屬設(shè)備及裝置

卡羅塞爾卷取機附屬設(shè)備主要包括壓輥、外支撐、回油裝置、防護罩及安全罩等。

(1)壓輥。為防止帶鋼分切后高速甩尾造成事故，在卡羅塞爾卷取機的卸卷位置都布置有壓輥，壓輥采用液壓缸驅(qū)動。壓輥的數(shù)量一般為2～3個。

(2)外支撐。為保證卷筒卷取時的平穩(wěn)性，在助卷位和卸卷位都布置有外支撐。對于一般張力較小，帶鋼規(guī)格較小的卷取機，有的只在卸卷位布置一個外支撐，外支撐采用液壓方式驅(qū)動。

(3)回油裝置。主要用于公轉(zhuǎn)箱體中齒輪、軸承等潤滑油的回油?；赜脱b置為結(jié)構(gòu)件，一端與公轉(zhuǎn)箱體相連，另一端固定在底座上，箱體公轉(zhuǎn)時亦能回油。

(4)軋機出口防護罩及安全罩。軋機出口段布置有鋼絲網(wǎng)防護罩，將卷取機及飛剪等軋機出口段設(shè)備罩入其中，防止事故產(chǎn)生。在防護罩上布置有活門，在卸卷或上套筒時活門可以打開。卷取機大齒圈處布置有安全罩。

另外，國內(nèi)外某些設(shè)計公司在卡羅塞爾卷取機上設(shè)置推鋼機，將不能成功卸卷的鋼卷推出卷筒。

4 主要技術(shù)參數(shù)

4.1 張力矩

張力矩為卷取張力與卷取鋼卷半徑的乘積值，如下式:

式中，TR為張力矩，N·m;T為卷取張力，N;R為鋼卷半徑，m。

張力矩為衡量卷取機的主要參數(shù)。最大張力矩即反映卡羅塞爾卷取機的最大卷取能力。

卷取張力主要根據(jù)卷取帶鋼的材質(zhì)，由工藝合理選取。張力按下式計算選取:

式中，T為卷取張力，N;b為帶鋼寬度，mm;t為帶鋼厚度，mm;σ0單位張力，N/mm2

一般連軋機組的卷取單位張力按下式計算選取:σs為帶鋼屈服應(yīng)力，N/mm2。

對于高強鋼(如 DP、TRIP、TWIP)、不銹鋼、硅鋼等較難軋制、卷取的鋼種，單位張力選取要根據(jù)冷軋實際經(jīng)驗選取合理的數(shù)值。

4.2 電機功率

卡羅塞爾卷取機電機功率按式(4)計算

式中，N為單個卷筒電機功率，kW;T為卷取張力，N;v為卷取速度，m/min;η為傳動效率，取值0.9～0.95。

對應(yīng)每種典型鋼種張力及速度，計算出卷取所需電機功率，最后選擇一個合理的功率值，以確保每一規(guī)格的鋼種都能卷取。考慮帶鋼變形情況，可將計算的電機功率放大1～1.1倍。有時計算電機功率僅以最大張力與最大速度進行計算，其計算結(jié)果偏大，導(dǎo)致電機功率過大，增加了設(shè)備和控制成本，故計算電機功率時需全面考慮。

計算選擇電機功率后，還應(yīng)根據(jù)電機轉(zhuǎn)速及速比驗算最大卷取力矩是否滿足張力矩的要求。

4.3 減速比

卡羅塞爾卷取機減速比為主減速器速比與卷筒傳動齒輪速比的乘積。

卷取機正常工作是在恒功率調(diào)速區(qū)間。如果減速比選擇過小，則會使卷取機調(diào)速區(qū)間偏離電機的恒功率調(diào)試區(qū)間，造成電機超載;如果減速比選擇過大，造成電機轉(zhuǎn)速超出最高允許轉(zhuǎn)速。因此，應(yīng)選擇合理的減速比，使卡羅塞爾卷取機的調(diào)速范圍盡可能的位于電機的恒功率調(diào)速區(qū)間內(nèi)，或是覆蓋電機的整個恒功率調(diào)速區(qū)。

一般按下式初選速比

式中，i為減速比;nm為電機最高允許工作轉(zhuǎn)速，r/min;nt為卷筒實際最高工作轉(zhuǎn)速，r/min;

初定減速比后，應(yīng)根據(jù)卡羅塞爾卷取機結(jié)構(gòu)及電機結(jié)構(gòu)和電氣調(diào)速情況等選擇最佳的減速比，使卡羅塞爾卷取機的機械、電氣設(shè)備得到充分利用，從而使設(shè)計最經(jīng)濟合理。

5 結(jié)束語

卡羅塞爾卷取機具有高效、連續(xù)的帶鋼卷取方式，節(jié)省投資等優(yōu)點，已成為帶鋼冷連軋生產(chǎn)線上的首選卷取設(shè)備。通過對卡羅塞爾卷取機類型、結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)的系統(tǒng)分析，結(jié)合工程應(yīng)用中的實際經(jīng)驗，為自主設(shè)計該類型的卷取機提供相應(yīng)的設(shè)計方法及經(jīng)驗，具有實際意義。

［1］ 彭建東．卡羅塞爾卷取機國產(chǎn)化［J］．江蘇冶金，2002(4):48－50，52．