冷連軋開卷機(jī)設(shè)計(jì)

劉銀娟，王大號(hào)，陳 璽，尤 磊，謝 磊，閆成琨

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

開卷機(jī)是鋼板(帶)冷軋機(jī)組或冷加工生產(chǎn)線上的輔助設(shè)備之一，其作用是開卷并建立后張力，在機(jī)組運(yùn)行過程中使鋼帶寬度方向中心對準(zhǔn)機(jī)組中心線。開卷機(jī)按支承鋼卷的方式分為懸臂式、雙錐頭式和雙圓柱頭式三種。本文以自主開發(fā)的五機(jī)架全連續(xù)冷連軋機(jī)組的懸臂式開卷機(jī)為例，闡述其主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算、設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本套五機(jī)架全連續(xù)冷連軋機(jī)組中設(shè)計(jì)了上下兩臺(tái)開卷機(jī)，兩臺(tái)開卷機(jī)在結(jié)構(gòu)型式上完全相同。

2 開卷機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇與確定

軋制的材料為CQ、DQ，來料帶材厚度為1.8～5.0 mm，寬度為800～1 250 mm;鋼卷內(nèi)徑為Φ610 mm，鋼卷外徑為 Φ1 200～Φ2 000 mm，開卷機(jī)最大開卷速度480 m/min。

2.1 張力選擇

開卷機(jī)卷筒在放卷時(shí)必須維持后張力，有利于控制板形。機(jī)組張力選擇十分慎重，采用大張力，使傳動(dòng)設(shè)備加大，增加投資，過大的張力還可能拉斷帶材，小張力有可能使帶材跑偏。所以合適的張力數(shù)值可以得到好的帶材質(zhì)量，冷軋帶鋼張力［1］:

式中，σ0為張應(yīng)力，MPa;b為帶材寬度，mm;h為帶材厚度，mm。

實(shí)際使用中常按生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選用，開卷段張應(yīng)力值可在3～9 MPa之間選取。另外設(shè)計(jì)時(shí)，對于連續(xù)機(jī)組，一般也可按下列經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算張應(yīng)力σ0，然后按生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)加以最后確定。

式中，σs為帶鋼的屈服強(qiáng)度，MPa;h為帶鋼的厚度，mm;β為系數(shù)，取決于卷筒的工作情況。

本臺(tái)開卷機(jī)選擇最大張力為35 kN。

2.2 電機(jī)選擇

本臺(tái)開卷機(jī)設(shè)計(jì)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為保證機(jī)組速度恒定，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)隨卷徑變化而變化［2］。

(1)首先計(jì)算開卷機(jī)需要功率［3］(按公式3求解)，由開卷速度得出卷筒的轉(zhuǎn)速n(按公式4求解)，初選電機(jī)功率及額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。

式中，N為功率，kW;T為張力，kN;v為線速度，m/s;η效率，取0.95

式中，n為卷筒轉(zhuǎn)速，r/min;D為帶卷直徑，m。

(2)確定電機(jī)至卷筒的減速比。①利用所選電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速與卷筒的最高轉(zhuǎn)速比值得出最大 imax(i≤n電機(jī)/n卷筒，n電機(jī)為電機(jī)弱磁轉(zhuǎn)速，n卷筒為開卷速度最大、卷徑最小時(shí)卷筒的轉(zhuǎn)速);②從電機(jī)額定力矩與負(fù)載力矩的關(guān)系確定imin(i×Me≥M負(fù)載×η)，額定力矩和負(fù)載力矩分別按公式(5)、(6)求解，結(jié)合兩者范圍可以選擇減速比 i。

式中，Me為額定力矩，N·m;N為所選電機(jī)功率，kW;ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

式中，T為張力，N;D為帶卷直徑，m。

(3)由確定的減速比計(jì)算出最小和最大卷徑時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速 n電機(jī)=i×n卷筒。

(4)根據(jù)直流電機(jī)的屬性(低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)實(shí)際功率與轉(zhuǎn)速成正比)，計(jì)算電機(jī)的實(shí)際輸出功率N輸出，與開卷機(jī)需要功率N需要比較，如果實(shí)際輸出功率N輸出大于開卷機(jī)需要功率N需要，說明電機(jī)參數(shù)選擇合適。

通過上述過程計(jì)算確定出本臺(tái)開卷機(jī)的電機(jī)參數(shù):電機(jī)功率315 kW，轉(zhuǎn)速500/1 500 r/min。

2.3 卷筒直徑的確定

在卷筒設(shè)計(jì)中，卷筒直徑的選擇一般考慮到帶鋼在卷筒上彈塑性彎曲程度、卷筒強(qiáng)度剛度和來料帶卷的內(nèi)徑等。目前卷筒直徑已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，常用直徑為Φ500 mm、Φ610 mm。本臺(tái)開卷機(jī)考慮到實(shí)際原料特征，卷筒直徑為Φ610 mm，脹縮范圍為Φ560～Φ620 mm。

3 開卷機(jī)主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

懸臂式開卷機(jī)的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，開卷機(jī)由傳動(dòng)裝置、卷筒、壓輥、對中裝置、活動(dòng)支撐等組成。

圖1 開卷機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Constitution of decoiler

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

開卷傳動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，合適的電動(dòng)機(jī)能滿足不同的張力變化和速度變化。減速箱齒輪設(shè)計(jì)成兩級圓柱齒輪傳動(dòng)，保證傳動(dòng)平穩(wěn)。減速箱中軸承承受負(fù)荷大，齒輪嚙合與軸承的發(fā)熱量大，在閉式減速箱中熱量不易散出，所以減速箱采用稀油集中循環(huán)潤滑，在使用過程中要定期檢查減速箱軸承和齒輪潤滑情況并做好維護(hù)，避免箱體油溫過高或潤滑不到位而影響齒輪正常工作和軸承的使用壽命。

3.2 卷筒

卷筒是開卷機(jī)的重要部件，它具有多種結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、工藝條件和機(jī)組要求合理的選擇所需卷筒的結(jié)構(gòu)型式。本卷筒的結(jié)構(gòu)為四棱錐式，其主要零件為四棱錐軸和扇形板，如圖2所示。

圖2 卷筒剖面圖Fig.2 Cross section of coiling block

工作時(shí)通過脹縮油缸的拉動(dòng)使棱錐軸前后運(yùn)動(dòng)，利用棱錐軸和扇形板的斜面互相配合以達(dá)到脹和縮的目的。此四棱錐式卷筒的優(yōu)點(diǎn)是四棱錐軸為整體鑄件(或鍛件)，其強(qiáng)度剛性比較大，可以承受較大的帶卷張力和重力;結(jié)構(gòu)簡單，其頭部容易連接活動(dòng)支撐;潤滑方便，配合面防塵效果好。

3.3 對中裝置

設(shè)計(jì)將開卷機(jī)的卷筒、整個(gè)減速箱體以及傳動(dòng)電機(jī)、稀油潤滑管路均安放在一個(gè)固定底座上，并整體能夠在固定底座的滑軌上沿橫向移動(dòng)，移動(dòng)范圍為±150 mm，其橫向移動(dòng)是靠位于固定底座上的橫移液壓缸來實(shí)現(xiàn)。開卷機(jī)的初始對中是開卷機(jī)卷筒寬度方向中心線相對軋制中心線而言的，設(shè)計(jì)在開卷機(jī)的底座上裝一位移傳感器，它可測出開卷機(jī)移動(dòng)部分的橫移位置，其測量信號(hào)送到對中系統(tǒng)的電氣控制單元中，并與事先設(shè)定的基準(zhǔn)信號(hào)相比較，從而控制橫移液壓缸的動(dòng)作，使開卷機(jī)開始時(shí)處于軋制線的中心位置。當(dāng)開始下一個(gè)帶卷時(shí)，應(yīng)使開卷機(jī)重新對中，開卷機(jī)的重新對中和初始對中過程是一樣的。在軋制過程中，當(dāng)檢測到帶材跑偏時(shí)，對中系統(tǒng)可將此變化反饋給橫移液壓缸，推動(dòng)開卷機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏。

3.4 壓輥

開卷機(jī)上設(shè)置壓輥的目的是壓緊帶材，增加制動(dòng)力矩，有利于正常開卷。設(shè)計(jì)的壓輥位于卷筒軸上方，由交流電機(jī)傳動(dòng)，壓輥升降由液壓缸驅(qū)動(dòng)。當(dāng)上卷小車將帶卷上到開卷機(jī)卷筒后，壓輥在液壓缸作用下壓住帶卷，并與卷筒一起使帶卷旋轉(zhuǎn)，配合開頭矯直機(jī)的伸縮導(dǎo)板將帶頭刮出并送入開頭矯直機(jī)的夾送輥，完成穿帶后，壓輥由液壓缸抬起至最高位，機(jī)組進(jìn)入正常軋制工作。

3.5 活動(dòng)支撐

活動(dòng)支撐作為開卷機(jī)卷筒的輔助支撐，為了減小懸臂式卷筒的軸向彎曲，減少卷筒撓曲變形，在卷筒外端增設(shè)活動(dòng)外支撐裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙托輥，當(dāng)上卷小車將帶卷上到卷筒上后，活動(dòng)支撐投入，開卷機(jī)卷筒脹徑，進(jìn)入工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

五機(jī)架全連續(xù)冷連軋機(jī)組中的懸臂式開卷機(jī)已投入使用，能滿足實(shí)際的工藝及力能要求，在機(jī)組中運(yùn)行良好，可供開卷機(jī)設(shè)計(jì)人員參考。

［1］ 李彥清．張力卷筒的設(shè)計(jì)及受力分析［J］．鋼鐵技術(shù)，2005(1):11．

［2］ 冶金工業(yè)部武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院．板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)下冊［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1981，52－53．

［3］ 周國盈．帶鋼精整設(shè)備(2版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1992．