轉盤卷取機分析

荀玉偉，劉新偉，王丹超

轉盤卷取機是目前世界上最先進的冷軋卷取機之一，與常規卷取機相比，具有重量輕、集成度高、占地少、投資省、成材率高等優點。目前，國內各大鋼鐵公司使用的轉盤卷取機都是國外進口，或外國技術國內制造。中國一重現已成功設計制造了轉盤卷取機，優質高效地服務于中國的鋼板冷軋生產線上。

1 工作原理

轉盤卷取機是一種雙卷筒卷取機，工作時一個卷筒卷取帶鋼，另一空卷筒處于卷取前的助卷準備位置。當卷取位置上的帶卷將達到預定卷徑時，飛剪前夾送輥推上，空卷筒漲徑，助卷器升起抱緊空卷筒，空卷筒啟動并達到喂料速度，而設在卷取位置處的卷取機壓輥壓下，滾筒式飛剪啟動，剪斷帶材。剪切后的帶頭通過穿帶裝置進入助卷器后卷在空卷筒上；當帶材在卷筒上纏繞3～4圈后，助卷器、穿帶裝置及飛剪前的夾送輥降下，卷取機升速正常工作。與此同時，在卷取位置上的卷筒開始卸卷，活動支承退回，卸卷小車進入卷取位置并托住帶卷，卷取機壓輥抬起，當卷筒縮徑后，卸卷小車攜帶卷沿卷筒軸向方向運動，把帶卷從卷筒上卸下，并輸送到受卷臺架上。回轉夾緊機構在液壓缸的驅動下張開至最大極限位置后，回轉電機啟動，通過圓錐圓柱齒輪減速機驅動回轉小齒輪與聯接在回轉本體上的大齒圈嚙合，回轉本體沿帶材前進方向旋轉。（此時，助卷位置上的卷筒仍在正常卷取帶鋼） 待旋轉180°后回轉電機停止，回轉夾緊機構夾緊回轉本體定位，原助卷位置上的卷筒轉至卷取位置，活動支承伸出支撐住卷筒頭部直至卷取結束；原卷取位置的空卷筒在助卷位置等待下一卷帶材。

2 運動分析

該卷取機可實現以下運動：一是兩個卷筒各自單獨旋轉，二是回轉本體繞轉盤卷取機回轉中心旋轉，完成卷筒位置互換。第一種運動稱之為卷筒的自轉，第二種運動稱之為卷筒的公轉。

轉盤卷取機采用減速齒輪箱雙電機平行軸輸入，同心雙層軸輸出，分別通過一級外嚙合齒輪驅動回轉本體中的卷筒；即將驅動卷筒的自轉運動分成兩部分，一部分是兩臺主電機分別驅動兩流齒輪副的減速齒輪箱，把兩流動力分別傳送到同軸雙層輸出軸的內外兩層上，另一部分則是與兩層空心軸相聯接的位于回轉本體中的齒輪再分別與卷筒上的齒輪嚙合，實現卷筒的自轉。通過將雙層輸出軸的中心線與回轉本體回轉中心線重合設置以保證卷筒的自轉和公轉互不干涉。回轉本體的旋轉運動即卷筒公轉由回轉電機通過圓錐圓柱齒輪減速機驅動回轉小齒輪，再通過回轉小齒輪與聯接在回轉本體上的大齒圈嚙合完成。

3 結構分析

轉盤卷取機由卷筒、回轉本體、回轉夾緊機構、減速齒輪箱以及液壓潤滑系統等幾部分組成（見圖 1）。

圖1 轉盤卷取機結構分析圖

（1） 卷筒

該卷取機將兩個結構相同的可漲縮卷筒，裝在同一回轉本體內的對稱位置上，由各自的主傳動電機分別驅動。卷筒采用四塊扇形板，扇形板間帶有曲線板，以減小卷筒漲徑后接縫對帶鋼的壓痕。卷筒的漲縮由卷筒尾部的漲縮缸推動拉桿帶動漲縮楔來實現。卷筒軸采用矩形斷面結構以提高卷筒的承載能力。

（2） 回轉本體

回轉本體是轉盤卷取機的核心部分。兩卷筒安裝在回轉本體的對稱位置，裝配有大齒輪的兩根空心花鍵軸安裝在本體回轉軸線上，兩大齒輪分別與卷筒軸上的小齒輪嚙合；回轉本體在傳動側安裝有可剖分的關節軸承，操作側設置有回轉托圈，關節軸承支撐在減速齒輪箱上，托圈則被托在回轉夾緊機構中兩對稱托輥上；托圈旁裝配有大齒圈，工作時由回轉夾緊機構中的小齒輪軸驅動大齒圈使本體回轉。為便于裝配和維護，大齒圈大都設計成兩半分體的，分別把合在回轉本體上下機體上。回轉本體的結構與分流式減速機相類似，區別在于分流減速機是從同一根軸分流，而回轉本體是從同軸的雙層空心軸內外分別分流，各通過一級外嚙合齒輪來驅動卷筒旋轉；再因兩同心空心花鍵軸設置在回轉本體的中心上，這樣就既能在完成兩根卷筒互相轉位運動的同時，還能保證卷筒的正常自轉卷取。

（3） 回轉夾緊機構

該機構可以完成回轉本體的回轉（見前述）和夾緊兩種動作。回轉機構中設有兩件支撐回轉本體的托輥，為保證回轉齒輪副的正常嚙合和回轉本體安裝的對中性，在兩個托輥處均設有偏心裝置；入口側偏心裝置只負責調整入口托輥軸線高度和對中性，而出口偏心裝置既能調整出口托輥軸線高度和對中性，也可調整軸線相對回轉軸線的歪斜度，從而保證回轉齒輪副的接觸率。

夾緊機構由左卡爪、右卡爪、中間連桿、楔形滑塊、滑軌和液壓缸等零部件組成，其運動原理就是兩個反向的曲柄滑塊機構。左、右卡爪相當于可以擺動的曲柄，擺動中心由銷軸鉸接在底座上，通過中間連桿與楔形滑塊鉸接。在液壓缸的作用下，楔形滑塊在固定于底座的滑軌上水平運動，卡爪繞其擺動中心擺動，完成夾緊和松開的動作。

（4） 減速齒輪箱

減速齒輪箱采用兩臺主電機分別驅動兩流齒輪副，將動力匯到同軸雙層輸出軸上，對內外兩層空心軸分別驅動。每流傳動大都為單級傳動，為保證兩臺主電機并排擺放空間，在大小齒輪間增添一個惰輪，兩流傳動可以都設有惰輪，也可只在一流傳動中增設惰輪。

4 轉盤卷取機受力分析

回轉齒輪箱裝配后的重心位置在大齒輪附近（見圖2），右圖中的粗實線代表了卷取機在卷取過程，回轉齒輪箱的重心變化情況。因此回轉齒輪箱設計時采用三點支撐，一處位于回轉齒輪箱體與固定齒輪箱的連接處 (圖中c點)，另外兩處位于齒輪箱體前端的左右兩個托輥處 (圖中a、b點)，由左右托輥提供主要的支撐力。

卷取機卷筒在旋轉過程中受力包括三個支撐點的支反力N1、N2、N3，帶鋼張力T，回轉齒輪箱的重力 (包括卷筒)G1，鋼卷的重力G2，卡爪的夾緊力F1、F2。回轉齒輪箱的重心的力臂為L2，帶鋼張力T到右托輥中心的力臂為L1，鋼卷卷到最大直徑時回轉齒輪箱的重心在m處（見圖3）。

圖2 回轉齒輪箱重心分布示意圖

圖3 回轉齒輪箱受力圖

轉盤卷取機卷取帶鋼的過程中，回轉齒輪箱受力如下：

水平方向：

豎直方向：

左托輥與大托圈的接觸點處：

式中，L左—各個力對左托輥與大托圈的接觸點的力臂。

右托輥與大托圈的接觸點處：

式中，L —各個力對左托輥與大托圈的接觸點的力臂。

由上面所列的4個方程，可以計算出回轉齒輪箱在整個卷取過程中，在任意時刻的卡爪的夾緊力 F1、F2和支反力 N1、N2。

由轉盤卷取機工作原理可知，卷筒由助卷位置運動到卸卷位置時，張力逐步建立，在到達卸卷位置時達到最大。在助卷位置和卸卷位置時，回轉齒輪箱受夾緊力F的作用不會移動，而在轉動過程中，受帶鋼張力T的作用，轉盤有可能發生移動。因此我們對回轉齒輪箱由助卷位置運動到卸卷位置的運動過程進行受力分析，此過程忽略鋼卷重量G1，F1=F2=0，由于轉盤發生移動時的臨界值為N1=0，我們把上述條件代入式 (4)后得出轉盤不移動的條件為:

這就要求我們在設計時一定要注意協調好這幾個參數的關系。

5 結語

該轉盤卷取機不僅適用于鋼板連續酸洗及冷連軋制生產線上，而且同樣也適合鋼板連續酸洗、連續退火、連續鍍鋅生產線以及有色板材冷軋機組，市場前景良好。

[1]姜世平，焦時光，張娜，周繼海.Carrousel卷取機結構及運動、動力參數分析.機械設計，2007，24(10)：18-21.

[2]張曉偉，蔣金水，王光儒.轉盤式卷取機的自主設計 [J].一重技術，2009(1)：4-7.