液壓螺母在鋁帶冷軋機組卷筒上的應用

苗志強

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽 471039)

隨著市場經濟的要求，現代鋁帶冷軋機組正朝著高速、大張力、大卷徑和寬幅方向發展，三大主機的正常運轉極為關鍵。卷筒是鋁帶冷軋機組開卷機和卷取機的重要組成部分。改善卷筒的工作狀況，減少它的故障率即會大大提高設備的生產效率。在傳統的鋁帶冷軋機組中，開卷機和卷取機卷筒的芯桿和十字叉頭間、漲縮缸活塞桿和活塞間通常采用傳統的普通螺母聯接方式。近幾年來設計上逐漸采用了液壓螺母的聯接方式。

1 卷筒上傳統的普通螺母聯接方式

1.普通螺母、2.十字叉頭、3.芯桿

1.芯桿、2.活塞桿、3.活塞、4.普通螺母、5.卡板

卷筒上傳統的普通螺母聯接方式由圖1、圖2可以清楚地看出。活塞與活塞桿通過普通單螺母加卡板聯接，芯桿的另一端用普通雙螺母(一厚、一薄)與十字叉頭聯接。這種結構的卷筒有兩方面的缺點：(1)在正常卷取過程中，芯桿所受的拉應力一直進行著變化。當卷完一卷料卸卷時，脹縮缸的活塞腔供油，芯桿由拉應力轉變到壓應力。不斷的變化使芯桿承受非對稱循環變應力，工作中在脹縮缸大負荷的拉伸作用下，易產生疲勞甚至折斷；(2)脹縮缸裝拆不方便，不能整體裝拆。為了將活塞桿與芯桿聯接，必須把脹縮缸拆散開來，逐個零件進行裝配。而當拆卸時，工序相反。在維修脹縮缸中某一零件時，仍然同樣麻煩。這不僅增加了工人勞動強度，而且也增加了卷筒的在線維修時間，從而降低了機組的生產效率。

2 液壓螺母的工作原理及性能特點

1.活塞、2.螺母主體、3.墊片、4.密封

2.1 工作原理

液壓螺母由螺母主體、活塞、密封和墊片組成，見圖3。

整套系統包括液壓泵、高壓油管、快速接頭及液壓螺母。

液壓螺母的操作步驟：(1)將液壓螺母擰在頭部帶螺紋的芯桿上；(2)通入超高壓液壓油使活塞和螺母主體間產生間隙；(3)插入需要厚度為h的墊片，使芯桿預拉伸，然后卸掉液壓力。液壓螺母是一種先進的液壓螺栓拉伸器。其工作原理是利用液壓螺母油腔中的超高油壓對芯桿施加拉伸力，使芯桿在彈性變形區內被拉長，由插入的墊片厚度來控制芯桿的予伸長量。

2.2 性能特點

(1)由于采用超高壓液壓系統，具有很大的拉伸力；(2)液壓螺母的尺寸與原有傳統螺母匹配，無需修改原有螺紋副設計；(3)無需扳手及套筒的操作空間，螺紋副的尺寸更緊湊；(4)芯桿工作為純拉伸狀態，預緊力比正常工作時載荷高出20%左右，螺紋副工作中更安全；(5)通過液壓拉伸螺栓，預緊載荷更精確，聯接更可靠；(6)先進的聚氨酯/金屬復合密封的整體密封結構，密封性能好，結構簡單，特別適于超高壓狀態下工作。

3 卷筒上新型的液壓螺母聯接方式

1.液壓螺母、2.壓環、3.芯桿、4.半開式聯接套、5.活塞桿、6.活塞、7.液壓螺母

卷筒上新型的液壓螺母聯接方式由圖4可以明顯的看出。芯桿和活塞桿間采用了半開式聯接套進行聯接，中間加墊片進行調整。芯桿及活塞桿的另一端則采用液壓螺母聯接。這種結構的卷筒具有兩大優點：(1)芯桿和活塞桿間采用了半開式聯接套進行聯接，脹縮缸可整體進行裝拆；(2)液壓螺母使芯桿在裝配時被施加一定的予應力進行予伸長，這樣芯桿在工作過程中因軸向載荷引起的拉應力始終小于它的予應力，故芯桿不會再繼續拉伸變形，也不會產生松動現象。從而不僅改善了芯桿的工作狀況，延長了壽命，而且能準確實現卷筒徑向脹縮。

4 液壓螺母的設計計算

(1)計算脹縮缸的最大拉力S總

以開卷機卷筒常用的開式四斜楔結構為例分析

1.卷筒、2.帶卷

a)按張力計算作用于扇形板上的壓力

由圖5 ∑M=0時

TR=Pr=4μGr

式中：

T — 帶材張力，N；

R — 帶卷半徑，mm；

μ— 帶卷與卷筒間摩擦系數， 一般取μ=0.15～0.18；

G — 帶卷作用于一塊扇形板上的正壓力，N；

r — 卷筒半徑，mm；

P — 由壓力4G產生的總摩擦力，N；

b) 計算脹縮缸的最大拉力S總

由圖6 ∑Y=0時(不考慮扇形塊端部止推力S1引起的摩擦力F3時)

G=Ncosα-Nf1sinα

1.扇形板、2.軸向斜楔

式中：

f1— 扇形板和軸向斜楔間滑動摩擦系數；

1.軸向斜楔、2.空心主軸

由圖7 ∑X=0時

S=Nsinα+ Nf1cosα+ G f2

式中：

f2— 軸向斜楔和空心主軸間滑動摩擦系數；

從而 S總=4S

(2)液壓螺母的技術參數計算

a) 液壓螺母中加入墊片厚度(芯桿予伸長量)計算

液壓螺母中通入超高壓油后芯桿產生予伸長，需要在液壓螺母中加入一定厚度h的墊片來控制最終的予伸長量。予伸長量根據脹縮缸的最大拉力S總計算確定。芯桿在彈性拉伸時，符合胡克定律，所以芯桿的予伸長量△L可按胡克定律公式計算：

式中：

S總— 芯桿所受的拉力，N；

L — 芯桿的總長度，mm；

式中：

d— 芯桿最長段的直徑，mm；

E — 芯桿材料的彈性模量，N/mm2。

b) 螺紋直徑的確定

初選芯桿頭部螺紋直徑和螺距，并校核螺紋退刀槽處危險截面的拉伸強度。

強度條件：

式中： d1— 螺紋退刀槽直徑，mm；

[σP]—芯桿材料的許用拉伸應力，Mpa；

式中： σS— 芯桿材料屈服限，Mpa；

n— 安全系數, 建議取3；

c) 超高壓油液工作壓力p的確定 一般取150Mpa。

d) 最大承載能力Q的確定 理論上取等于或稍大于脹縮缸的最大拉力,安全起見，取脹縮缸的拉力的1.2～1.5倍。

f) 活塞最大移動量的確定 理論上取稍大于液壓螺母應加入的墊片厚度，安全起見，取應加入的墊片厚度的2倍。

5 結束語

實際生產運行表明，整個系統工作穩定可靠，有效地消除了傳統螺紋系統在工作中容易松動，芯桿易被拉斷的問題，大大提高了生產效率及經濟效益，受到用戶良好評價。