一種新型臥式活套設計與分析

楊國良 康曉鵬

(中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢430223)

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一種新型臥式活套設計與分析

楊國良①康曉鵬

(中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢430223)

介紹一種新型的卷揚式臥式活套，其主要由活套車、支撐車、力矩卷筒及傳動卷揚構成，具有結構簡單，安裝方便，使用可靠且設備投資少的特點。另外基于力矩卷筒的力學特性，建立了活套的運動模型，對其運動過程進行了詳細分析，并提出了力矩卷筒鋼絲繩強度校核時需注意的事項。

活套 力矩卷筒 鋼絲繩 強度校核

1 前言

冷軋處理線上活套結構形式可分為立式活套及臥式活套兩種，立式活套主要用于對帶鋼表面質量要求較高的精整機組[1]，如連續熱鍍鋅機組、碳鋼連續退火機組及彩色涂層機組等，臥式活套主要用在酸洗機組及硅鋼連續退火機組中。臥式活套一般由活套車、活套門及傳動卷揚構成，其中活套車上的仿形軌道加工較為困難[2]，而且活套門安裝時需要測量的數據多，安裝難度高[3]。鑒于此，本文介紹一種新型的臥式活套，該新型活套采用支撐車代替活套門，利用力矩卷筒的特性來實現支撐車的規律運動，從而實現活套的充放套。其結構簡單，使用可靠，大大減小了設備投資。

2 力矩卷筒式臥式活套結構組成及特點

某機組中采用的力矩卷筒式臥式活套主要結構如圖1所示，主要由傳動卷揚、活套車、支撐車、軌道組成，每個支撐車上固定有一個力矩卷筒，通過卷筒上的鋼絲繩與其前面的車體連接。活套車通過鋼絲繩與No.1支撐車的力矩卷筒連接。在空套狀態下，支撐車能交錯重疊，從而實現在保證套量的情況下，最大限度的減少活套長度。

3 力矩卷筒的理論力學模型

3.1 力矩卷筒的結構組成

力矩卷筒結構如圖2所示，主要由繞滿鋼絲繩的卷筒、軸承座、芯軸、彈簧內套、蝸卷彈簧、發條盒及預緊力調節裝置組成，彈簧內套與芯軸，卷筒與芯軸都采用鍵聯接。平面蝸卷彈簧即發條彈簧的內端采用彎鉤固定法卡在彈簧內套的槽內，與彈簧內套一起轉動，外端與發條盒采用襯片固定。當鋼絲繩帶動卷筒轉動時，芯軸、彈簧內套及發條彈簧一起轉動，從而形成轉動力矩。

圖1 力矩卷筒式臥式活套結構示意圖

圖2 力矩卷筒結構示意圖

3.2 發條彈簧的工作特性

發條彈簧的工作特性如圖3所示，A點相當于發條彈簧置于發條盒后完全放松的狀態，此時發條各圈壓到盒壁上，由于受到發條盒的限制，實際能輸出的力矩為零，當發條逐漸旋緊時，壓到發條盒內壁的各圈上的發條將逐漸離開內壁并彼此分開，B點相當于發條各圈已分布在條盒內，但最外一圈尚未離開發條盒壁的時刻，此時發條彈簧各圈處于同心狀態。繼續上緊到最外一圈也離開發條盒后，C點相當于發條彈簧完全上緊的時刻，這時發條彈簧緊繞在彈簧內套上。發條盒各圈的同心狀態與發條彈簧外端的固定方法有關，如果彼此不同心，會產生圈間摩擦，影響其輸出轉矩。

曲線BCD表示發條彈簧輸出力矩與發條彈簧圈數的關系，曲線BC段力矩變化非線性，n0表示此段彈簧的轉數，稱為空圈數，其值一般取1～3.5。曲線CD段近似線性，一般將此段作為發條彈簧的工作段，ng表示此段彈簧的轉數，稱為工作圈數。初始狀態時發條彈簧產生塑性變形及彈性變形，由于發條盒的作用，此部分彈性變形能無法有效輸出，在外力作用下，發條彈簧轉動，各圈逐漸趨于同心且圈層之間距離減小，發條彈簧的彈性變形能增加[4]。

圖3 發條彈簧的工作特性

3.3 力矩卷筒的力學模型

力矩卷筒上的預緊力調節裝置的作用有兩點，其一是保證力矩卷筒的實際工作段與發條彈簧的工作圈數一致，使力矩卷筒提供線性彈簧剛度；其二，通過改變預緊力來調整力矩卷筒的初始輸出力矩。設力矩卷筒的線性彈簧剛度為k，最大輸出轉矩為Tmax，彈簧工作圈數為ng，則k=Tmax/ng[4]。因此可將力矩卷筒等效為圖4所示的彈簧阻尼模型，其中阻尼c表示發條彈簧的圈間摩擦。

圖4 力矩卷筒的力學模型

4 活套充放套運動分析

4.1 活套充放套運動的力學模型

以某機組的活套為例，為便于分析，可忽略帶鋼與支撐車托輥之間的摩擦及車輪、托輥等處滾動軸承的摩擦，另外不考慮車體前后拉力不同造成的傾翻力矩。車體運動過程中可將前后車體間帶鋼重量疊加到前面一個車體上。將活套的充放套運動受力模型簡化為如圖5所示。

圖5 活套運動受力模型

相關參數如表1所示。

表1 活套主要力學參數

4.2 活套充套運動過程分析

根據受力模型，有：

F5=k×x5+c

F4=k×x4+c=μ×(G+G1)/R+F5

F3=k×x3+c=μ×(G+G1)/R+F4

F2=k×x2+c=μ×(G+G1)/R+F3

F1=k×x1+c=μ×(G+G1)/R+F2

F0=μ×(G0+G1)/R+F1+T

折算到活套車或支撐車上的帶鋼重量G1為一變量，其值與鋼絲繩伸長量總和,即套量，呈線性關系，滿套時，重量達到最大值(4.3kN)，空套時，重量為最小值(1.8kN)。由于帶鋼重量相較支撐車及活套車重量較小，可以將帶鋼重量造成的摩擦力忽略不計，另外忽略發條彈簧圈間摩擦。各車體間鋼絲繩長度在分析過程中近似認為等于各車體間距離，以便于描述活套運動過程。活套充套時，活套卷揚驅動活套車向左運動，活套車帶動No.1支撐車力矩卷筒上的鋼絲繩運動，隨著活套車與No.1支撐車之間鋼絲繩長度x1的增長，F1逐漸增加，當F1能克服No.1支撐車車輪與軌道間的摩擦力時，No.1支撐車開始運動，依次類推可知，No.i支撐車由靜止轉為運動時需滿足以下條件：

Fi≥μ×G/R=0.14kN

(i=1～4)

由前述分析可知，No.1支撐車開始運動時，F1=0.14kN，此時x1=0.7m，No.1支撐車繼續運動，鋼絲繩長度x2增加，當滿足F2=k×x2=0.14kN時，No.2支撐車開始運動，此時x2=0.7m，F1=k×x1=μ×G/R+F2，因此x1=1.4m，依次類推，最后No.4支撐車開始運動時，x4=0.7m，x3=1.4m，x2=2.1m，x1=2.8m，之后活套車及No.1～No.4支撐車同時運動，No.5～No.6支撐車之間間距逐漸加大，有：

x1=x2+0.7=x3+1.4=x4+2.1=x5+2.8

即此時活套各車體間距離等值同步增大，前后車體間相對速度不變，各支撐車運動速度Vi(i=1～4)及活套車運動速度V0滿足以下關系式：

V0-V1=V1-V2=V2-V3=V3-V4=V4

因此活套在充套過程中，各支撐車是順序運動，之后再同時等距離展開。運動過程中，如果某前后車體間鋼絲繩長度已達到理論最大值，即鋼絲繩長度不再變化。那么此前后兩車體之間間距不變，視為整體與其余支撐車做等距離展開運動，直到活套處于滿套位。由上述分析可知，在活套長度一定的條件下，各支撐車在活套處于滿套位時的理論停止位置與相應力矩卷筒鋼絲繩長度的選取有關。為實現各支撐車在滿套位時等間距分布，在不計及各力矩卷筒鋼絲繩初始長度的條件下(空套位)，各力矩卷筒鋼絲繩選型長度應滿足下述公式，其中L為活套總長度。

x1-x2=x2-x3=x3-x4=x4-x5=0.7m

x5=(L-14)/5

為了使鋼絲繩一直工作在力矩卷筒的有效工作圈數內，因此力矩卷筒的鋼絲繩選型長度一般都留有余量，因此活套在滿套位時，活套各車體間距離為等差分布，活套充套過程如圖6所示。

圖6 活套車及支撐車充套運動過程

4.3 活套放套運動過程分析

根據受力模型，有

F1=k×x1-c=F0+μ×(G0+G1)/R-T

F2=k×x2-c=μ×(G+G1)/R+F1

F3=k×x3-c=μ×(G+G1)/R+F2

F4=k×x4-c=μ×(G+G1)/R+F3

F5=k×x5-c=μ×(G+G1)/R+F4

求解得：

x5=x4+0.7=x3+1.4=x2+2.1=x1+2.8

活套放套時，根據充套運動分析過程同理可知，活套車首先開始向右移動，活套車與No.1支撐車之間間距減小，即鋼絲繩長度x1減小，兩者之間的鋼絲繩拉力F1減小，當F1減小到一定值后，No.1支撐車開始向右運動，計算可得當x1減小0.7m時，No.2支撐車開始向右運動，當x2減小0.7m時，No.3支撐車開始向右運動，此時x1減小1.4m，依次類推，當最后No.4支撐車開始運動時，各車體間距離(即鋼絲繩長度)x1減小了3.5m，x2減小了2.8m，x3減小2.1m，x4減小1.4m，x5減小0.7m，x1也就是各支撐車的絕對位移。之后活套車及No.1～No.4支撐車同時向右運動，各車體之間間距等值減小，各支撐車運動速度Vi(i=1～4)及活套車運動速度V0同樣滿足以下關系式：

V0-V1=V1-V2=V2-V3=V3-V4=V4

放套過程中各車體的運動過程是從活套車開始順序縮回，直到全部車體開始運動，之后同時運動但保持前后兩車距離同值減小，直到活套處于空套狀態。運動過程中，如果某前后車體間鋼絲繩長度已達到理論最小值，即兩車相遇，那么此兩車將作為整體一起運動。最后活套車停在預定位置時，各支撐車與活套車的距離呈等差分布，其中No.1支撐車與活套車的距離最小。活套放套過程如圖7所示。

圖7 活套車及支撐車放套運動過程

5 力矩卷筒鋼絲繩強度校核

由前述分析可知，充套時，No.1支撐車力矩卷筒鋼絲繩受到的拉力最大，放套時，No.5支撐車力矩卷筒鋼絲繩受到的拉力最大，計及帶鋼重量對車體與車輪間摩擦力的影響，其拉力大小為：

Fmax=μ×(4×G+G3)/R+k×x

其中x為No.1或No.6支撐車力矩卷筒鋼絲繩的有效卷取長度，G3為滿套位時，活套內帶鋼的最大重量。在校核鋼絲繩的直徑時，設選用的鋼絲繩的最小破斷拉力為T/kN，有：

n=Fmax/T[4]

其中n為安全系數，需根據鋼絲繩所在機構的工作級別合理的選取，根據活套的工作特點，機構的工作級別選取M5或M6較為合適。由于分析過程中假定了發條彈簧各圈呈同心分布而忽略了圈間摩擦，因此鋼絲繩實際拉力會較計算值大，應選取較大的安全系數，推薦n≥5。實際工程中，導致鋼絲繩斷裂的另一個因素就是繩頭與力矩卷筒的刮擦，因此鋼絲繩出繩口必須做護邊處理，避免割斷鋼絲繩。

6 結語

介紹了一種新型臥式活套的結構組成及特點，并對其充放套的運動過程進行了詳細的分析，揭示了各支撐車在活套充放套過程中的運動規律，并根據工程實例，提出了影響力矩卷筒鋼絲繩強度的因素及改進措施，文中的分析界定了一些前提條件，如各力矩卷筒的預緊力一樣，如果改變預緊力的值，活套車及支撐車的初始運動位置會改變，活套處于滿套位時各車的相對位置也會相應有所改變，但活套各車體的運動規律一致。

[1]劉剛.活套的結構分析與設計[J].梅山科技，2013(3):48～51.

[2]王革勛,張中華.冷軋活套擺動門安裝技術[J].天津冶金，2010(5):44～47.

[3]張慶華.熱鍍鋅機組活套小車左右導向板異型曲面的加工[J].重型機械科技,2003(2):28～30.

[4]北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊第四版第3卷.北京：化學工業出版社,2002.

Design and Analysis of a Kind of Original Horizontal Looper

Yang Guoliang Kang Xiaopeng

(WISDRI Engineering & Research Incorpration Limited，Wuhan 430223)

A kind of original windlass horizontal looper is introduced which contains looper car, a set of support cars, moment mandrel and drive winch. The structure of the looper is very simple, it can be installed simply and used reliably while investment of the looper is reduced greatly. The kinematics model of the looper is designed based on the mechanics characteristic of the moment mandrel. Movement process of the looper is analyzed in detail, and suggestion is proposed in strength checking of rope enlaced on moment mandrel.

Looper Moment mandrel Rope Strength checking

楊國良，男，1984年出生，畢業于華中科技大學，研究生，工程師，主要從事冷軋處理線設備設計與研究

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.004

2013-09-18)