高強帶鋼廢邊卷取機的設計與研究

禹文鋒，李郝林，查德根，王 勇

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海寶菱冶金設備工程技術有限公司，上海 201900）

0 引言

在薄板精整重卷機組中廢邊卷取機是非常重要的設備，通常離線設置在圓盤剪附近，用來收集具有一定韌性的帶材［1］。由圓盤剪切下來的帶鋼廢邊，一般有兩種處理方法：帶鋼厚度在2mm以上時，一般將其碎邊，剪切成小塊；帶鋼厚度在1mm以下時，采用廢邊卷取機，將其卷曲成捆［2］。廢邊卷取機工作的穩(wěn)定性、可靠性將直接影響整套機組的工作效率。本文設計研究的是一種新型的用于卷取高強帶鋼廢邊的無張力式廢邊卷取機。

1 廢邊卷取機的組成和工作原理分析

1.1 廢邊卷取機的基本組成

本文設計的廢邊卷取機的結構如圖1所示，主要由機架、滑動底座、壓輥裝置、轉盤裝置、布料裝置和卷取裝置6部分組成。機架為焊接式箱體結構，箱體內部作為廢料箱，壓輥裝置、轉盤裝置和布料裝置均安裝在機架上；滑動底座固定在地上，卷取裝置在其上滑動，實現(xiàn)卸卷；壓輥裝置主要用于卷取時壓緊廢邊卷，使廢邊產生一定的塑性變形并纏繞在卷取軸上，保證廢邊卷的密實度并防止松卷；轉盤裝置主要用于卷取時固定廢邊卷的兩側，防止廢邊卷脫邊，同時支撐卷取軸端部，使卷取軸受力更加合理，并在卸卷時能夠打開，實現(xiàn)自動卸卷；布料裝置主要用于卷取時使帶鋼廢邊沿卷取軸均勻地纏繞，保證廢邊卷在長度方向上均勻布置，防止廢邊卷出現(xiàn)錐形或鼓形等；卷取裝置用于將帶鋼廢邊卷取成捆，并能在卷取完成后退出廢料箱，實現(xiàn)自動卸卷。

1.2 廢邊卷取機的工作原理

廢邊卷取機的工作原理如下：由圓盤剪剪下的高強帶鋼兩側廢邊，通過活套坑進入受料槽，有一定存料后，由人工將廢邊插入卷取軸的缺口中，開動壓緊輥的液壓缸將壓輥放下，啟動主電機，使卷取軸轉動；卷軸的缺口勾住廢邊頭部，同時壓緊輥使廢邊卷壓實，啟動布料輥的液壓缸，使其在布料輥油缸的作用下來回往復運動，使廢邊卷在卷軸上沿徑向均勻分布；隨著廢邊卷直徑的不斷變大，壓緊輥沿著籠體的凹槽逐漸上升，當壓輥的擺臂觸動極限開關，傳遞給支承壓緊輥的托輥缸信號使壓輥升起，同時給傳動電機信號，使電機停轉［3］；之后傳遞給脫料缸即卷軸移動液壓缸信號，將卷取軸拔出，轉盤打開，廢邊卷靠自重作用沿著籠體的斜面滾入收集箱內。

圖1 廢邊卷取機結構圖

2 廢邊卷取機的技術參數(shù)

廢邊卷取機的主要技術參數(shù)如下：帶鋼厚度為0.3mm～2.0mm；可處理的帶鋼品種為優(yōu)質碳素結構鋼、IF鋼、高強鋼等；帶鋼廢邊的寬度為5mm～50 mm；廢邊卷最大尺寸為Φ700×900mm，重量約為3 500kg；帶鋼的抗拉強度σb≤1 200MPa，屈服強度σs≤1 000MPa；機組穿帶速度為60m/min，運行速度最大為300m/min。

3 廢邊卷取機關鍵部分的設計計算

3.1 壓輥設計

壓輥的設計關鍵為卷取高強帶鋼時所需壓緊力的計算。在廢邊卷取機中，為方便卸卷，廢邊卷的密實度一般保持在60%～70%即可，因此，壓輥壓力設計的主要目的是使廢邊卷取時張緊力達到帶鋼卷取張力。高強帶鋼廢邊卷取時所需張緊力T（N）的計算公式為：

其中：σ0為單位張力，N/mm2，σ0＝kσs，k為張力系數(shù)，取0.3～0.5，帶鋼厚度大的取大值；h為帶鋼厚度；b為廢邊寬度。

帶鋼的張緊力靠壓輥的壓力提供，壓輥壓力F（N）由下式計算：

其中：C為系數(shù)，考慮廢邊經常成團狀卷入，C取1.3～1.5；f為帶鋼廢邊和壓輥間的滾動摩擦因數(shù)，f取0.3～0.5。

根據(jù)式（2）即可設計壓輥的重量和壓輥油缸的壓力。圖2為壓輥作用示意圖，其中，l2為鉸支點到壓輥中心的距離，l1為油缸作用在壓輥上壓力作用點到鉸支點的距離。

圖2 壓輥作用示意圖

設壓輥自重為F′，則油缸額外需要施加在壓輥上的壓力F0＝F－F′。設油缸缸徑為D1，則壓輥油缸所需壓力p′（MPa）為：

通過上述分析和計算，完成了壓輥壓力的設計。

3.2 卷取軸的設計

3.2.1 卷取軸直徑選擇計算

在冷軋帶材卷取中卷筒直徑的選擇一般以卷取過程中內層帶材不產生塑性變形為設計原則，以保護內層帶材［4］。但在廢邊卷取機中，對高強廢邊沒有質量要求，且為了防止發(fā)生松卷，卷取軸的直徑應以使內層帶材產生少量的塑性變形為設計原則。卷取軸直徑D（mm）計算公式為：

其中：E為帶材彈性模量，MPa；hmax為帶材的最大厚度，mm。但是倘若卷取軸直徑取得太小，軸的強度必然不夠，所以卷筒直徑還應滿足以下關系式：

其中：M為軸在計算截面位置所受彎矩，N·m；σ－1p為卷取軸在對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，MPa。由于廢邊不像成品帶鋼具有平整的表面，在卷取時，廢邊之間還處于互相纏繞的狀態(tài)，會增加廢邊鋼卷與卷取軸表面間的摩擦力，繼而增加了卷取軸所受的扭矩，因此卷取軸的直徑選取原則是在式（4）和式（5）計算得出的數(shù)值范圍內盡量選取大一些的值［5］。

3.2.2 卷取軸危險截面的確定

卷取軸在卷取過程中的受力屬于超靜定梁情形，其受力簡圖如圖3所示。把支座B作為多余約束，解除支座B的約束后，用力FRB代替，如圖4所示。為求解支座反力FRB，將卷取軸的受力簡圖進行分解，分別考慮壓力q（包括廢邊卷和壓輥重量）和支座反力FRB對卷取軸的作用，利用變形協(xié)調方程，使用積分法進行求解。

圖3 卷取軸受力簡圖

圖4 解除支座B后卷取軸受力簡圖

當q單獨作用時，將卷取軸AD段分成AC和CD兩段來考慮，則支座D處的轉角θD1和B處的撓度（wB）q分別為：

其中：I為慣性矩，與材料截面尺寸有關。

當q和FRB同時作用時，則由靜力平衡∑MA＝0和∑MB＝0可以作出卷取軸的剪力圖和彎矩圖，如圖5所示。

圖5 卷取軸的剪力圖和彎矩圖

彎矩圖5（b）中點E和點D兩處極大值ME（N·mm）和MD（N·mm）分別為：

3.3 廢邊卷取機功率計算

高強帶鋼廢邊卷取機傳動功率與普通帶鋼相比要大很多，主要取決于卷取軸上的總靜力矩，其主要包括壓輥壓力作用在卷取軸上引起的力矩、卷取軸自重、高強帶鋼廢邊卷重量及壓輥壓力在卷取軸軸承處引起的力矩、使廢邊彎曲所需的彈塑性力矩，故總靜力矩M總（N·m）為：

其中：v為廢邊卷取線速度，m/min；η為傳動效率，一般取0.86～0.9。

4 結束語

其中：R為高強帶鋼廢邊卷最大半徑，m；∑P為包括卷取軸自重、廢邊卷重量及壓輥壓力在卷取軸軸承處引起的反力，N；u為軸承處的摩擦因數(shù)；d為卷取軸軸承處的直徑，m；M彈塑為彎曲高強帶鋼廢邊所需的彈塑性力矩，N·m。則廢邊卷取機的傳動功率N（kW）為：

本文通過對廢邊卷取機結構和工作原理的了解，設計了可用于卷取高強帶鋼廢邊的廢邊卷取機，它具有功率大、可靠性強、自動化程度和安全性高等特點。本文有效可行的設計方案和思路，為今后廢邊卷取機的設計和改造提供了有價值的參考。

［1］冶金工業(yè)部武漢鋼鐵設計研究院.板帶車間機械設備設計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.

［2］賀毓辛.冷軋板帶車間［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］薛培，劉熙明.錐形軸拔出式廢邊卷取機的設計［J］.鞍鋼技術，1992（1）：8-11.

［4］鄒家祥.軋鋼機械［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［5］楚云凌，林紅.一種新型的自動穿帶廢邊卷取機組［J］.冶金設備，2012（2）：50-53.