熱軋板帶軋機卷取芯軸電磁抱閘液壓控制技術改進

熊杰

摘 要：文章分析了卷取芯軸電機電磁抱閘的結構及工作原理，分析了電磁抱閘在卷取鋼卷定尾使用過程中的局限性及存在的問題，結合現場設備布置特點，創新性地將電磁抱閘制動改液壓油缸制動，解決了電磁抱閘使用過程中存在的問題，提高了抱閘運行控制的穩定性，更易實現鋼卷的精確定位，取得了良好效果。

關鍵詞：卷取機；卷取芯軸；電磁抱閘；定尾；液壓缸

中圖分類號：TG333.2+4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0114-03

Abstract： This paper analyzes the structure and working principle of the electromagnetic lock brake of the coiling shaft motor， analyzes the limitations and existing problems of the electromagnetic lock gate in the process of coiling steel coil and fixing the tail， and combines the characteristics of the field equipment arrangement. The electromagnetic lock brake is innovatively changed to hydraulic cylinder brake， which solves the problems existing in the operation of the electromagnetic lock brake， improves the stability of the operation control of the lock gate， makes it easier to realize the accurate positioning of the coil， and achieves good results.

Keywords： coiler； coiling mandrel； electromagnetic lock brake； stationary tail； hydraulic cylinder

1 概述

湖南華菱漣鋼2250熱軋板廠于2009年9月份建成投產，年設計產能441萬噸，可生產規格厚度1.5-25.4mm、寬度900-2130mm的熱軋帶鋼。其中卷取機布置有3臺全液壓踏步控制固定式卷取機，卷取芯軸傳動裝置電機功率為1350kW。卷取機的作用是對精軋機軋制完的帶鋼進行卷取成卷，以便后續的卸卷、運輸和儲存。當卷取開始時，帶鋼在精軋機和卷取芯軸間形成張力，當帶尾離開精軋機最后一架軋機（F7）時，卷取機進入收卷狀態，為了保證F7拋尾后卷取夾送輥和芯軸之間的張力，夾送輥壓下液壓缸壓力增大，輥縫變小，同時3助卷輥同時關閉壓住卷取機內的外層帶卷，使帶鋼在夾送輥和卷筒之間建立張力。卷取將完成時，帶尾須進行第一次定尾，一般第一次帶尾定位在9點鐘位置（面對卷取機）。第二次定尾開始時，首先2#助卷輥打開，卸卷小車上升托住帶卷，然后芯軸電機再次啟動和制動，將帶尾準確定位至5點鐘的位置，以利卸卷時托卷輥壓住帶尾，避免松卷。目前國內熱軋板廠普遍采用電機尾端安裝角度編碼器和電磁抱閘，通過帶尾跟蹤、芯軸電機角度編碼器配合電氣傳動控制以及電磁抱閘制動相結合的方式來實現帶尾的準確定位。芯軸電機主傳動裝置見圖1。

2 電磁制動抱閘結構及工作原理

電磁制動抱閘主要由電磁鐵、閘瓦制動器和制動輪三部分組成，制動輪與電動機裝在同一根轉軸上。其結構如圖2所示。電磁制動一般采用斷電制動，通電打開。當電動機運行時，電磁抱閘線圈通電，由于電磁吸力的作用，電磁鐵吸引銜鐵并壓縮制動彈簧，制動閘瓦松開，此時電機處于自由狀態；當電磁電源被切斷時，電磁線圈斷電，電磁鐵失去磁吸力，制動閘瓦通過制動彈簧抱緊制動輪，迫使電機盡快停轉并使電機軸靜止不動，此時電機處于被制動狀態無法運轉。目前漣鋼2250熱軋板廠卷取芯軸電機使用的制動器型號為MW800-10000，制動力矩為10000Nm。

3 卷取芯軸電機電磁抱閘存在的主要問題

因卷取芯軸電機電磁抱閘采用電磁鐵方式進行制動，當電磁鐵得電時，制動抱閘克服彈簧力打開，當電磁鐵失電時，制動抱閘通過彈簧的作用使制動抱閘關閉。其在使用過程中存在下面2個主要問題：

（1）電磁鐵因長期工作燒損或連接電磁鐵的電氣線路發生故障時，電磁鐵斷電，制動抱閘將在彈簧力的作用下自動關閉，對電機軸制動，此制動力矩可引起芯軸電機過流（過載）跳電，此時如果卷取機正在卷鋼，則鋼帶將在卷取機內堆鋼，卷取失敗而廢鋼，特別是當厚板（厚度超過12mm）在卷取機內堆鋼時，其廢鋼處理時間有時甚至超過120分鐘，嚴重影響生產的穩順進行。

（2）鋼卷卷取完成后，芯軸電機通過電氣傳動并結合編碼器進行帶鋼定尾控制時，因制動抱閘閘瓦磨損以及抱閘四連桿機構鉸鏈處磨損等，電磁銜鐵行程有限（小于2mm），芯軸電機制動力矩將不能有效發揮。而卸卷前助卷輥須打開時，厚規格高強鋼種因帶尾的彈力等作用，導致鋼卷在卷取機內自由轉動，不僅難以做到準確定尾，嚴重時甚至引起鋼卷在卷取機內松卷的嚴重后果。

4 電磁抱閘液壓控制技術改進

（1）取消制動電磁鐵，改液壓缸控制。現制動器型號為MW800-10000，制動力矩為10000Nm。液壓缸端部設計成法蘭連接方式，根據電磁鐵銜鐵推桿尺寸，可將液壓缸缸徑設計Φ100mm、桿徑Φ70mm、行程20mm（關于液壓缸各參數的驗算見后）。液壓缸可方便地通過螺栓把合安裝在電磁制動抱閘的機架上，閘瓦制動器利舊。改造方式見圖3。

（2）液壓缸設計成帶位移傳感器，通過比例電磁鐵的控制可實現液壓缸20mm行程內任意位置的控制。液壓缸液壓控制回路如圖4所示，由減壓閥3、調壓閥4、比例換向閥5、調速閥6等組成，所有液壓控制閥均采用疊加式結構用高強螺釘把合在液壓閥塊上。當比例換向閥5得電時，液壓缸有桿腔進油，活塞桿回縮，制動器通過彈簧的作用實現制動；當比例電磁鐵5失電時，液壓缸無桿腔進油，活塞桿伸出，制動抱閘松開，制動輪處于自由狀態，實現得電制動、失電打開控制邏輯，杜絕失電狀態下抱閘制動引起的堆鋼風險。通過減壓閥3、調壓閥4和調速閥6等可實現液壓缸的壓力和流量控制。

1-球閥；2-單向閥；3減壓閥；4-調壓閥；5-電磁換向閥；6-調速閥

5 抱閘制動力矩核算及液壓缸參數確定

漣鋼2250熱軋板廠卷取芯軸電機電磁抱閘屬電磁塊式制動器，按JB/T 7685.1-1995設計選型，其電磁銜鐵推桿最大行程為2mm，制動輪直徑Φ800mm，額定制動轉矩最大為10000N.M，則其最大制動力即摩擦力f為：

f= 10000/0.8=12500N

查有關資料，電磁抱閘閘瓦和制動輪之間的摩擦系數為0.3-0.4，以下計算時取摩擦系數的平均值μ=0.35，則作用于制動輪上的正壓力N為：

N=f/μ=12500/0.35=35714N

設電磁抱閘上彈簧的最大制動力為F1，則根據閘瓦制動器相關尺寸（見圖3）

F1×（450+650）≈N×450

解得：F1≈14610N

設液壓缸活塞桿上的最大推力為F2，根據作用力與反作用力相等原理，則F2和F1相等，即

F2=F1=14610N

初選油缸缸徑Φ100mm、桿徑Φ70mm、油缸行程S=20mm。

當液壓壓力P從10bar～50bar變化時，設液壓缸工作效率取0.98，則油缸活塞桿的最大輸出推力的計算值見表1。

顯然，當液壓壓力為38bar時，液壓缸的輸出力稍大于抱閘彈簧的最大制動力，液壓缸滿足工作要求。

設油缸的工作周期T=1～5s（工作周期設定為：啟動-快進-減速-工進-制動）。

則油缸的最大工作速度Vmax

Vmax=S/T=20mm/1s=20mm/s

油缸所需最大流量Qmax

Qmax=Vmax×A=9.42L/min

根據以上計算液壓壓力及最大流量，可核算液壓中間管道油管尺寸及壁厚。

6 電磁制動抱閘和液壓缸制動抱閘的優劣分析

電機制動抱閘在單獨使用的場合，使用電磁鐵進行制動控制時只需對電磁鐵輸入電流即可，安裝方便，控制簡單；如采用液壓缸控制抱閘來制動，則需額外安裝液壓閥臺，需要液壓站來提供壓力油源以及相應的液壓管路，顯然不方便也不劃算。但在常規熱軋板生產線等液壓控制系統用得很多的場合，壓力油源可利用就近液壓站提供，再配置相應的液壓閥臺和液壓中間管路，則電磁鐵完全可用液壓缸來替代，此時電磁式制動器則變成了高可靠性、高靈敏度、控制更可靠、制動力矩大小可調節的液壓缸制動器。當改為油缸進行制動時，可選擇液壓換向閥（或比例閥）斷電時油缸活塞桿伸出克服彈簧力使抱閘打開，當液壓閥向閥或比例閥）通電時，油缸活塞桿縮回，通過彈簧力使抱閘制動。因此當電氣線路發生故障時，液壓換向閥斷電，抱閘也是打開的，不存在因線路故障導致卷取過載跳停廢鋼的事故。且油缸行程比電磁鐵行程大很多，當抱閘鉸鏈處和閘瓦磨損時導致制動力不夠的現象也不會發生，并通過調節液壓壓力可方便調節制動力矩的大小，因此具有更大的優勢。漣鋼2250熱軋板廠自2018年3月份實施改造后，取得了良好效果。

7 結束語

國內熱連軋板帶生產線卷取芯軸電磁抱閘不可避免存在共性問題，如何提高電磁抱閘的可靠性、提高卷取芯軸制動穩定性、對鋼卷進行準確定尾等具有現實意義。本技術改進利用現有液壓油源，采用液壓油缸代替電磁鐵進行制動在國內尚屬首次，取得了良好效果，在一些特定場合，此技術改進具有較大推廣價值。

參考文獻：

[1]鄒家祥.軋鋼機械（第3版）[M].冶金工藝出版社，2004.

[2]聞邦椿.機械設計手冊（第5版）[M].機械工業出版社，2010.