雙卷筒回轉式卷取機自主研發與應用實踐

劉 松，計 江，蘇旭濤，賈尚武，李聯飛，黃慶學 ，周存龍，張 鐳

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.太原理工大學， 山西 太原 030024；3.太原科技大學，山西 太原 030024)

0 前言

冷軋帶鋼產品在國民經濟發展中起著舉足輕重的作用并廣泛應用于包裝、家電、微電子和國防等領域。目前生產冷軋帶鋼主要有單機架可逆軋制和全連續軋制兩種方式，而全連續軋制具有生產節奏快和成品率高等優點。隨著全球冶金設備向高速化發展的趨勢，全連續軋制正日益成為冷軋業的主流生產方式，冷連軋生產線的市場占有率正逐年提高。

雙卷筒回轉式卷取機是帶鋼冷連軋生產線的出口段關鍵設備之一，并直接決定著整體生產節奏和產品精度。由于雙卷筒回轉式卷取機具有載荷大、速度高和結構復雜等特點，該設備的關鍵技術長期為少數幾個國家所壟斷，因此國內高速冷連軋設備幾乎都由國外供貨商成套。目前對該設備具有加工能力的僅有常州寶菱和中冶陜壓等少數幾個制造廠，但是國內對該設備的設計能力始終處于空白狀態。

為了振興民族產業和打破國外技術壁壘，中國重型機械研究院股份公司于2014年成立雙卷筒回轉式卷取機研發團隊，攻破了多個難點和技術瓶頸并逐漸掌握了該設備的全部關鍵技術。

2017年12月28日，中國重型機械研究院股份公司自主研發的雙卷筒回轉式卷取機在江蘇陽光現場一次性熱負荷試車成功，而且設備速度和產品精度遠超目標考核值并深得用戶的認可和贊譽。

1 設備型式與構成

根據傳動系統布置型式的不同，雙卷筒回轉式卷取機分為行星齒圈和中空軸兩種類型，此次研發主要是針對中空軸式開展的。該機型的布置和設備構成如圖1所示。

圖1 雙卷筒回轉式卷取機設備構成

(1)傳動裝置。由兩臺等功率的直流電機、鼓形齒聯軸器和制動器等組成；

(2)初級減速箱。將傳動裝置的動力和扭矩通過帶花鍵的中空軸傳遞到次級減速箱；

(3)回轉支撐及定位鎖緊裝置。支撐次級減速箱并通過交流變頻電機驅動次級減速箱的大齒圈以實現兩個卷筒的位置交替，而且為穩定卷取提供自鎖裝置；

(4)次級減速箱。將中空軸的扭矩和速度再次分配后傳遞到卷筒以驅動卷筒的旋轉；

(5)卷筒裝配。卷筒采用中空軸加四楔形塊的結構。卷筒采用四塊扇形板，扇形板間帶有曲線以減小卷筒漲徑后接縫對帶鋼的壓痕；

(6)輔助裝置(回油裝置和固定罩等)。動態回轉箱體的潤滑油經固定在初級減速箱上的回油裝置回收到稀油站。保護罩是為了保障設備和操作人員的安全而設計的。

(7)流體配管和檢測開關(圖1未示出)。初級減速機和次級減速機及其軸承均采用稀油循環潤滑。卷筒漲縮的壓力油及其泄油等均通過中空軸內部的芯軸傳送次級減速箱。檢測開關主要用于檢測電機轉速、次級減速箱轉動角度、卷筒脹縮和潤滑油的壓力和流量等。

2 設備主參數

此次研發依托江蘇陽光1 250 mm全連續冷連軋機組。根據用戶生產需求，設定機組的主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

3 主要創新技術

該雙卷筒回轉式卷取機在研發過程中遇到的技術難點，本文采用創新技術和方法進行難點攻關并解決了實際問題。

3.1 全三維系統設計的運用

該雙卷筒回轉式卷取機具有復雜程度高、運行速度快和設備造價高等特點，不容許失誤和報廢件的存在，而且次級減速箱的流體配管不得在轉盤回轉時與相關固定件產生干涉。因此依托INVENTOR平臺對該雙卷筒回轉式卷取機進行全三維系統設計。

3.2 脹縮缸內置式高剛度卷筒

卷筒是卷取機的核心零部件，卷筒的剛性和跳動直接決定著產品的精度和質量。該卷筒軸采用矩形斷面結構以提高卷筒的剛性和承載能力。卷筒結構如圖2所示。卷筒的漲縮由卷筒尾部的漲縮缸推動長拉桿以帶動楔塊來實現扇形板的脹縮。為了充分利用空間和壓縮成本，卷筒的脹縮缸集成在卷筒中空軸上，脹縮缸的活塞桿改即為長拉桿。

圖2 卷筒裝配示意圖

進口的此類卷取機的活塞桿采用V形組合密封，此種密封在使用數年后需定期拆開脹縮缸并旋緊緊定螺釘以保證密封的可靠性。而且原有脹縮缸的活塞采用兩個U形圈，此種密封結構極易造成U形圈間的閉油，進而造成脹縮缸的爬行和振動。

本文卷筒在活塞和長拉桿部位均采用格萊圈加導向環的結構，此改進實現了脹縮缸的免維護并極大提高了脹縮缸的運動特性。本次脹縮缸的密封改進如圖3所示。

圖3 內置式脹縮缸裝配示意圖

3.3 雙卷筒獨立驅動技術

雙卷筒回轉式卷取機的典型特征和最大難點是兩個卷筒獨立傳動并輪換使用以保證連軋生產的連續性。雙卷筒獨立驅動的基本原理如圖4所示。兩個電機經初級減速機分別驅動其內軸和外軸。內軸通過花鍵副I和齒輪副II傳動1#卷筒，外軸經花鍵副II和齒輪副I傳動2#卷筒。電機傳動卷筒分三級減速來實現。前兩級在初級減速箱中，后一級在次級減速箱內。

圖4 雙卷筒獨立驅動原理圖

3.4 大型回轉件的流體設計

雙卷筒回轉式卷取機的次級減速箱(重達53 t，最大回轉直徑3 840 mm)在工作過程中會隨回轉支撐的電機轉動而繞中空軸進行轉動，次級減速箱上安裝的卷筒既要繞自身軸線做高速自轉(Max.800 r/min)又要相對次級減速箱軸線做公轉。如此復雜的大型機構，既要滿足運動學要求又要實現各潤滑點的充分潤滑和卷筒脹縮。經分析論證，該雙卷筒回轉式卷取機采用流體傳送方式。

初級減速箱的潤滑與傳統減速箱的潤滑相似，本文不再贅述。次級減速箱潤滑油和卷筒漲縮的壓力油及其泄油等均通過內軸內部的芯軸傳送到操作側分油法蘭。分油法蘭的壓力油及泄油與卷筒端部的三通道回轉接頭相連接以實現卷筒的脹縮。分油法蘭的潤滑油先傳送到次級減速箱底部的潤滑橫梁上再分配到十個相應的潤滑點上，如圖5所示。芯軸與油站管路的連接是通過傳動側六通道主回轉接頭來實現的。

圖5 次級減速箱潤滑原理圖

由于次級減速箱箱體上多達十個潤滑點，而且分布在不同的側面上，箱體轉動時配管難免與其他零部件產生干涉和影響。本文利用INVENTOR的三維配管技術很好地解決了零件干涉問題，如圖6 所示。INVENTOR的三維配管模塊中默認的并非國標管接頭，運用先進的iPART技術以實現產品系列化設計——設定主參數后將國標系列化的數據導入到EXCEL中便可一次生成全系列的同類型管接頭(可利用工具將國標的pdf數據批量導入到所需的EXCEL中)。該技術極大地提高了產品研發效率并可推廣到其他產品庫的開發中。

圖6 次級減速箱三維配管圖

4 結語

目前江蘇陽光1 250 mm全連續冷軋機組運行良好，雙卷筒回轉式卷取機性能穩定，產品精度和質量達到考核指標并深得用戶贊譽。中重院成功研發的雙卷筒回轉式卷取機彌補了多項國內技術空白，目前正積極開發1780寬幅雙卷筒回轉式卷取機和950窄幅小中心距雙卷筒回轉式卷取機以滿足不同用戶的需求，雙卷筒回轉式卷取機正逐漸系列化。