連桿柱塞式熱軋卷筒脹縮與緩沖原理分析及設計

胡世標 徐天佑

（1.湖南科美達重工有限公司，湖南岳陽 414000；2.湖南科美達電氣股份有限公司，湖南岳陽 414000）

0.引言

熱軋卷取機是熱連軋或連鑄連軋的帶材卷取設備[1]，一般卷取溫度在550℃～850℃[2]。卷取機應有良好的性能，穩定可靠的工作狀態，以減輕卷取開始時帶頭對助卷輥與卷筒的碰撞沖擊，從而減少維護工作量，延長卷筒使用壽命，提高成材率，防止帶鋼損傷，包括帶頭沖撞壓痕和層間滑動劃傷等。

1.卷筒的脹縮與緩沖原理

連桿柱塞式熱軋卷筒主要由空心軸、扇形板、芯軸、連桿、柱塞等組成[3]，如圖1所示。卷筒傳動側的脹縮油缸在液壓系統作用下往傳動側拉動芯軸，芯軸上的四棱錐面推動柱塞沿空心軸軸向布置的三組的柱塞孔向外頂開扇形板，實現卷筒張大，脹縮液壓缸將芯軸推向操作側時，帶動連桿拉著扇形板向卷筒中心收縮，實現卷筒縮小[3]。

圖1 連桿柱塞式熱軋卷筒結構形式

為了保證扇形板，柱塞和芯軸表面之間能夠貼緊，在柱塞中裝有圓柱彈簧，在任一自由狀態下，扇形板與柱塞并不直接接觸，而是有0.5mm～3mm的間隙，這樣有效減少了帶頭的沖擊。在任一自由狀態下，連桿都拉住扇形板，使得連桿的運動與斜面機構運動之間不會產生干涉。

2.卷筒脹縮核心零件的設計

柱塞裝配體內部有圓柱彈簧5，如圖2所示，自由狀態下，彈簧上座2的B面對扇形板有一個向外的推力，彈簧上座2與彈簧下座3通過螺釘4連接，彈簧上座的最大行程為5mm[4]；連桿上與芯軸連接處的孔為圓孔，與扇形板連接處的孔為腰形孔。

在圖1中以芯軸為參照物，假定芯軸靜止，卷筒脹縮時，與連桿連接的銷軸7繞銷軸8作旋轉運動，銷軸7行走軌跡為弧線，柱塞在芯軸的楔形面上往返移動，柱塞行走軌跡為直線，兩個零件運動不同步。扇形板下平面與柱塞之間（圖2中A面）會產生間隙，且間隙量會隨著連桿的擺動角度而變化，而柱塞中配置的圓柱彈簧可以彌補它們之間的間隙。彈簧在間隙變大而伸長時，彈簧力會減小，故超出彈簧上座允許的伸出量時，扇形板和彈簧上座之間會產生間隙，此時會影響卷筒的正常使用，所以要求柱塞和扇形板之間的最大間隙盡量小。

圖2 柱塞裝配體結構形式

圖3 連桿運動軌跡示意圖

由于扇形板和柱塞只作徑向運動，沒有軸向位移，故我們假定芯軸靜止，此時扇形板和柱塞相對芯軸產生水平位移，它們的位移量會始終一致，對于柱塞的相對于芯軸的任一位移X1（圖4中所示），直線段GF值即為該位置的扇形板和柱塞的間隙，也就相當于芯軸軸向行程為X1時的扇形板和柱塞的間隙值。

圖4 連桿柱塞運動軌跡放大圖

當連桿中心線與AB連線夾角成90°時，柱塞和扇形板之間的間隙值最大，其值即為圖4中線段DE的長度。圖4中的數據為某國際公司設計的連桿與柱塞運動的情形圖，從圖中可看出，卷筒芯軸的軸向行程為53.9mm，卷筒漲縮范圍φ727mm～φ762mm，扇形板徑向脹縮量為17.5mm，連桿的長度兩銷孔中心距為192.15mm[4]（腰形孔以外圓弧中心考慮，以下簡稱連桿孔長度）。扇形板與柱塞之間的最大間隙值為2.21mm加上初始間隙0.5mm，即2.71mm。彈簧設計最大伸縮量（圖2）為5mm，保證了卷筒在自由脹縮過程中始終有預壓力存在。

假定卷筒預脹工作直徑為745 mm，此時自然狀態卷筒的單邊脹縮量為9mm（如圖4所示），間隙為2.13+0.5（初始間隙）=2.63mm，卷筒在卷取帶鋼時，帶鋼張力對扇形板產生的徑向壓力會消除扇形板和柱塞之間的間隙，即卷筒外徑變為745-2.63×2=739.74mm，卷筒收縮量為5.26mm。

3.卷筒緩沖核心零件的計算

連桿柱塞式熱軋卷筒主要是通過柱塞與芯軸配合斜面來承受卷取鋼帶的徑向壓力，柱塞內置圓柱彈簧的作用主要是為緩沖帶頭對扇形板的沖擊，使卷筒脹縮平穩，延長柱塞和扇形板的使用壽命。

當卷筒空載預脹大至最大直徑時，扇形板未受徑向壓力，柱塞與扇形板間的初始間隙約為0.5mm。負載后，因每塊扇形板承受的徑向壓力遠大于3組彈簧組的彈力，柱塞與扇形板間的間隙將被消除。徑向壓力由柱塞傳至芯軸，最終由脹縮油缸所產生的軸向力來承擔。

扇形板與柱塞間的間隙在卷筒工作時總是變化的，并且直接影響彈簧的壓縮量。彈簧在工作行程的彈力大小，會影響卷筒工作時扇形板與柱塞間緩沖效果，彈簧的彈力不足會加大扇形板對柱塞的沖擊，降低卷筒的使用壽命。因此，彈簧是否滿足設計要求，關系著卷筒的正常使用。

以1780熱連軋機組為例，對連桿柱塞式熱軋卷筒的柱塞內置圓柱彈簧進行理論核算。每塊扇形板重量為650kg，1780熱軋卷筒布置三組柱塞裝配體，也就是每塊扇形板由三個彈簧承受載荷。彈簧的最小工作載荷下的高度和最大工作載荷下的高度必須滿足扇形板的結構要求，同時要求最小工作載荷P1至少大于每塊扇形板重量的1/3。

圓柱彈簧根據卷筒結構選定規格為：鋼絲直徑d=14mm；彈簧中徑D=70mm；彈簧自由高度H0=88.5mm。

式中：R—彈簧剛度，N/mm；

G—彈簧材料剪切彈性模量，MPa；

D—彈簧中徑，mm；

D—彈簧絲直徑，mm；

N—彈簧有效圈數。

其中：彈簧材料選取高溫彈簧鋼，G=79000MPa[5]。

彈簧中徑D=70mm；

彈簧絲直徑d=14mm ；

彈簧有效圈數n=2.7。

代入公式（1）得出：彈簧剛度接近R≈410N/mm。

式中：R—彈簧剛度，N/mm，

F—彈簧變形量，mm，

P—彈簧負荷，N。

其中：最小變形量F1=88-77.8=10.2mm；最大變形量Fn=88-72.8=15.2mm。

根據公式（2）計算得出的：

圓柱彈簧最小變形下最小負荷P1≈4200N；

圓柱彈簧最大變形下最大負荷Pn≈6200N。

圓柱彈簧最小變形下最小負荷P1約4200N＞每塊扇形板的重量6500/3≈2167N，滿足設計要求。

上述計算結果如圖5所示，基本滿足某國際公司原彈簧設計要求。

圖5 所選圓柱彈簧結構及參數

4.結語

熱軋卷筒是熱連軋或連鑄連軋生產線的核心設備，直接關系著整個生產線的正常運轉，只有正常理解和熟悉其工作原理，才能在制造、修復、維護中有的放矢，精準到位，確保設備正常運行，滿足生產工藝要求。