銅帶精軋機立式自復位皮帶助卷器的開發及應用

謝 磊，計 江，閆成琨，師浩浩，孫紅剛

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.安徽楚江科技新材料股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

在銅帶精軋機組薄帶軋制生產中，當帶材的厚度T薄到≤0.4 mm時，需要采用卷取機帶套筒方式軋制，使用皮帶助卷裝置輔助帶材頭部緊密的纏繞在套筒上，當帶材頭部纏繞套筒若干圈并能承受一定的張緊力后，助卷器就可退出軋制過程。

目前在銅帶精軋機組上配置較多的有臥式皮帶助卷裝置和擺臂式皮帶助卷裝置，臥式皮帶助卷裝置因其占用車間場地大，在銅帶軋機中使用越來越少；擺臂式皮帶助卷裝置在不參與助卷時需依靠液壓缸的推力實現復位，即保持在退出位置，一旦液壓系統出現故障或生產車間停電時容易產生生產事故。

為了使助卷設備既能占用空間小，又能夠實現安全生產，本文設計開發了一種銅帶精軋機立式自復位的皮帶助卷器。

1 設備組成及工作原理

如圖1所示為立式自復位皮帶助卷器立面示意圖，立式自復位皮帶助卷器主要由立式架體、配重、升降液壓缸、鏈輪架和鏈條組成。立式架體是一個焊接方箱結構，方箱內部為空腔，豎直的固定安裝在卷取機減速箱上。配重是由一定數量和一定重量的鑄鋼件矩形塊豎直疊加組成，放置在方箱內部，可以沿著豎直的方箱上下運動。升降液壓缸是鉸接的液壓缸，鉸接底座固定在立式架體上，缸頭與助卷架相接。鏈輪架由鏈輪架體和兩個鏈輪組成，鏈輪架體固定安裝在立式架體的頂面，兩個鏈輪通過輪軸安裝在鏈輪架體上，可以靈活轉動。鏈條擔在兩個鏈輪上，一端連接配重，另一端連接助卷架，可以在鏈輪上靈活滑動。

圖1 立式自復位皮帶助卷器立面示意圖

如圖2所示為立式自復位皮帶助卷器K向示意圖，設備主要由張緊氣缸、助卷架、張緊臂皮帶、抱臂和抱臂氣缸組成。架體靠助卷架的一側有豎直的滑動軌道，張緊氣缸是鉸接結構的氣缸，鉸接底座固定在助卷架上，缸頭與張緊臂相接，助卷架是由焊接結構的架體和若干組皮帶輥組成，與液壓缸的缸頭和鏈條相連。助卷架上帶有滑塊，安裝在立式架體的滑動軌道上，使助卷架可以沿著立式架體的軌道上下靈活滑動，皮帶輥是鋼輥，可以靈活轉動。張緊臂由焊接架體和一個張緊輥組成，可以沿著助卷架內部的軌道上下滑動，皮帶是一整張無頭皮帶，按如圖2所示纏繞在皮帶輥和張緊輥上。抱臂由焊接的架體和若干皮帶輥組成，抱臂鉸接在助卷架上，可以繞著鉸接軸靈活轉動，皮帶輥是鋼輥，可以靈活轉動。抱臂氣缸是鉸接結構的氣缸，鉸接底座固定在助卷架上，缸頭與抱臂相接。配重的重量大于張緊氣缸，助卷架、張緊臂、皮帶、抱臂和抱臂氣缸所疊加后的總重量，使得液壓缸不工作時，在抱臂打開后的自然狀態下，助卷架總是被配重在鏈條的拖拽下，自動處于其最上位，即助卷器處于復位位置。

圖2 立式自復位皮帶助卷器K向示意圖

助卷架的初始位置是在卷筒上方，其最下側與卷筒中心的距離需大于最大銅卷半徑。此位置被稱為助卷架的最上位，即復位位置。抱臂的初始位置是在抱臂打開位。在銅帶精軋機組帶套筒軋制時，助卷架在液壓缸的推動下，沿著立式架體的滑動軌道向下運動到達工作位，此時狀態如圖3所示。抱臂在抱臂氣缸的推動下，到達抱臂抱緊位，張緊臂在張緊氣缸的推動下，將皮帶張緊，此時狀態如圖4所示。帶材頭部沿著如圖4所示與套筒外表面相切的方向進入助卷器，在張緊的皮帶的包裹下，帶材頭部緊密的纏繞到套筒上，當帶材纏繞到套筒上3～5圈后，助卷過程結束。此時帶材與套筒之間的摩擦力可以保證帶材在張力作用下不發生打滑。抱臂在抱臂氣缸的推動下，到達抱臂打開位，助卷架在配重的自重作用以及在液壓缸的推動下，立式機架沿著立式架體的滑動軌道向上運動到達復位位置。

圖3 立式自復位皮帶助卷器抱臂打開示意圖

圖4 立式自復位皮帶助卷器助卷態示意圖

在正常軋制過程中，由于配重的重量要大于張緊氣缸、助卷架、張緊臂皮帶、抱臂和抱臂氣缸所疊加后的總重量，這使得液壓缸不工作時，在抱臂打開后的自然狀態下，助卷架總是被配重在鏈條的拖拽下，自動處于其最上位，即助卷器處于復位位置。使得軋制生產過程安全性可靠。

2 立式自復位皮帶助卷器的皮帶輥配置方法

立式自復位皮帶助卷器的皮帶在助卷架內部需要使用若干皮帶輥進行支撐，使得助卷時的皮帶能形成一定的形狀與角度，方便帶材頭部能順利的進入皮帶助卷器，從而緊密的纏繞在套筒上。合理的配置皮帶輥可以使整個助卷過程高效而便捷。

助卷架內部的皮帶輥配置如圖4所示，其中皮帶張緊輥、固定皮帶輥(二)、抱臂皮帶輥、抱臂助卷輥、固定助卷輥均布置在皮帶所圍繞成的封閉區域的內側。固定皮帶輥(一)、絞軸輥布置在皮帶所圍繞成的封閉區域的外側。皮帶張緊輥布置在固定皮帶輥(一)和固定助卷輥之間的上方，在助卷時皮帶張緊輥豎直升到最上位，以張緊皮帶。固定皮帶輥(一)、固定皮帶輥(二)布置在套筒的左上方靠近套筒的位置，絞軸輥布置在套筒的左側，抱臂皮帶輥布置在套筒的左下方靠近套筒的位置，固定皮帶輥(一)、固定皮帶輥(二)、絞軸輥、抱臂皮帶輥的布置方式在皮帶助卷器助卷時起到分離內層與外層皮帶，使皮帶在輥子處形成包角，從而穩定皮帶的作用。抱臂助卷輥布置在套筒的右下側，使得張緊后的皮帶與帶材形成角度β，固定助卷輥布置在套筒的右側，使得張緊后的皮帶與帶材形成角度θ。

合理設計角度β可以保證帶材頭部初次進入時能順利的進入皮帶助卷器，而合理設計角度θ可以保證帶材纏繞到套筒的第二圈時帶材頭部能順利的進入皮帶助卷器，從而緊密的纏繞在套筒上。合理的角度β和θ并不能通過計算得出，而要通過實驗進行確定，表1、表2為所做實驗的數據，其中T表示帶材頭部能夠順利進入助卷器中，F表示帶材頭部沒有進入助卷器。由表1可知，角度β≤20°時，帶材頭部初次進入皮帶助卷器時能順利的纏繞到套筒上.由表2可知，角度θ在≥110°時，帶材纏繞到套筒的第二圈時帶材頭部能順利的進入皮帶助卷器。

表1 β在不同角度值時帶材助卷情況

表2 θ在不同角度值時帶材助卷情況

如圖4所示，皮帶助卷器抱臂打開態時，絞軸輥和固定助卷輥的布置位置可以保證助卷架順利上升到非工作位置而不碰到卷筒。

3 助卷器皮帶張緊力的計算

立式自復位皮帶助卷器的皮帶張緊力由張緊氣缸提供，用于在助卷時將皮帶張緊，從而將帶材緊緊纏繞在套筒上，帶材在助卷皮帶的張緊力作用下包繞于卷筒時必然產生彈塑性變形。助卷器皮帶的受力分析如圖5所示。

圖5 皮帶助卷器受力分析

帶材的彎曲力矩

M=M1+M2

式中，M1為帶材在彈性區域產生的力矩;M2為帶材在塑性區域產生的力矩；σs為帶材的屈服強度；b為帶材的寬度；h1為帶材彈性區厚度；ρ為帶材中性層的曲率半徑;E為帶材的彈性模量；R為卷筒半徑；h為銅帶厚度。

整理得

(1)

由于卷筒半徑R遠大于銅帶厚度h，因此在受力分析時銅帶厚度h忽略不計。此計算還忽略了皮帶各處的張力損失，認定皮帶張力T處處相等。受力分析如圖5所示。

皮帶產生的力矩Mp=TLcosα

α=90°-θ1-θ2

整理得

(2)

皮帶助卷器的正常工作條件是皮帶張力產生的彎曲力矩必須大于銅帶的彎曲力矩，即Mp≥M，因此我們通過計算式(1)、式(2)即可確定助卷器所需的皮帶張緊力。

4 現場使用情況

目前本論文所設計的立式自復位皮帶助卷器已成功應用在了由中國重型機械研究院股份公司為安徽楚江科技新材料股份有限公司總成套的800 mm六輥可逆銅帶精軋機組上，如圖6所示為皮帶助卷器在使用現場情況，此時助卷器處在助卷位，其抱臂抱緊卷筒。本助卷器在使用過程中，助卷效果好，使用操作安全，占用場地空間小，得到了用戶的肯定。

圖6 立式自復位皮帶助卷器應用現場照片

5 結束語

本文開發的立式自復位皮帶助卷器，其架體豎直安裝在卷取機箱體上，不占用地面基礎空間，結構緊湊，通過對皮帶助卷器施加配重，使得皮帶助卷器在自然狀態下總是自動處于復位位置，大大提高了軋制生產過程的安全性，具有良好的應用推廣前景，已在國家知識產權局申請發明專利。