立式活套設計分析

李素珍

（中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223）

對于連續的冷軋生產線，大型立式活套的存在，保證了機組在進口段焊接時，爐段能保持連續的運行，在出口段更換平整機輥子，調整圓盤剪的寬度，改變圓盤剪的刃口，在出口處分割鋼卷，切割廢品取樣，停止檢驗和打磨，從而大大地提高了機組的生產能力和成品率。文章中設計的立式活套是一種頂部可移動小型活套塔。該形式結構簡單，便于安裝和維護。為了實現精準的位置控制、速度控制和張力控制，需要同時配備完整的安全措施，確保安全生產。

1 結構簡介

立式活套主要由活套車本體、活套底輥、塔頂滑輪、配重裝置、卷揚主傳動部分、糾偏控制、張力檢測及過載保護、斷帶夾緊機構等機構組成。立式活套的活套車體上裝有非變速箱轉向輥。當活套車通過卷揚驅動結構沿活套塔鋼結構的軌道升降時，即可裝卸套筒[1]。這種垂直結構設計大大節省了設備的占地面積，并擁有大量的存儲設備空間。為了平衡活套車的重量，減輕活套車卷揚驅動的載荷，立式活套還配備了一套配重裝置，可平衡97%的活套本體重量。為了提升活套的精準度，在卷揚非驅動端安裝了絕對式編碼器測量裝置。

采用皮帶傳動的底輥設計，實現了活套正常運行的張力補償，防止了活套塔因受力不均勻而沿帶鋼運行方向傾斜的現象。正是因為這種底輥補償設計，才能滿足高精度帶鋼速度控制和張力控制的要求[2]。同時在活套的每組底輥之間設布置糾偏裝置，使整個活套在正常生產運行時更難跑偏。

為防止活套車沖出活套鋼結構，活套行程的兩端分別設置快停、急停開關和限位機械緩沖塊，確保設備的安全生產。另外，在每個活套塔的一個活套底輥上設計了一套張力過載保護裝置。當電氣控制出現張力過載問題時，能更有效地保護整個活套塔鋼結構和活套基礎不受損壞。此外，在每個活套底輥上還設計了斷帶夾緊裝置，以防止斷帶時所有的帶鋼散落在地基上。

2 設計計算

根據以上對立式活套結構組成和功能的簡單介紹，下面對活套本體的卷揚主傳動、底輥傳動補償以及過載裝置的能力選取設計的計算分析。

2.1 卷揚主傳動電機計算

其中，P表示卷揚電機功率（KW）；T帶鋼總表示整個活套內帶鋼的總張力（KN）；G帶表示整個活套內最大套量時帶鋼的總重量（KN）；G車差表示活套車總重量與配重總重量的差值（KN）；a入表示入口段停車加速度（m/s2）；V入口表示入口段速度（m/s）；V工藝表示入口段速度（m/s）；n表示活套內帶鋼道次；η表示機械效率系數。

需注意的是，在計算充套加減速過程中實際最大帶鋼重量所產生的功率時，公式中代入的G帶值要大于此時實際的帶鋼套量值。但由于這一項對整個電機功率影響不大，可以按照G帶值計算；另外，上述公式中并沒有單獨列項卷揚本體與滑輪軸承摩擦阻力、鋼絲繩與滑輪間的摩擦力，因為這部分摩擦所消耗的功率與其他相比較小，公式中的機械效率η的代入也保證了最終電機功率的合理和準確性。

計算時需注意的是：在計算卷揚電機功率時，應按照不同規格對應的帶鋼的張力與活套車速度乘積的最大值來考慮。

2.2 底輥傳動電機計算

帶傳動的活套輥一般大致均分(根據底輥的布置情況，如糾偏輥、帶有張力保護裝置底輥以及裝有張力計的底輥一般不考慮傳動)在所有活套輥之間，如圖1所示的入口活套底輥布置。

圖1 入口活套底輥布置

從整體張力分布來看，由于帶鋼與活套輥的包角基本上大于180°，因此在皮帶傳動下的活套底輥可視為能產生張力的張力輥，從而實現把活套內的帶鋼分成幾段的形式進行張力控制，并對各段的張力損失進行一定的補償，有利于活套內張力的均勻分布和穩定[3]。

從不同帶鋼規格對張力影響來看，當帶鋼厚大、強度高時，帶鋼在活套輥上的彈塑性彎曲將成為帶鋼張力損失的主要因素；此外，活套底輥在轉動時，軸承位置的摩擦阻力也會造成一定的張力損失，活套輥數量越多，張力損失越大。活套進、出口帶鋼累積疊加后產生較大的張力差，增加活套鋼結構的傾翻力矩，對設備的安全和使用壽命有一定影響，采用帶傳動活套底輥后，通過對張力的補償可以大大減小這種不良影響。

當活套裝滿和釋放時，帶鋼需要驅動活套輥進行加減速。由于活套輥較重，這一過程中的張力損失與設定張力相對較大(特別是薄帶鋼和軟帶鋼)，這可能會導致活套中帶鋼(特別是活套前段的帶鋼)因纏繞松動而跑偏，甚至會能因為加減速時張力波動過大而折斷帶鋼。利用帶傳動的活套輥進行張力補償可以大大減小這種情況的出現。

活套中有無傳動活套底輥張力損失比較如圖2所示：

圖2 活套中有無傳動活套底輥張力損失比較

鑒于以上分析，活套底輥傳動電機功率計算如下：

其中，Pi表示編號為mi的底輥電機功率（KW）；F損i表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間的張力損失|（KN）；

F車i表示第mi傳動底輥與對應的前一個活套車上轉向輥之間的張力（KN）；F底輥i’表示第mi傳動底輥的上一個傳動底輥后面的張力（KN）；Vi表示第mi傳動底輥的速度(注意厚度值與速度值的對應關系)（m/s）。

其中，ΣF磨損表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的輥子軸承摩擦力損失（KN）。受力分析如圖3所示：

圖3 受力分析

其中，F磨損i表示第i個輥子的摩擦力損失（KN）；Ni表示第i個輥子軸承位置的壓力（KN）；Ti表示第i個輥子入口的帶鋼張力（KN）；G帶表示經過活套車輥子時滿套時2道帶鋼重量（KN）；Θ表示第i個輥子帶鋼包角和弧度；Ч表示滾動軸承摩擦系數；d表示輥子軸頸位置直徑（m）；D表示輥子直徑（m）。

其中，ΣF慣性i表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的輥子慣性力損失（KN）；F慣性i表示第i個底輥加減速時(充放套時)慣性力損失（KN）；J表示輥子的轉動慣量（kg.m2）；ai表示第i個輥子的加速度（m/s2）。

活套底輥：

活套車輥：

其中，a出表示充放套時活套出口的加速度(對于入口活套來說，此時工藝段加速度為0)（m/s2）；a入表示充放套時活套入口的加速度及機組入口段的加速度（m/s2）；mi表示第i個活套底輥；ni表示第i個活套車輥；n表示活套帶鋼的道次；D表示輥子直徑（m）。

其中，ΣF塑損表示第mi傳動底輥與上一個傳動底輥之間總的帶鋼塑性變形張力損失（KN）；F塑i表示第i個輥子位置帶鋼的塑性變形力（KN）；бs入表示入口活套底輥位置帶鋼屈服強度（MPa）；B表示帶鋼寬度（m）；h表示帶鋼寬度（m）；R入活表示入口活套底輥半徑（m）；E表示彈性模量MPa。

需說明的是：

（1）本公式是根據理想彈塑性材料彈塑性彎曲理論用積分原理推導而來的。

（2）在代入公式時，首先要判斷帶鋼是發生的彈性變形還是彈塑性變形，因為對于彈性變形，考慮到帶鋼的彈復作用經過每個輥子后不存在張力損失；如果是彈塑性變形，則張力損失為彈塑性變形中的塑性變形力而不是整個彈塑性變形力。

（3）帶鋼厚度按照最大厚度代入，6s按照范圍區間值分別代入公式，最后取F塑損i的最大值。

（4）另外最終計算的每個傳動底輥的電機功率因布置的不均部性電機功率值可能不會完全相同，考慮的備件的統一性，最終選擇的電機功率可以基本上按照最大的電機功率取值。

2.3 過載保護裝置計算

過載保護裝置的設計，是選定一定值的張力限制器，當電氣控制有問題即張力過載時能有效的保護整個活套塔鋼結構以及活套基礎不被損壞和拉垮。

其中，T限制器標定表示設計選型所需的張力限制器最大脫開拉力（KN）；T帶鋼張力max’表示張力限制器脫開時最大張力的K倍過載力（KN）；L1表示張力限制器距離過載裝置擺動鉸點的距離（m）；L2表示底輥中心距離過載裝置擺動鉸點的距離（m）。K表示張力限制器脫開時最大張力的過載倍數。

需說明的是，關于過載倍數K的選取，主要根據是活套塔鋼結構最終設計的安全系數值考慮。

首先活套塔鋼結構的設計前提主要由以下幾部分組成：活套車和配重分別在軌道上行走所產生的移動負荷、塔頂滑輪重力、塔頂所承受的正常帶鋼張力。在計算這部分力的基礎上，同時根據鋼結構的設計規范再取一定的安全系數，如動力系數K1=1.3，分享系數K2=1.4，應力控制比K3=1.1。因此過載倍數K的選取應滿足K＜K1＊K2＊K3，一般按照K=1.6～1.8進行設計；然后還要校核裝張力限制器的位置的框架強度以及固定軸承座的螺栓等，總的原則是要保護到設備的最薄弱環節（基于設備結構不再進行大的變更，結構設計已經比較合理的）。

3 結語

對于大型的立式活套，結合以上的計算分析過程，整個結構設計的合理性以及電氣控制的速度和張力的精準性都可以得到有力的保證。