一種全自動快換卷筒裝置

鄧良豐，張 鐳，余 濤

(中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

0 前言

板帶材的后處理生產過程中，需生產不同規格和不同內徑的卷材，以滿足市場要求。然而一條生產線上的開卷機或卷取機卷筒規格或者漲縮范圍并不能覆蓋不同規格或不同內徑的卷材，需要對開卷機(或者卷取機)的卷筒進行快速更換。

目前，開卷機(或卷取機)的卷筒快換裝置大多需要人工參與，由操作工手持扳手或者專用工具在箱體和卷筒的連接處松動固定螺栓，然后將卷筒抽出進行更換。其操作過程繁冗，更換時間長，工作效率低下，勞動強度大，存在安全隱患。因此，亟需一種全新卷筒快換裝置，避免人工參與，只需依靠設備自身機構和系統，就能實現卷筒全自動化、高效、快速及可靠地更換。

1 設備組成及工作原理

1.1 設備組成

全自動快換卷筒裝置結構如圖1所示，設備由旋轉漲縮油缸、螺桿、卡套、連接架、鋼球、拉桿、壓蓋、壓板、鋼珠、滑塊、油缸、油缸座、尾部隔套、尾部軸承蓋、機架、尾部軸承、軸套、卷筒、螺母壓環、大齒輪、頭部隔套、頭部軸承、頭部軸承蓋、鍵等組成。

圖1 卷筒結構圖

旋轉漲縮油缸通過螺栓與連接架連接，旋轉漲縮油缸和卡套通過螺桿連接，卡套通過鋼球與拉桿聯結，壓蓋安裝在連接架上。滑塊安裝在油缸上，滑塊可伸入在卷筒尾部的凹槽內，鋼珠通過壓板安裝在滑塊上。油缸安裝在油缸座上，油缸座安裝在機架上，尾部隔套安裝在軸套上，尾部軸承蓋安裝在機架上，尾部軸承安裝在機架上。軸套安裝在頭部軸承和尾部軸承的內孔中，卷筒安裝在軸套的內孔中，卷筒與軸套通過鍵相聯結。大齒輪安裝與軸套上，螺母壓環安裝在軸套上，頭部隔套安裝在軸套上，頭部軸承安裝在機架上，頭部軸承蓋安裝在機架上。

1.2 卷筒的快換工作原理

當卷筒工作時，油缸伸出，推動滑塊卡入卷筒的凹槽內，大齒輪帶動軸套轉動，軸套通過鍵帶動卷筒進行旋轉。

當來料生產規格變動，需要更換卷筒時，大齒輪停止旋轉，油缸縮回拉動滑塊退出卷筒的卡槽，旋轉漲縮油缸向外推出，推動卷筒向外運動，卷筒尾部的凹槽脫離與滑塊配合位置，旋轉漲縮油缸繼續向外推出，直至鋼球運動至連接架內壁環槽處，如圖2所示。

圖2 卷筒的拆裝示意圖

拉桿和卷筒一起向外拉動，旋轉漲縮油缸保持不動，鋼球在拉桿的擠壓下，運動至連接架內壁處的環槽內，此時拉桿與卡套完全脫離分開，卷筒和拉桿可以完全自由地退出裝配位。當安裝新卷筒時，上卸卷小車或天車將卷筒推進軸套內，并保證卷筒的鍵槽位置與軸套鍵槽位置對齊。旋轉漲縮油缸將卡套推至連接架的環槽處并保持不動，保證卡套的槽孔中心對齊連接架的環槽中心，油缸保持縮回位置。卷筒連同拉桿繼續向軸套內裝入，當拉桿運動至卡套內與鋼球接觸時，拉桿擠壓鋼球向外運動，鋼球進入連接架的環槽內，如圖2所示。繼續向內轉入卷筒和拉桿，同時，旋轉漲縮油缸配合縮回運動，鋼球在卡套的擠壓下，鋼球脫離連接架的環槽，進入拉桿的環槽處，此時卷筒繼續裝入軸套，直至卷筒上的卡槽與滑塊位置對齊。此時油缸伸出，滑塊進入卷筒的卡槽，卷筒安裝完畢。

2 關鍵技術

2.1 整體化和模塊化結構

傳統的卷筒結構設計中，大齒輪一般直接安裝在卷筒上，由于大齒輪安裝在開卷機或卷取機密閉的箱體中，使得卷筒不能整體沿著卷筒軸線方向抽出，當需要拆卸更換卷筒時，先打開開卷機或卷取機箱體，其勞動強度大，勞動時間長。卷筒設計成分段式結構，開卷機或卷取機箱體內的卷筒為一個整體模塊，箱體外的卷筒為一個整體模塊，卷筒之間通過法蘭連接，拆卸更換卷筒時，需要拆卸掉法蘭連接處的螺栓，其勞動強度也很大。

本文提出卷筒結構通過軸套將大齒輪與卷筒分開，大齒輪安裝在軸套上，卷筒通過鍵安裝在軸套的內孔中，使得箱體內外的卷筒可做為一個整體模塊。該整體模塊可以從箱體中整體抽出，實現拆卸更換，且其拆裝更換過程無需人工參與拆卸螺栓，杜絕了人工安全隱患，降低甚至消除了人工勞動強度，極大地提高了生產效率，能夠實現卷筒全自動化、高效、快速及可靠地更換。

除卷筒做成整體化模塊外，用于固定卷筒并且防止卷筒軸向串動的定位滑塊也可做成整體模塊式。如圖3所示，壓板、鋼珠、滑塊可組合成一個整體進行更換。

圖3 模塊化結構示意圖

2.2 卷筒的快速安裝定位技術

傳統的快換卷筒結構，通過拆裝法蘭處螺栓和定位銷來達到更換卷筒的目的，在安裝新卷筒過程中，需要旋轉卷筒，使得法蘭處的螺栓孔和銷孔對齊，然后擰緊多個螺栓，并打入銷軸，更換耗時大。

本文設計一種新型卷筒結構，只需將卷筒軸上的鍵槽位置對齊軸套上鍵槽位置，將卷筒向箱體內推入，直至卷筒軸和軸套相配合的斜面相吻合，此時軸套上的斜面阻止卷筒繼續向箱體內推入，此時油缸推動滑塊進入卷筒上相應的滑槽，卷筒的安裝過程結束。其安裝定位過程簡捷、快速、精準。

2.3 拉桿和漲縮缸間的快拆技術

如圖4所示為鋼球布置圖，鋼球均勻地布置在卡套的周向槽孔內，槽孔底部為圓形結構，托住鋼球，防止在拉桿抽出后，鋼珠由于重力作用向下自由(圓心)掉落。拉桿的外側周向開設環槽，卡套和拉桿通過鋼球聯結。

圖4 鋼球布置圖

連接架的上端開設出入孔，方便鋼球更換，壓蓋安裝在連接架的出入孔上。當安裝新卷筒時，卷筒推進軸套內。旋轉漲縮油缸將卡套推至連接架的環槽處，保證卡套的槽孔中心對齊連接架的環槽中心，油缸保持縮回位置，卷筒連同拉桿繼續向軸套內裝入，當拉桿運動至與卡套內的鋼球接觸時，拉桿擠壓鋼球向外運動，鋼球進入連接架的環槽內，當拉桿的環槽中心與卡套的槽孔中心對齊時，繼續裝入卷筒和拉桿，鋼球在卡套的擠壓下，脫離連接架的環槽，進入拉桿的環槽處。因此，拉桿的旋轉漲縮油缸之間的聯結是通過擠壓鋼球，使鋼球進入不同相應的位置，從而實現拉桿和漲縮缸間的快拆技術。

2.4 旋轉漲縮缸動態行程

當旋轉漲縮油缸的油桿完全縮回時，卡套與拉桿之間存在間隙，其間隙尺寸為a，如圖5所示。

圖5 旋轉漲縮缸的動態行程分析

如圖5所示，拉桿上開設有環槽，環槽寬度略大于與其裝配的鋼球接觸寬度，卡套連同鋼球可沿拉桿上的環槽作相對運動，其相對運動的距離為b，b>a。

當旋轉漲縮油缸的油桿從零位(油桿完全縮回位置)伸出時，推動卡套向前運動，卡套推動鋼球向前運動；當旋轉漲縮油缸的油桿從零位伸出距離a時，卡套推動鋼球向前運動距離a，此時卡套已接觸上拉桿，由于b>a，鋼球前端面尚未接觸拉桿卡槽的后端面，在此過程中，卷筒外徑沒有變化。當旋轉漲縮油缸的油桿繼續伸出時，旋轉漲縮油缸的油桿推動卡套，卡套推動拉桿向前運動，在此過程中，鋼球和拉桿之間此時并沒有產生擠壓力，卷筒開始縮徑，卷筒外徑變小。

當旋轉漲縮油缸的油桿開始縮回時，拉動卡套向后運動，卡套拉動鋼球向后運動；當旋轉漲縮油缸的油桿縮回距離a時，卡套拉動鋼球向后運動，此過程中拉桿沒有運動，此時，卡套與拉桿距離a，且卡套內的鋼球開始接觸拉桿的凹槽面，此過程中，卷筒外徑沒有發生變化。當旋轉漲縮油缸的油桿繼續縮回時，旋轉漲縮油缸的油桿拉動卡套向后運動，卡套擠壓鋼球向后運動，卡套通過擠壓鋼球推動拉桿向后運動，此時卷筒外徑開始發生改變，卷筒外徑開始變大。

旋轉漲縮缸的動態行程中，鋼球在卷筒漲縮過程中只承受單向壓力；卷筒漲徑時，鋼球承受擠壓力；卷筒縮徑時，鋼球始終不受力，一定程度上減少了鋼球的磨損，從而延長了鋼球的使用壽命，減少了設備的維修時間。

如圖5所示，當旋轉漲縮油缸的油桿伸出行程為a+c時，卷筒外徑縮至最小，此時拉桿開始頂上卷筒，卷筒外徑不能夠繼續縮小，油缸拉動滑塊退出卷筒的凹槽，與傳統快換卷筒相比，省去了使用扳手等工具拆卸螺栓，使卷筒脫離把合等過程；旋轉漲縮油缸繼續向前推出時，旋轉漲縮油缸就能向外頂出卷筒，與傳統快換卷筒相比，無需額外的輔助工具往外拉拔卷筒。當旋轉漲縮油缸推動卡套向前運動至鋼球與連接架內部的環槽處時，旋轉漲縮油缸繼續向前推出時，鋼球被擠壓進入連接架內部的環槽處，卷筒連同拉桿可自由地退出裝配。與傳統的快換卷筒相比，省去了拆卸拉桿的過程。

卷筒的裝配過程與此過程相逆，也無需額外的輔助工具。

3 結束語

本文提供了一種全自動卷筒快換裝置結構，解決了現有開卷機的卷筒快換裝置大多需要人工參與，操作過程繁冗，更換時間長，工作效率低下，勞動強度大等問題，使得開卷機的卷筒更換能夠實現全自動化操作，能夠高效、快速和可靠地更換卷筒，避免人工參與，杜絕了操作安全隱患問題。