任 濤，張銳華，白 莉，那杰夫

(1．鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114021;2．鞍鋼股份有限公司工程事業(yè)部，遼寧 鞍山 114021)

1 前言

目前國內(nèi)已有幾十家冷軋廠投入運(yùn)行，除部分單、雙機(jī)架可逆軋機(jī)外，大部分為四機(jī)架或者五機(jī)架形式的酸軋聯(lián)合機(jī)組［1］，除冷軋機(jī)外，最為核心的設(shè)備就是卷取機(jī)了。輪盤式(Carrousel)卷取機(jī)在上世紀(jì)60年代已被開發(fā)出來，國內(nèi)在上世紀(jì)90年代開始應(yīng)用，經(jīng)歷了成套引進(jìn)－合作制造－自主開發(fā)三個(gè)主要階段。近年來，常州寶菱公司和中國第一重型集團(tuán)公司先后在國內(nèi)自主研發(fā)了輪盤卷取機(jī)。本文從輪盤卷取機(jī)的工作原理和使用特點(diǎn)，論述輪盤卷取機(jī)在國內(nèi)冷軋生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展。

2 輪盤卷取機(jī)的工作原理

輪盤卷取機(jī)將常規(guī)的兩套卷筒安裝在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)盤上，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)卷筒在初始位置象常規(guī)卷取機(jī)一樣卷取帶鋼到一定程度后，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)180°，第二個(gè)卷筒停在初始位置準(zhǔn)備卷取鋼卷。輪盤旋轉(zhuǎn)過程中，第一個(gè)卷筒隨輪盤公轉(zhuǎn)的同時(shí)，又自轉(zhuǎn)繼續(xù)卷取帶鋼到固定長度后，飛剪切斷帶鋼，由卸卷小車將鋼卷移出生產(chǎn)線。同時(shí)第二個(gè)卷筒在初始位卷取帶鋼，如此往復(fù)，兩個(gè)卷筒交替工作，這就是輪盤卷取機(jī)的工作原理。

輪盤公轉(zhuǎn)是靠一組行星輪系實(shí)現(xiàn)的。從輪盤卷取機(jī)的發(fā)展歷史看，其結(jié)構(gòu)形式主要有兩種代表形式，圖1為早期常規(guī)輪盤卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，卷筒1和卷筒2安裝在輪盤6上，卷筒1由主電機(jī)1通過齒輪Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ－Ⅳ驅(qū)動(dòng)，輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)由回轉(zhuǎn)電機(jī)7驅(qū)動(dòng)，并通過空心軸3，齒輪Ⅲ－Ⅳ形成行星輪系，通過空心軸5及對應(yīng)傳動(dòng)齒輪形成行星系驅(qū)動(dòng)卷筒2。該機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是齒輪全部為外齒外嚙合，加工制造方便，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕;缺點(diǎn)是兩套行星輪系的長空心軸3、5及輪盤主軸4為同心軸，加工、制造尤其裝配精度要求非常高，另外卷筒軸、兩套行星輪系空心軸、齒輪、軸承及配套件不同，備件種類多，占用維修資金大。

圖1 常規(guī)卷取機(jī)傳動(dòng)原理圖

圖2為改進(jìn)的機(jī)型，目前應(yīng)用較多，雖然輪盤公轉(zhuǎn)也是通過回轉(zhuǎn)電機(jī)7實(shí)現(xiàn)的，但行星輪系截然不同。以卷筒1為例，卷取動(dòng)力來自主電機(jī)1，通過齒輪Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ－Ⅳ－Ⅴ實(shí)現(xiàn)，行星系統(tǒng)則由卷筒軸、內(nèi)外齒圈5和空心軸4組成，只有卷筒軸、空心軸尺寸不同，其余兩套卷筒部件完全相同，裝配、維護(hù)和備件儲備均具優(yōu)勢，但重量大，齒輪Ⅲ強(qiáng)度要求較高。

3 輪盤卷取機(jī)使用特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 使用特點(diǎn)

輪盤卷取機(jī)占地少，節(jié)省設(shè)備、運(yùn)動(dòng)精度高，安全可靠，但其自身造價(jià)昂貴。本文以1 700 mm冷軋機(jī)為例，就常規(guī)雙卷取機(jī)和輪盤卷取機(jī)進(jìn)行綜合比較。軋機(jī)最大卷徑為φ2 100 mm，最大卷重為30 kN，最大張力為120 kN，最高卷取速度為1 250 m/min，轉(zhuǎn)盤直徑為φ4 000 mm左右。圖3和圖4為兩種配置工藝布置方式。

與常規(guī)卷取機(jī)比較，輪盤卷取機(jī)從設(shè)備組成、占地面積、設(shè)備基礎(chǔ)、運(yùn)行可控性等方面優(yōu)點(diǎn)突出，如表1。常規(guī)卷取機(jī)的夾送輥、導(dǎo)板臺、助卷器、卸卷小車均為兩套，另外，從1#卷取引料到2#卷取位多一套過渡臺，且在兩個(gè)卸卷小車之間需要設(shè)置一臺往返小車;而輪盤卷取機(jī)只需一套上述裝置即可，只是由于輪盤公轉(zhuǎn)，該電機(jī)比夾送輥電機(jī)和一套導(dǎo)板臺磁力引料電機(jī)功率要大一些。

由于常規(guī)卷取機(jī)串列布置，兩卷筒之間至少保證一臺水平皮帶助卷器的空間，所以至少比輪盤卷取機(jī)長出3.5～5 m的空間。特別應(yīng)用于酸軋聯(lián)合機(jī)組時(shí)，機(jī)組分卷時(shí)的速度一般在200～300 m/min之間，生產(chǎn)0.3 mm以下規(guī)格時(shí)，固定的卷取模式成為酸軋生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的保證，另外輪盤卷取機(jī)模式也更便于配置生產(chǎn)薄規(guī)格時(shí)的上套筒系統(tǒng)。

盡管常規(guī)卷取機(jī)總重量高、基礎(chǔ)施工量大，但在投資方面具備一定優(yōu)勢。在初期整機(jī)引進(jìn)階段，輪盤卷取機(jī)引進(jìn)費(fèi)用昂貴，綜合計(jì)算總投資要高600萬元左右，合作制造方式也高出200～300萬元。輪盤卷取機(jī)在設(shè)備組成、占地面積、設(shè)備基礎(chǔ)、運(yùn)行可靠性等方面的優(yōu)點(diǎn)，決定了其在聯(lián)合機(jī)組的首選地位，尤其2000年以后，被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)新建的各冷軋生產(chǎn)線上。

表1 常規(guī)卷取和輪盤卷取機(jī)特點(diǎn)比較

3.2 應(yīng)用情況

輪盤卷取機(jī)已經(jīng)成為新建冷軋聯(lián)合機(jī)組的優(yōu)選配置。基于目前兩種不同結(jié)構(gòu)形式的卷取機(jī)均有應(yīng)用，本文對兩種卷取機(jī)電機(jī)功率選擇和使用進(jìn)行分析說明。

3.2.1 輪盤公轉(zhuǎn)時(shí)的慣量補(bǔ)償［5］

常規(guī)卷取機(jī)在卷取帶鋼時(shí)基本的控制模式由五部分組成:基本張力模式，卷徑計(jì)算，加減速時(shí)的慣量補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償和瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償。其中，基本張力模式在穿帶或者機(jī)組聯(lián)動(dòng)狀態(tài)時(shí)為速度控制方式，正常生產(chǎn)時(shí)為轉(zhuǎn)矩控制模式;瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量既包括卷取機(jī)本身如電機(jī)、齒輪、傳動(dòng)軸和卷筒機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，又包括瞬時(shí)的鋼卷實(shí)際直徑和內(nèi)圈狀態(tài)(有無錯(cuò)層、帶鋼寬度和中心線是否重合)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;摩擦補(bǔ)償則是需要克服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)固有的摩擦力矩。

輪盤卷取機(jī)在初始位卷取狀態(tài)下與常規(guī)卷取控制模式是一致的，在切換到正常卷取位的控制模式也是相同的，但在由初始位到正常位的切換即輪盤公轉(zhuǎn)時(shí)，必須考慮輪盤公轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償，從圖3所示輪盤卷取機(jī)布置示意圖可知，一旦機(jī)組各設(shè)備準(zhǔn)確定位后，在某軋制速度υ下，定義開始切換的卷徑d1后，帶鋼從初始位公轉(zhuǎn)到正常位的軌跡是確定的，可以計(jì)算出此過程中帶鋼的實(shí)際通過長度l，此時(shí)卷取機(jī)的速度可以用下式表示。

在輪盤公轉(zhuǎn)時(shí)必須實(shí)時(shí)地計(jì)算該值，并疊加到主令速度值上。同樣，基于輪盤公轉(zhuǎn)實(shí)際精確控制，根據(jù)上式實(shí)時(shí)計(jì)算?υ值，從計(jì)算速度參考值到計(jì)算轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)卷筒傳動(dòng)的慣量補(bǔ)償值，?υ值要被疊加到卷取速度υ中，?υ值由式(2)確定。

這個(gè)環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，若控制精度稍差，在切換后，鋼卷表面可以明顯觀察到卷層分界前后顏色深淺的變化，控制不好，則出現(xiàn)較大的錯(cuò)層，且張力波動(dòng)太大，影響正常軋制。由于工藝要求除頭尾圈外鋼卷卷取時(shí)的層差小于1 mm，所以動(dòng)態(tài)狀態(tài)下帶鋼張力波動(dòng)在±1%以內(nèi)，恒速軋制時(shí)帶鋼張力波動(dòng)在±0.5%以內(nèi)。

3.2.2 輪盤卷取機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)的選擇［2］［6］

冷軋生產(chǎn)線正在向高速、大產(chǎn)能和高強(qiáng)度方向發(fā)展，如1 700 mm冷軋聯(lián)合機(jī)組，機(jī)組出口的速度一般為1 250 m/min以上，帶鋼強(qiáng)度一般大于800 MPa，卷取張力125 kN，卷取機(jī)電機(jī)選擇尤為關(guān)鍵。一旦計(jì)算疏忽，將出現(xiàn)卷取機(jī)功率不足而制約軋機(jī)能力，本文僅就有關(guān)卷取電機(jī)選擇注意事項(xiàng)進(jìn)行說明。

目前卷取機(jī)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎全部采用交流變頻電機(jī)，但由于交流變頻電機(jī)的調(diào)速范圍有限，而通常要求卷取的最大鋼卷外徑與卷筒外徑的比值大于交流變頻電機(jī)的調(diào)速范圍，如1 700 mm冷機(jī)機(jī)組，卷筒直徑φ508 mm，最大鋼卷外徑φ2 100 mm，則調(diào)速范圍需要4.134，所以在選擇交流變頻電機(jī)時(shí)一定要考慮這一因素，必須結(jié)合電機(jī)的特性校核。一般的計(jì)算公式為

對張力和速度的選擇，卻需要考慮具體要求。通常根據(jù)產(chǎn)品大綱確定軋機(jī)最大速度和最大張力，但根據(jù)材料特性和軋制規(guī)程，二者幾乎不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，若直接用二者最大值計(jì)算，則電機(jī)功率需要很大。應(yīng)分別計(jì)算最大張力和最大速度下的電機(jī)功率，取其最大值作為基準(zhǔn)再校核電機(jī)基速所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是否滿足張力要求，實(shí)際上電機(jī)計(jì)算問題演變?yōu)楹侠淼膡TV}組合問題，但必須考慮電機(jī)自身調(diào)速范圍的特性。

根據(jù)長期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，卷取時(shí)帶鋼彎曲變形和卷筒軸承處摩擦所消耗的功率約占總功率的5%～10%，摩擦力矩基本不變，由于所軋帶鋼機(jī)械強(qiáng)度不斷提高，σbmax一般大于800 MPa，σsmax大于615 MPa，計(jì)算時(shí)依據(jù)基本式(4)，必須計(jì)算具體取值。

式中，M1為帶鋼塑性彎曲變形所需力矩;b為帶鋼寬度;h為帶鋼厚度;σsmax為帶鋼屈服極限強(qiáng)度。

通常，將M1力矩和摩擦力矩合并考慮，相關(guān)文獻(xiàn)中將二者折合為一個(gè)系數(shù)K，定義為彈塑性變形系數(shù)，初算時(shí)可以按照經(jīng)驗(yàn)選擇K=1.05～1.1。建議最好按照實(shí)際σsmax取值計(jì)算后與摩擦力矩統(tǒng)一折合實(shí)際的K值。

所以，綜合考慮以上各因素，計(jì)算電機(jī)功率可選用式(5)。

求出功率后，再根據(jù)傳動(dòng)比、基速和所要求的調(diào)速范圍校核調(diào)整，便可求出實(shí)際的電機(jī)參數(shù)。

4 輪盤卷取機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展

國內(nèi)從上世紀(jì)90年代開始使用輪盤卷取機(jī)，直到2000年之前，由于內(nèi)部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，制造、裝配精度要求高的特點(diǎn)，從裝備到控制全套引進(jìn)，主要設(shè)計(jì)、供貨商為德國SMS、日本三菱、日立等少數(shù)幾家公司。隨著國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的迅速擴(kuò)張，大批冷軋項(xiàng)目建立，造成供不應(yīng)求局面，從而加劇了少數(shù)供貨商的競爭局面，有使用經(jīng)驗(yàn)但繼續(xù)擴(kuò)張新建的業(yè)主為了降低投資成本，提出分交的需求。同時(shí)，國內(nèi)專業(yè)制造廠也在機(jī)械加工制造方面基于高度競爭和快速發(fā)展的勢態(tài)下，整體加工能力也得到提升。在這種多因素復(fù)雜背景下，輪盤卷取機(jī)成套形成外方專業(yè)設(shè)計(jì)，國內(nèi)分交、合作制造局面，最早的合作制造記錄是2000年8月，寶鋼集團(tuán)下屬的中外合資常州寶菱公司為寶鋼益昌薄板鍍錫板軋機(jī)生產(chǎn)的輪盤卷取機(jī)，該項(xiàng)目由三菱公司設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件行星輪系全部進(jìn)口［4］。此后，中冶陜壓等也與SMS、CLECIM等公司進(jìn)行合作。2000～2007年，引進(jìn)和分交、合作制造密度都很高，同時(shí)陸續(xù)發(fā)表各種論文介紹原理、使用情況［7］，各科研院校也展開對其的研究，有能力的合作制造廠也通過具體的制造過程中經(jīng)驗(yàn)的積累，開始從理論、技術(shù)上消化、吸收。自主研發(fā)進(jìn)程明顯提升，與冶金相關(guān)的科研院校、中國一重、中冶陜壓、寶菱重工等有實(shí)力的加工廠、以及鞍鋼、寶鋼等技術(shù)創(chuàng)新能力雄厚的鋼鐵企業(yè)都致力于在對該技術(shù)的消化、吸收，尤其在掌握張力控制、電機(jī)選擇等應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新成果、自主研發(fā)。鞍鋼與中冶陜壓共同開發(fā)，聯(lián)合國內(nèi)知名軸承廠家共同攻關(guān)，于2007年3月為鞍鋼1450 mm冷軋生產(chǎn)線成功制造出輪盤卷取機(jī)，寶鋼工程技術(shù)公司寶菱重工于2008年6月也研發(fā)出輪盤卷取機(jī)，中國一重于2009年10月為新余鋼鐵公司承制的1 550 mm轉(zhuǎn)盤式卷取機(jī)也成功下線［3］。隨著輪盤卷取機(jī)的完全國產(chǎn)化，標(biāo)志著國內(nèi)冷連軋機(jī)的制造具備完全國產(chǎn)化的水平。

5 結(jié)束語

本文主要分析討論了輪盤卷取機(jī)在國內(nèi)冷軋領(lǐng)域的應(yīng)用情況，對其兩種代表型式的基本原理進(jìn)行了簡單分析，從設(shè)備配置、占地、投資等方面綜合闡述了使用特點(diǎn)，并對該技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展過程分階段進(jìn)行了說明。也從一個(gè)側(cè)面反映出只有充分地消化、吸收，更有助于研發(fā)的實(shí)現(xiàn)，也希望通過輪盤卷取機(jī)的國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)冷軋生產(chǎn)線高水平、現(xiàn)代化的裝備，提升國際競爭力。

［1］ 鄒家祥．軋鋼機(jī)械［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2000．

［2］ 陳治寅．冷連軋機(jī)組Carrousel卷取機(jī)電機(jī)功率問題［C］．第二屆全國寶鋼學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2006，216－219．

［3］ 張曉偉，蔣金水，王光儒．轉(zhuǎn)盤式卷取機(jī)的自主設(shè)計(jì)［J］．一重技術(shù)，2009，(1):4－7．

［4］ 彭建東．卡羅塞爾卷取機(jī)國產(chǎn)化［J］．江蘇冶金，2002，30(4):48－52．

［5］ 姜世平，焦時(shí)光，張娜，等．Carrousel卷取機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，24(10):18－21．

［6］ 劉寶衍．軋鋼機(jī)械設(shè)備［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2004．

［7］ 甄志霞，王立峰．卡倫塞卷取機(jī)在邯鋼酸洗－冷軋聯(lián)合機(jī)組中的應(yīng)用［J］．浙江冶金，2005，8(3):7－10．