梅如敏

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213019)

1 前言

卡羅塞爾卷取機(jī)(Carrousel Tension Reel)又稱為轉(zhuǎn)盤式雙卷筒張力卷取機(jī)。該設(shè)備主要完成將帶材卷取成鋼卷的動(dòng)作，以方便成品鋼板的倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸。卡羅塞爾卷取機(jī)1號(hào)卷筒通過(guò)脹縮油缸回拉斜楔使卷筒脹開，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱使卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在皮帶助卷器的輔助下，薄鋼帶緊貼在卷筒上，先慢后快將帶鋼卷取成鋼卷。卷取完成時(shí)由飛剪將帶鋼切斷，卷筒通過(guò)脹縮油缸推動(dòng)斜楔使卷筒縮小，由卸卷小車托起鋼卷將鋼卷從卷筒上卸下，完成卷取。在1號(hào)卷筒卷取時(shí)，卡羅塞爾卷取機(jī)的大箱體同步進(jìn)行公轉(zhuǎn)，在1號(hào)卷筒完成第一卷的卷取前2號(hào)卷筒就轉(zhuǎn)到待卷位，1號(hào)卷筒完成卷取后馬上切換到2號(hào)卷筒進(jìn)行下一個(gè)鋼卷的卷取。上述過(guò)程是連續(xù)的，因而能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的卷取作業(yè)，從而保證機(jī)組始終處于連續(xù)生產(chǎn)的狀態(tài)。

卡羅塞爾卷取機(jī)工作可靠性高，能滿足生產(chǎn)線的高速、連續(xù)生產(chǎn)要求?？_塞爾卷取機(jī)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，能節(jié)省安裝空間40%左右。在生產(chǎn)線上布置卡羅塞爾卷取機(jī)后，減少重復(fù)的轉(zhuǎn)向裝置、穿帶裝置、助卷器、卸卷小車等設(shè)備，可節(jié)省廠房空間，減少投資(相對(duì)于傳統(tǒng)布置的雙卷取機(jī))。

卡羅塞爾卷取機(jī)用途廣泛，既可作為開卷機(jī)使用，又可作為卷取機(jī)使用，用于熱軋、冷連軋、一些大型連續(xù)工藝生產(chǎn)線(如鍍鋅、彩涂)等。由于生產(chǎn)線條件及產(chǎn)品要求的限制，卡羅塞爾卷取機(jī)在冷連軋(酸軋)生產(chǎn)線中應(yīng)用最多。自2000年國(guó)產(chǎn)化第一臺(tái)卡羅塞爾卷取機(jī)以來(lái)，國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)幾十臺(tái)該類設(shè)備，主要應(yīng)用于冷連軋(酸軋)生產(chǎn)線。但國(guó)內(nèi)相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道不多，對(duì)其結(jié)構(gòu)還沒(méi)有系統(tǒng)的分析研究。因此，本文從類型、結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)等方面對(duì)卡羅塞爾卷取機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)分析、總結(jié)，為自主設(shè)計(jì)卡羅塞爾卷取機(jī)提供一些設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。

2 卡羅塞爾卷取機(jī)類型

卡羅塞爾卷取機(jī)一般按其傳動(dòng)方式可分為行星齒輪傳動(dòng)式和三層空心軸傳動(dòng)式兩種類型，結(jié)構(gòu)示意分別見(jiàn)圖1、圖2。

行星齒輪傳動(dòng)式工作原理為電機(jī)通過(guò)減速裝置及聯(lián)軸器分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立傳動(dòng)的平行軸。平行軸上的齒輪與齒圈及行星框架等構(gòu)成行星輪系。行星輪系將力矩傳遞到卷筒芯軸，從而帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)帶鋼的卷取。當(dāng)1號(hào)位(圖1中低位處)卷筒卷取一定鋼卷后，公轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1號(hào)位卷筒至2號(hào)位繼續(xù)卷取至成品卷，同時(shí)2號(hào)位卷筒旋轉(zhuǎn)至1號(hào)位待卷。

三層空心軸傳動(dòng)式工作原理為電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器及減速裝置分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩中空花鍵軸，花鍵軸通過(guò)齒輪帶動(dòng)卷筒工作。1號(hào)位卷筒驅(qū)動(dòng)外層花鍵軸，2號(hào)位卷筒驅(qū)動(dòng)內(nèi)層花鍵軸。內(nèi)層花鍵軸內(nèi)裝有一中空軸，與主回轉(zhuǎn)接頭連接。故該種傳動(dòng)方式稱為三層空心軸傳動(dòng)式。轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)方式同行星齒輪式。

國(guó)內(nèi)早期制作的卡羅塞爾卷取機(jī)為行星齒輪式的，主要在益昌薄板廠、鞍鋼等企業(yè)使用。在文獻(xiàn)［1］詳細(xì)介紹了行星齒輪式卡羅塞爾卷取機(jī)及其國(guó)產(chǎn)化。由于行星齒輪傳動(dòng)式卡羅塞爾卷取機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本高，故近期制造的卡羅塞爾卷取機(jī)以三層空心軸傳動(dòng)式為主。因此本文也主要介紹這種卡羅塞爾卷取機(jī)。

3 卡羅塞爾卷取機(jī)結(jié)構(gòu)

卡羅塞爾卷取機(jī)由本體及相關(guān)附屬設(shè)備及裝置等組成。

3.1 本體結(jié)構(gòu)

卡羅塞爾卷取機(jī)本體由主傳動(dòng)裝置(主電機(jī)、聯(lián)軸器等)、主回轉(zhuǎn)接頭、主減速器、公轉(zhuǎn)箱體、卷筒、鎖緊裝置、托輥、公轉(zhuǎn)電機(jī)及減速裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)主傳動(dòng)裝置由主電機(jī)、聯(lián)軸器等組成。一般在電機(jī)尾部布置有制動(dòng)器和PLG，用于卷取機(jī)控制。聯(lián)軸器采用鼓形齒式聯(lián)軸器，傳遞較大力矩。

(2)主回轉(zhuǎn)接頭。用于向公轉(zhuǎn)箱體輸送潤(rùn)滑油及液壓油。主回轉(zhuǎn)接頭的尾部一般和滑環(huán)相連，滑環(huán)為公轉(zhuǎn)箱體上的控制元件提供配線。主回轉(zhuǎn)接頭與中心軸相連，位于卷取機(jī)的中心。

(3)主減速器。主減速器為臥式結(jié)構(gòu)，由上下箱體、齒輪等主要件構(gòu)成。

(4)公轉(zhuǎn)箱體。公轉(zhuǎn)箱體為上、下分體式結(jié)構(gòu)。行星齒輪式卡羅塞爾公轉(zhuǎn)箱體由上下箱體、行星齒輪、行星框架、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、球面軸承、公轉(zhuǎn)齒圈等主要件構(gòu)成。三層軸式卡羅塞爾公轉(zhuǎn)箱體由上下箱體、卷筒傳動(dòng)齒輪、三層空心軸、球面軸承、公轉(zhuǎn)齒圈等主要件構(gòu)成。球面軸承裝在主減速器箱體上，內(nèi)孔面與公轉(zhuǎn)箱體連接。公轉(zhuǎn)時(shí)，公轉(zhuǎn)箱體連同卷筒在球面軸承和托輥的支承下旋轉(zhuǎn)。

(5)卷筒。液壓脹縮卷筒一般采用四棱錐式結(jié)構(gòu)，以確保卷筒在承受大張力時(shí)能可靠工作。卷筒脹縮量一般為25mm左右，由空心軸、斜楔塊、扇形板、旋轉(zhuǎn)油缸、旋轉(zhuǎn)接頭等主要件構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)油缸布置在卷筒尾部，有兩種結(jié)構(gòu)方式，一種采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)與卷筒芯軸做成一體，另一種方式為成品油缸，通過(guò)法蘭與卷筒芯軸連接。

圖3 三層空心軸式卡羅塞爾卷取機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of triple-layer hollow shaft Carrousel reeler

卷筒一般與公轉(zhuǎn)箱體裝配成一體，拆卸時(shí)需打開公轉(zhuǎn)箱體。但有些國(guó)外設(shè)計(jì)的卷取機(jī)采用一種可整體抽出卷筒進(jìn)行更換的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。更換卷筒時(shí)只需拆下旋轉(zhuǎn)油缸及卷筒芯軸與箱體的連接螺栓，就可以將卷筒整體抽出更換，以節(jié)省更換備件時(shí)間。

圖4 可整體抽出式卷筒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of entire pulling-out type winding drum

(6)鎖緊裝置。鎖緊裝置由鎖緊擋塊及夾緊裝置組成，用于卷取機(jī)工作時(shí)鎖緊公轉(zhuǎn)箱體，保證平穩(wěn)卷取。鎖緊擋塊及夾緊裝置均采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，機(jī)械鎖緊。

(7)托輥。用于支撐公轉(zhuǎn)箱體及鋼卷重量。

(8)公轉(zhuǎn)電機(jī)及減速裝置。用于驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)箱體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)，由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)齒輪等組成。公轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)減速器及小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)小齒輪與固定在公轉(zhuǎn)箱體上的大齒圈的嚙合，帶動(dòng)卡羅塞爾卷取機(jī)本體公轉(zhuǎn)。由于公轉(zhuǎn)裝置靠近公轉(zhuǎn)箱體，此處空間較小，故公轉(zhuǎn)減速器結(jié)構(gòu)緊湊。

3.2 附屬設(shè)備及裝置

卡羅塞爾卷取機(jī)附屬設(shè)備主要包括壓輥、外支撐、回油裝置、防護(hù)罩及安全罩等。

(1)壓輥。為防止帶鋼分切后高速甩尾造成事故，在卡羅塞爾卷取機(jī)的卸卷位置都布置有壓輥，壓輥采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。壓輥的數(shù)量一般為2～3個(gè)。

(2)外支撐。為保證卷筒卷取時(shí)的平穩(wěn)性，在助卷位和卸卷位都布置有外支撐。對(duì)于一般張力較小，帶鋼規(guī)格較小的卷取機(jī)，有的只在卸卷位布置一個(gè)外支撐，外支撐采用液壓方式驅(qū)動(dòng)。

(3)回油裝置。主要用于公轉(zhuǎn)箱體中齒輪、軸承等潤(rùn)滑油的回油?；赜脱b置為結(jié)構(gòu)件，一端與公轉(zhuǎn)箱體相連，另一端固定在底座上，箱體公轉(zhuǎn)時(shí)亦能回油。

(4)軋機(jī)出口防護(hù)罩及安全罩。軋機(jī)出口段布置有鋼絲網(wǎng)防護(hù)罩，將卷取機(jī)及飛剪等軋機(jī)出口段設(shè)備罩入其中，防止事故產(chǎn)生。在防護(hù)罩上布置有活門，在卸卷或上套筒時(shí)活門可以打開。卷取機(jī)大齒圈處布置有安全罩。

另外，國(guó)內(nèi)外某些設(shè)計(jì)公司在卡羅塞爾卷取機(jī)上設(shè)置推鋼機(jī)，將不能成功卸卷的鋼卷推出卷筒。

4 主要技術(shù)參數(shù)

4.1 張力矩

張力矩為卷取張力與卷取鋼卷半徑的乘積值，如下式:

式中，TR為張力矩，N·m;T為卷取張力，N;R為鋼卷半徑，m。

張力矩為衡量卷取機(jī)的主要參數(shù)。最大張力矩即反映卡羅塞爾卷取機(jī)的最大卷取能力。

卷取張力主要根據(jù)卷取帶鋼的材質(zhì)，由工藝合理選取。張力按下式計(jì)算選取:

式中，T為卷取張力，N;b為帶鋼寬度，mm;t為帶鋼厚度，mm;σ0單位張力，N/mm2

一般連軋機(jī)組的卷取單位張力按下式計(jì)算選取:σs為帶鋼屈服應(yīng)力，N/mm2。

對(duì)于高強(qiáng)鋼(如 DP、TRIP、TWIP)、不銹鋼、硅鋼等較難軋制、卷取的鋼種，單位張力選取要根據(jù)冷軋實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取合理的數(shù)值。

4.2 電機(jī)功率

卡羅塞爾卷取機(jī)電機(jī)功率按式(4)計(jì)算

式中，N為單個(gè)卷筒電機(jī)功率，kW;T為卷取張力，N;v為卷取速度，m/min;η為傳動(dòng)效率，取值0.9～0.95。

對(duì)應(yīng)每種典型鋼種張力及速度，計(jì)算出卷取所需電機(jī)功率，最后選擇一個(gè)合理的功率值，以確保每一規(guī)格的鋼種都能卷取?？紤]帶鋼變形情況，可將計(jì)算的電機(jī)功率放大1～1.1倍。有時(shí)計(jì)算電機(jī)功率僅以最大張力與最大速度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果偏大，導(dǎo)致電機(jī)功率過(guò)大，增加了設(shè)備和控制成本，故計(jì)算電機(jī)功率時(shí)需全面考慮。

計(jì)算選擇電機(jī)功率后，還應(yīng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速及速比驗(yàn)算最大卷取力矩是否滿足張力矩的要求。

4.3 減速比

卡羅塞爾卷取機(jī)減速比為主減速器速比與卷筒傳動(dòng)齒輪速比的乘積。

卷取機(jī)正常工作是在恒功率調(diào)速區(qū)間。如果減速比選擇過(guò)小，則會(huì)使卷取機(jī)調(diào)速區(qū)間偏離電機(jī)的恒功率調(diào)試區(qū)間，造成電機(jī)超載;如果減速比選擇過(guò)大，造成電機(jī)轉(zhuǎn)速超出最高允許轉(zhuǎn)速。因此，應(yīng)選擇合理的減速比，使卡羅塞爾卷取機(jī)的調(diào)速范圍盡可能的位于電機(jī)的恒功率調(diào)速區(qū)間內(nèi)，或是覆蓋電機(jī)的整個(gè)恒功率調(diào)速區(qū)。

一般按下式初選速比

式中，i為減速比;nm為電機(jī)最高允許工作轉(zhuǎn)速，r/min;nt為卷筒實(shí)際最高工作轉(zhuǎn)速，r/min;

初定減速比后，應(yīng)根據(jù)卡羅塞爾卷取機(jī)結(jié)構(gòu)及電機(jī)結(jié)構(gòu)和電氣調(diào)速情況等選擇最佳的減速比，使卡羅塞爾卷取機(jī)的機(jī)械、電氣設(shè)備得到充分利用，從而使設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

卡羅塞爾卷取機(jī)具有高效、連續(xù)的帶鋼卷取方式，節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，已成為帶鋼冷連軋生產(chǎn)線上的首選卷取設(shè)備。通過(guò)對(duì)卡羅塞爾卷取機(jī)類型、結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)的系統(tǒng)分析，結(jié)合工程應(yīng)用中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為自主設(shè)計(jì)該類型的卷取機(jī)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法及經(jīng)驗(yàn)，具有實(shí)際意義。

［1］ 彭建東．卡羅塞爾卷取機(jī)國(guó)產(chǎn)化［J］．江蘇冶金，2002(4):48－50，52．