常學(xué)思

(中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南洛陽471039)

隨著市場對銅帶料卷小直徑(φ250mm)需求量的增加，銅板帶廠在薄帶縱剪機(jī)列上增加設(shè)計(jì)了φ250x800卷取機(jī)卷筒，該卷筒是由銅板帶廠技術(shù)人員自己設(shè)計(jì)完成，并順利投入生產(chǎn)。本文針對卷筒的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)動分析，同時(shí)對關(guān)鍵部位進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算。卷筒的主要技術(shù)參數(shù)如下:卷筒直徑:φ250mm，卷筒工作面長度:L=800mm，卷取成品厚度:H=0.2～1mm，卷取寬度:B=700mm，卷取張力T=7～100KN，漲縮缸液壓壓力P=8Mpa。

1 卷筒工作特點(diǎn)

⑴卷筒采用三棱錐式液壓卷筒，扇形塊與弓形塊相互補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無縫隙漲縮;

⑵棱錐軸楔形角大于摩擦角，卷取過程中可以產(chǎn)生自動縮徑，大大減小卷筒徑向壓力，防止卷筒變形和零件受損，并保持帶材間有一定的壓力。

2 卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算

首先，根據(jù)工藝參數(shù)所確定的漲縮量，以卷筒結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)出漲縮引起的三棱錐軸以及鉗口夾料和不夾料引起的三棱錐軸浮動引起的附加位移，才可以確定三棱錐軸斜面的有效長度，漲縮缸行程等重要參數(shù)，以及確定三棱錐軸的結(jié)構(gòu)尺寸和柱塞、弓形塊等零件的尺寸。圖1為三棱錐軸和柱塞等零件的局部運(yùn)動示意圖。

⑴卷筒漲縮行程S計(jì)算

圖1 卷筒脹縮分析圖

圖1中△R為扇形塊位移量(半徑變化量)，Sr為弓形塊位移量，ST為弓形塊與扇形塊的相對位移，α為三棱錐軸的楔形角，α=15°，從圖1中可以找出下列關(guān)系式:

當(dāng)需要的漲縮量△R和楔形角確定后，脹縮行程S即可計(jì)算出來。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定漲縮量為9mm，那么卷筒半徑變化量為4.5mm，即△R=4.5mm因此，棱錐軸漲縮行程為

S=2△Rcotα=2x4.5xcot15°=33.59mm。

⑵附加位移及三棱錐軸浮動偏心量計(jì)算

鉗口開口度應(yīng)有5mm才能使來料比較順利地進(jìn)入和退出鉗口。(注:鉗口打開時(shí)，要靠鉗口彈簧將鉗口處柱塞推回，使三棱錐另兩個(gè)面和其各自對應(yīng)地柱塞緊貼，否則開口度不夠)。

考慮到最大卷取厚度和開口度，三棱錐軸中心處在卷筒中心線上，以使在夾料工作時(shí)偏心較小，而在鉗口打開時(shí)，偏心又不至于過大。

當(dāng)鉗口開口為零或最大時(shí)，浮動棱錐軸的浮動量如圖2所示:

圖2 三棱錐軸浮動量分析圖

當(dāng)外徑保證φ250mm，三棱錐軸在中心位置時(shí)，三個(gè)柱塞底面和三棱錐軸接觸面相切的圓半徑為a，而b為鉗口工作時(shí)(帶料)鉗口柱塞移動量，a1為新的接觸半徑，c為三棱錐軸中心偏移量。

從圖2中可得出關(guān)系式:

聯(lián)合關(guān)系式①②③解得c=(2/3)b

a=(1/3)b

由于料以45°角(鉗口方向)插入弓形塊(如圖2b)，半徑變動量R=(1/3)b=△Stanα;

∴b=3△Stanα c=(2/3)b=2△Stanα;

當(dāng)設(shè)計(jì)條件確定棱錐角α=15°時(shí)，空載開口度H=5mm，(料厚按照1mm考慮)，則 b=H/cos45°=，按照H=5mm，H=0兩個(gè)極限狀態(tài)求出總的附加行程和橫向位移量。

所需附加行程為:△S=△S'+△S″=7.04+1.76 =8.8mm

由前文計(jì)算的棱錐軸的脹縮行程加上所需附加行程，滿足三棱錐軸正常脹縮的總行程L為:L=S+△S=33.59+8.8=42.39mm。考慮到安裝偏差及三棱錐軸連桿以及油缸接頭的制造偏差以及鉗口彈簧不一定能將三棱錐軸推至偏心最大處，取油缸行程為45mm。

橫向位移量e=△stanαtan60°

H=5mm時(shí)，e=7.04tan15°tan60°=3.268mm

H=0時(shí)，e=－1.76tan15°tan60°=－0.817mm

若以1mm厚料時(shí)，三棱錐軸在中心，則橫向位移量e=3.268x2=6.536mm，因此確定三棱錐軸斜面寬度最小應(yīng)為柱塞直徑加6.536mm。

確定三棱錐楔面軸向有效長度和楔面寬度:

有效長度L≥∑S+D，楔面寬度B≥D+e

當(dāng)選擇柱塞直徑D=30mm時(shí)，L≥42.39+30= 72.39mm，B≥30+6.536=36.536mm。

⑶卷筒徑向壓力計(jì)算

①等效壓力計(jì)算。

在卷取過程中，帶材在整個(gè)卷筒表面作用于各個(gè)扇形塊和弓形塊，為了方便計(jì)算，須將卷取過程中帶材對卷筒表面的分布載荷按等效原則轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的集中力。假設(shè)帶材對卷筒表面的壓力為均勻分布，并且在外壓力的作用下卷筒出現(xiàn)收縮趨勢，則扇形塊、弓形塊、柱塞等受力關(guān)系如圖3、圖4所示:

圖3 扇形塊徑向力平衡示意圖

圖4 弓形塊徑向力平衡示意圖

由圖3扇形塊等效載荷Fs為:

其中:B——帶材寬度(mm)

P——徑向單位壓力(N/mm2)

r——卷筒外半徑(r=125mm)

當(dāng) B=600mm時(shí)，F(xiàn)s=1.44x600x125xp= 1.08x105P

由圖4弓形塊的等效載荷FW'為:

其中u為接觸面間的摩擦系數(shù)，鋼與鋼間有潤滑劑時(shí)動摩擦系數(shù)u=0.05～0.1，靜摩擦系數(shù)u=0.1～0.12

當(dāng)B=600mm r=125mm u=0.08時(shí)

每個(gè)軸面上有五個(gè)柱塞，按理想狀態(tài)應(yīng)為五個(gè)柱塞均勻受力。那么單個(gè)柱塞上的載荷為:Fw=Fw'/5 =0.828x105P/5=0.166x105P

根據(jù)圖5，單個(gè)柱塞軸向負(fù)荷FW可按下列平衡式求出:

聯(lián)立后可解得

圖5 柱塞受力分析圖

可令u1=u

當(dāng)徑向力大到足以使徑向力產(chǎn)生的在軸上的作用力大于反方向軸向拉力時(shí)，開始縮徑，這時(shí)，仍為靜摩擦，摩擦系數(shù)為u=0.11

求得Fa'=0.0584x105P，總軸向力Fa=15 Fa'= 0.876x105P