馮 鐵

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900)

0 前言

熱軋鋼帶連退(簡稱:熱退)產(chǎn)線卷取機是用于將連退、酸洗后的熱軋鋼帶重新卷成鋼卷的設(shè)備，卷筒作為卷取機的關(guān)鍵裝備對于鋼卷卷取質(zhì)量起到?jīng)Q定作用。鋼卷的卷取質(zhì)量衡量的最為重要的標(biāo)準(zhǔn)就是卷型邊部整齊與否以及帶層之間是否緊密，決定這兩者的主要要素就是卷取張力的大小，決定卷型邊部平齊度的另一個主要因素還有EPC(邊部定位控制)功能是否正常。

用于熱退鋼帶卷取的卷筒均設(shè)有鉗口裝置，在卷取初始階段通過鉗口夾住鋼帶頭部，再完成后續(xù)的卷取工作。相對于厚度1 mm 以內(nèi)的冷軋薄帶而言，熱退鋼帶厚度一般為2～6 mm，因此需要相對較大卷取張力。熱退鋼帶卷筒直徑通常為φ610 mm，因此有充足的位置空間設(shè)計卷筒各組件，以使得卷筒各組件特別是鉗口均滿足大張力卷取要求。寶鋼某熱退產(chǎn)線由于下游用戶對于卷徑的特殊要求，卷取機卷筒直徑要求僅為φ508 mm，該直徑規(guī)格的卷筒一般只適合卷取1 mm以內(nèi)的冷軋薄板，因此卷筒的卷取能力相對不足。本文對其進行設(shè)計改造，使其在φ508 mm小直徑下，能夠滿足熱退帶鋼較大張力的卷取要求。

1 原有卷筒的結(jié)構(gòu)組成及缺點

1.1 基本的傳動及漲縮結(jié)構(gòu)

該卷筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。卷筒的傳動是通過與齒箱傳動齒輪相連接的傳動套驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)卷筒旋轉(zhuǎn)，傳動套同時也與齒箱兩側(cè)軸承組裝一體，因此傳動套承載了全部的支撐負荷及卷取扭矩。主軸的左側(cè)軸頭與脹縮油缸活塞桿頭端相結(jié)合，可以隨同油缸同步伸縮，并在傳動套內(nèi)圈產(chǎn)生相對軸向竄動。脹縮油缸缸體通過旋轉(zhuǎn)架安裝在傳動套左端，從而可以與傳動套及主軸同步旋轉(zhuǎn)。主軸的右側(cè)周向布置4組斜楔面，分別對應(yīng)卷筒的4 塊扇形板，每組斜楔面有3 個斜面，每塊扇形板底部對應(yīng)有相接合的3 個斜面。每處結(jié)合斜面均設(shè)置用于扇形板連接導(dǎo)向用的T型滑鍵(鉗口扇形板為兩側(cè)雙斜滑鍵)，扇形板通過相應(yīng)的T 型凹槽(或雙斜凹槽)與T 型滑鍵(或雙斜滑鍵)配合裝卡，這樣通過T 型滑鍵及雙斜滑鍵的作用，4 塊扇形板可靠地連接在主軸上并可以隨同主軸同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸隨同脹縮油缸同步向右伸出，通過4組斜面分別將4 塊扇形板頂起，實現(xiàn)卷筒漲開到最大φ508 mm 正圓狀態(tài);當(dāng)主軸縮回，扇形板通過T 型滑鍵(或雙斜滑鍵)的回拉作用使其縮回。扇形板均通過各自左側(cè)的凹槽卡在傳動套右側(cè)對應(yīng)的止動圓盤部位，確保扇形板在漲縮過程中不產(chǎn)生軸向竄動。

圖1 原有卷筒總裝圖Fig.1 General assembly of original mandrel

1.2 鉗口結(jié)構(gòu)

原有結(jié)構(gòu)鉗口的動力源是采用特定的液壓缸，即在鉗口扇形板左側(cè)開一定大小深度的沉孔作為缸體，油缸通過安裝在其內(nèi)的活塞桿驅(qū)動鉗口側(cè)移條側(cè)移，側(cè)移條再通過相互組配的斜鍵驅(qū)動橫移條橫移，從而通過該油缸的伸縮使得鉗口產(chǎn)生開閉動作。此外側(cè)移條通過壓板使其可靠定位在鉗口扇形板上部槽體內(nèi)并正常導(dǎo)向。

1.3 原設(shè)備存在問題

該卷筒裝置原本是為冷軋薄帶配備，只適用于較小張力薄帶卷取，對于較厚的熱退鋼帶，從投用以來就無法滿足正常的卷取要求，主要表現(xiàn)在:

(1)鉗口通過整合在鉗口扇形板內(nèi)部的油缸液壓驅(qū)動產(chǎn)生夾緊力，由于扇形板空間位置極為有限，所以油缸較小(缸徑φ36 mm)，產(chǎn)生的鉗口換算的夾緊力僅為10 kN 左右，無法滿足大張力熱退鋼帶卷取要求，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常在卷取初始階段產(chǎn)生“脫帶”現(xiàn)象，因此只能降低張力設(shè)置，影響卷取質(zhì)量，隨著該廠鋼帶產(chǎn)品寬度系列的拓展，該現(xiàn)象越發(fā)明顯。

(2)由于鉗口扇形板空間有限，因此內(nèi)部油缸的行程也很小(約25 mm)，換算成鉗口最大開口度僅為8 mm，導(dǎo)致較厚的熱退鋼帶如果表面平直度較差，幾乎無法順利導(dǎo)入鉗口。目前該產(chǎn)線每卷鋼帶都是人工手持喂料，存在嚴(yán)重的安全隱患。

(3)鉗口的液壓缸供油取自最左側(cè)整合在脹縮油缸端部的旋轉(zhuǎn)接頭中的兩個油路，沿途經(jīng)由脹縮油缸、旋轉(zhuǎn)架、傳動套內(nèi)部開設(shè)的油路，最后通過軟管連接在鉗口扇形板左側(cè)的兩個進油口，對油缸進行供油及回油。由于沿途油路涉及的配件較多，各部分漏油現(xiàn)象及其普遍，增加了維護的工作量，液壓缸本身也經(jīng)常失效，造成卷后鉗口無法順利打開影響下卷。

(4)整個卷筒結(jié)構(gòu)為整體懸臂式，右側(cè)無支撐，主軸承載全部的卷取支撐負荷及扭矩，隨著產(chǎn)量提升、鋼帶寬度的拓展，卷筒懸臂偏載現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)，出現(xiàn)過主軸在卷取過程中疲勞折斷及EPC 側(cè)移機構(gòu)由于偏載而動作響應(yīng)不及時的現(xiàn)象。

(5)卷筒脹縮機構(gòu)本身存在扇形板與主軸連接的T 型鍵及雙斜滑鍵尺寸較小，連接螺栓容易折斷導(dǎo)致扇形板脫落的現(xiàn)象。

2 改進型卷筒的結(jié)構(gòu)

針對上述問題分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有卷筒主要存在的問題集中在鉗口裝置，因此改進型卷筒主要是針對鉗口部分進行重新設(shè)計選型，涉及的相關(guān)組件對此需要適應(yīng)性改造，其它部分基本是在現(xiàn)有構(gòu)架內(nèi)進行更新完善，如圖2 所示。

圖2 新型卷筒總裝圖Fig.2 General assembly of new type mandrel

2.1 基本的傳動及漲縮結(jié)構(gòu)

對原有結(jié)構(gòu)進行分析:主軸既作為支撐負荷及卷取扭矩的關(guān)鍵承載件，又作為漲縮動力元件通過斜楔效應(yīng)直接驅(qū)動扇形板實現(xiàn)漲縮。因此漲縮結(jié)構(gòu)相對顯得十分簡單而緊湊，在卷筒本體較小的直徑尺寸下，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以盡可能的利用有限的設(shè)計空間，使得主軸及扇形板盡量能夠獲得較大的尺寸以使其具備足夠的強度和剛度滿足大張力卷取負荷。特別是對于鉗口扇形板來說，具有足夠的尺寸大小可以有充足的空間來設(shè)計鉗口部件，使其具備足夠的強度和夾緊力。因此新結(jié)構(gòu)仍舊維持原有的結(jié)構(gòu)方案，只是為滿足更寬板帶生產(chǎn)要求，扇形板及主軸適當(dāng)增長;此外T 型鍵及雙斜滑鍵適當(dāng)增加尺寸，滿足大規(guī)格的螺栓連接要求，增強連接強度。

2.2 鉗口結(jié)構(gòu)

鉗口具有足夠的夾緊力是卷筒能夠滿足大張力卷取的關(guān)鍵性因素，新型卷筒的鉗口裝置采用的是主軸同步驅(qū)動彈簧力夾緊方式。卷筒鉗口驅(qū)動方式利用現(xiàn)有脹縮油缸作為動力源，脹縮缸伸縮不僅可以驅(qū)動主軸伸縮實現(xiàn)卷筒已有的脹縮動作，同時新結(jié)構(gòu)的主軸右側(cè)增設(shè)一個套筒，主軸隨同油缸伸縮的同時安裝在主軸右側(cè)套筒內(nèi)的彈簧盒能夠與主軸同步運行，彈簧盒通過其撥鉤推拉鉗口側(cè)移條側(cè)移，側(cè)移條在側(cè)移過程中能夠推拉橫移條，從而實現(xiàn)鉗口開閉，使其“開”—“閉”與卷筒“縮”—“脹”同步。鉗口的夾緊力是通過彈簧盒內(nèi)部的一組對合組合的碟形彈簧壓縮產(chǎn)生，在沒有鋼帶情況下，蝶形彈簧組沒有產(chǎn)生壓縮，隨同彈簧盒與主軸同步運動，在卷筒漲開狀態(tài)下鉗口完全閉合;當(dāng)鉗口有鋼帶時，由于橫移條在閉合過程中受到鋼帶的阻隔，不能完全閉合，側(cè)移條連同彈簧盒也相應(yīng)停止繼續(xù)動作，而由于主軸的繼續(xù)右側(cè)伸出，當(dāng)卷筒完全漲開后碟簧組就產(chǎn)生壓縮，這樣壓縮的反彈力通過彈簧盒及側(cè)移條的傳遞轉(zhuǎn)化為橫移條的鉗口夾緊力。為了增強夾緊效果，鉗口的橫移條與鋼帶接觸側(cè)采用硬度較高的模具鋼材質(zhì)的壓緊條，接觸面為鋸齒形狀，極大增加靜摩擦系數(shù)而保證夾緊效果。碟簧組連同彈簧盒通過導(dǎo)套及螺桿螺母安裝連接在主軸右側(cè)套筒內(nèi)，導(dǎo)套起到碟簧組導(dǎo)向支撐作用，最后通過雙螺母將彈簧盒及其內(nèi)部的碟簧組鎖定壓緊。鉗口側(cè)移條右側(cè)設(shè)有方形耳環(huán)，彈簧盒的撥鉤穿過主軸套筒的預(yù)留開槽后再嵌入該耳環(huán)從而實現(xiàn)牽引側(cè)移條側(cè)向動作。側(cè)移條長度方向布置4 個長孔，長孔內(nèi)各有1 個壓套，通過壓套使得側(cè)移條可靠定位，同時也能夠正常地側(cè)向?qū)?。?cè)移條通過4 個帶溝槽的斜鍵與橫移條對應(yīng)的4 個斜鍵相配合，通過斜鍵的作用在側(cè)移過程中實現(xiàn)推拉橫移條的功能。橫移條通過兩側(cè)斜塊的壓緊和側(cè)向限位使其只能產(chǎn)生橫向的開閉動作，而且能夠可靠地被斜塊壓制避免被大張力的鋼帶拉脫。新結(jié)構(gòu)的鉗口側(cè)移條和橫移條整體尺寸也較原有明顯增加，以滿足較大夾緊力的強度要求;同時由于利用現(xiàn)有脹縮缸作為動力源，脹縮缸的行程(70 mm)經(jīng)過換算能夠使得鉗口具備足夠的開口度(18 mm)，與鉗口相關(guān)的關(guān)鍵組件軸測圖如圖3 所示。

圖3 與鉗口相關(guān)的關(guān)鍵組件軸測圖Fig.3 Axonometric drawing of key components related to the clamp

2.3 外支撐軸裝置

和其它常規(guī)的外支撐軸相似，由固定軸、軸承及外套等組成，通過固定軸左側(cè)的法蘭及配合止口安裝連接在主軸套筒右端對應(yīng)的法蘭止口處，同時封閉遮蓋了主軸套筒內(nèi)部的彈簧盒及螺桿螺母組件。外支撐軸與現(xiàn)場新增的外支撐臂配合使用，避免了卷筒懸臂偏載效應(yīng)，承載了卷筒右側(cè)的支撐負荷，極大減輕了主軸的支持負荷，增強了卷筒的整體強度和剛度。

3 改進后的性能分析

3.1 性能優(yōu)點

在繼承原有漲縮結(jié)構(gòu)的基本優(yōu)點情況下，改進型卷筒的鉗口利用脹縮油缸作為動力源同步實現(xiàn)卷筒脹縮和鉗口開閉兩個動作，相對于原先通過特定的液壓缸直接驅(qū)動鉗口閉合的卷筒而言，可以省去該液壓缸元件及配備的液壓閥臺等輔助系統(tǒng)，一定程度地方便簡化了液壓系統(tǒng)的設(shè)置，而且對于設(shè)備本身而言也減少了諸多為該油缸配備的相關(guān)機構(gòu)元件，設(shè)備結(jié)構(gòu)大為簡化;某些卷筒裝置將作為提供鉗口夾緊力的碟簧組設(shè)置在厚度極其有限的扇形板內(nèi)部，碟簧組因此選擇很小，為達到一定的夾緊效果，需要設(shè)置若干組碟簧，不但效果不佳而且維護不便。對于該新型小直徑卷筒而言，碟簧組設(shè)置在主軸的套筒內(nèi)，可以有較為充足的空間便于選擇較大的碟簧，確保有足夠的反彈力轉(zhuǎn)化為鉗口的夾緊力。所以該新型卷筒的碟簧組裝置不但提供的夾緊力更大，而且結(jié)構(gòu)更為簡單維護更加方便。改造前后卷筒裝置的各主要參數(shù)性能對比見表1。

表1 改造前后卷筒裝置的各主要參數(shù)性能對比Tab.1 Contrast sheet about mandrel’s main parameters of improved and former structure

3.2 鉗口相關(guān)力能參數(shù)

根據(jù)相關(guān)計算要求，計算得卷取所需張力T為60.6 kN。鉗口夾緊鋼帶產(chǎn)生的夾緊力所具有的靜摩擦力要大于實際卷取張力，才視為滿足要求?？紤]到卷取初始建張時的沖擊因素，鉗口夾緊力為150 kN。

4 結(jié)束語

該改進型卷筒裝置目前已經(jīng)在寶鋼該熱退鋼帶產(chǎn)線投用，使用效果良好。現(xiàn)場卷取2.6 mm厚度的鋼帶張力設(shè)定在50～60 kN，完全使用正常;并且由于鉗口取消原有特定油缸供油方式，液壓系統(tǒng)維護工作量極大減輕，同時也基本消除人工手持喂料的不規(guī)范操作現(xiàn)象。說明該卷筒完全滿足該廠熱退鋼帶卷取的使用要求。

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