李素珍

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

對(duì)于連續(xù)的冷軋生產(chǎn)線，大型立式活套的存在，保證了機(jī)組在進(jìn)口段焊接時(shí)，爐段能保持連續(xù)的運(yùn)行，在出口段更換平整機(jī)輥?zhàn)?，調(diào)整圓盤(pán)剪的寬度，改變圓盤(pán)剪的刃口，在出口處分割鋼卷，切割廢品取樣，停止檢驗(yàn)和打磨，從而大大地提高了機(jī)組的生產(chǎn)能力和成品率。文章中設(shè)計(jì)的立式活套是一種頂部可移動(dòng)小型活套塔。該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制、速度控制和張力控制，需要同時(shí)配備完整的安全措施，確保安全生產(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

立式活套主要由活套車本體、活套底輥、塔頂滑輪、配重裝置、卷?yè)P(yáng)主傳動(dòng)部分、糾偏控制、張力檢測(cè)及過(guò)載保護(hù)、斷帶夾緊機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成。立式活套的活套車體上裝有非變速箱轉(zhuǎn)向輥。當(dāng)活套車通過(guò)卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)沿活套塔鋼結(jié)構(gòu)的軌道升降時(shí)，即可裝卸套筒[1]。這種垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大節(jié)省了設(shè)備的占地面積，并擁有大量的存儲(chǔ)設(shè)備空間。為了平衡活套車的重量，減輕活套車卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)的載荷，立式活套還配備了一套配重裝置，可平衡97%的活套本體重量。為了提升活套的精準(zhǔn)度，在卷?yè)P(yáng)非驅(qū)動(dòng)端安裝了絕對(duì)式編碼器測(cè)量裝置。

采用皮帶傳動(dòng)的底輥設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了活套正常運(yùn)行的張力補(bǔ)償，防止了活套塔因受力不均勻而沿帶鋼運(yùn)行方向傾斜的現(xiàn)象。正是因?yàn)檫@種底輥補(bǔ)償設(shè)計(jì)，才能滿足高精度帶鋼速度控制和張力控制的要求[2]。同時(shí)在活套的每組底輥之間設(shè)布置糾偏裝置，使整個(gè)活套在正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)更難跑偏。

為防止活套車沖出活套鋼結(jié)構(gòu)，活套行程的兩端分別設(shè)置快停、急停開(kāi)關(guān)和限位機(jī)械緩沖塊，確保設(shè)備的安全生產(chǎn)。另外，在每個(gè)活套塔的一個(gè)活套底輥上設(shè)計(jì)了一套張力過(guò)載保護(hù)裝置。當(dāng)電氣控制出現(xiàn)張力過(guò)載問(wèn)題時(shí)，能更有效地保護(hù)整個(gè)活套塔鋼結(jié)構(gòu)和活套基礎(chǔ)不受損壞。此外，在每個(gè)活套底輥上還設(shè)計(jì)了斷帶夾緊裝置，以防止斷帶時(shí)所有的帶鋼散落在地基上。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)以上對(duì)立式活套結(jié)構(gòu)組成和功能的簡(jiǎn)單介紹，下面對(duì)活套本體的卷?yè)P(yáng)主傳動(dòng)、底輥傳動(dòng)補(bǔ)償以及過(guò)載裝置的能力選取設(shè)計(jì)的計(jì)算分析。

2.1 卷?yè)P(yáng)主傳動(dòng)電機(jī)計(jì)算

其中，P表示卷?yè)P(yáng)電機(jī)功率（KW）；T帶鋼總表示整個(gè)活套內(nèi)帶鋼的總張力（KN）；G帶表示整個(gè)活套內(nèi)最大套量時(shí)帶鋼的總重量（KN）；G車差表示活套車總重量與配重總重量的差值（KN）；a入表示入口段停車加速度（m/s2）；V入口表示入口段速度（m/s）；V工藝表示入口段速度（m/s）；n表示活套內(nèi)帶鋼道次；η表示機(jī)械效率系數(shù)。

需注意的是，在計(jì)算充套加減速過(guò)程中實(shí)際最大帶鋼重量所產(chǎn)生的功率時(shí)，公式中代入的G帶值要大于此時(shí)實(shí)際的帶鋼套量值。但由于這一項(xiàng)對(duì)整個(gè)電機(jī)功率影響不大，可以按照G帶值計(jì)算；另外，上述公式中并沒(méi)有單獨(dú)列項(xiàng)卷?yè)P(yáng)本體與滑輪軸承摩擦阻力、鋼絲繩與滑輪間的摩擦力，因?yàn)檫@部分摩擦所消耗的功率與其他相比較小，公式中的機(jī)械效率η的代入也保證了最終電機(jī)功率的合理和準(zhǔn)確性。

計(jì)算時(shí)需注意的是：在計(jì)算卷?yè)P(yáng)電機(jī)功率時(shí)，應(yīng)按照不同規(guī)格對(duì)應(yīng)的帶鋼的張力與活套車速度乘積的最大值來(lái)考慮。

2.2 底輥傳動(dòng)電機(jī)計(jì)算

帶傳動(dòng)的活套輥一般大致均分(根據(jù)底輥的布置情況，如糾偏輥、帶有張力保護(hù)裝置底輥以及裝有張力計(jì)的底輥一般不考慮傳動(dòng))在所有活套輥之間，如圖1所示的入口活套底輥布置。

圖1 入口活套底輥布置

從整體張力分布來(lái)看，由于帶鋼與活套輥的包角基本上大于180°，因此在皮帶傳動(dòng)下的活套底輥可視為能產(chǎn)生張力的張力輥，從而實(shí)現(xiàn)把活套內(nèi)的帶鋼分成幾段的形式進(jìn)行張力控制，并對(duì)各段的張力損失進(jìn)行一定的補(bǔ)償，有利于活套內(nèi)張力的均勻分布和穩(wěn)定[3]。

從不同帶鋼規(guī)格對(duì)張力影響來(lái)看，當(dāng)帶鋼厚大、強(qiáng)度高時(shí)，帶鋼在活套輥上的彈塑性彎曲將成為帶鋼張力損失的主要因素；此外，活套底輥在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸承位置的摩擦阻力也會(huì)造成一定的張力損失，活套輥數(shù)量越多，張力損失越大。活套進(jìn)、出口帶鋼累積疊加后產(chǎn)生較大的張力差，增加活套鋼結(jié)構(gòu)的傾翻力矩，對(duì)設(shè)備的安全和使用壽命有一定影響，采用帶傳動(dòng)活套底輥后，通過(guò)對(duì)張力的補(bǔ)償可以大大減小這種不良影響。

當(dāng)活套裝滿和釋放時(shí)，帶鋼需要驅(qū)動(dòng)活套輥進(jìn)行加減速。由于活套輥較重，這一過(guò)程中的張力損失與設(shè)定張力相對(duì)較大(特別是薄帶鋼和軟帶鋼)，這可能會(huì)導(dǎo)致活套中帶鋼(特別是活套前段的帶鋼)因纏繞松動(dòng)而跑偏，甚至?xí)芤驗(yàn)榧訙p速時(shí)張力波動(dòng)過(guò)大而折斷帶鋼。利用帶傳動(dòng)的活套輥進(jìn)行張力補(bǔ)償可以大大減小這種情況的出現(xiàn)。

活套中有無(wú)傳動(dòng)活套底輥張力損失比較如圖2所示：

圖2 活套中有無(wú)傳動(dòng)活套底輥張力損失比較

鑒于以上分析，活套底輥傳動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算如下：

其中，Pi表示編號(hào)為mi的底輥電機(jī)功率（KW）；F損i表示第mi傳動(dòng)底輥與上一個(gè)傳動(dòng)底輥之間的張力損失|（KN）；

F車i表示第mi傳動(dòng)底輥與對(duì)應(yīng)的前一個(gè)活套車上轉(zhuǎn)向輥之間的張力（KN）；F底輥i’表示第mi傳動(dòng)底輥的上一個(gè)傳動(dòng)底輥后面的張力（KN）；Vi表示第mi傳動(dòng)底輥的速度(注意厚度值與速度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系)（m/s）。

其中，ΣF磨損表示第mi傳動(dòng)底輥與上一個(gè)傳動(dòng)底輥之間總的輥?zhàn)虞S承摩擦力損失（KN）。受力分析如圖3所示：

圖3 受力分析

其中，F(xiàn)磨損i表示第i個(gè)輥?zhàn)拥哪Σ亮p失（KN）；Ni表示第i個(gè)輥?zhàn)虞S承位置的壓力（KN）；Ti表示第i個(gè)輥?zhàn)尤肟诘膸т搹埩Γ↘N）；G帶表示經(jīng)過(guò)活套車輥?zhàn)訒r(shí)滿套時(shí)2道帶鋼重量（KN）；Θ表示第i個(gè)輥?zhàn)訋т摪呛突《?；Ч表示滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)；d表示輥?zhàn)虞S頸位置直徑（m）；D表示輥?zhàn)又睆剑╩）。

其中，ΣF慣性i表示第mi傳動(dòng)底輥與上一個(gè)傳動(dòng)底輥之間總的輥?zhàn)討T性力損失（KN）；F慣性i表示第i個(gè)底輥加減速時(shí)(充放套時(shí))慣性力損失（KN）；J表示輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）；ai表示第i個(gè)輥?zhàn)拥募铀俣龋╩/s2）。

活套底輥：

活套車輥：

其中，a出表示充放套時(shí)活套出口的加速度(對(duì)于入口活套來(lái)說(shuō)，此時(shí)工藝段加速度為0)（m/s2）；a入表示充放套時(shí)活套入口的加速度及機(jī)組入口段的加速度（m/s2）；mi表示第i個(gè)活套底輥；ni表示第i個(gè)活套車輥；n表示活套帶鋼的道次；D表示輥?zhàn)又睆剑╩）。

其中，ΣF塑損表示第mi傳動(dòng)底輥與上一個(gè)傳動(dòng)底輥之間總的帶鋼塑性變形張力損失（KN）；F塑i表示第i個(gè)輥?zhàn)游恢脦т摰乃苄宰冃瘟Γ↘N）；бs入表示入口活套底輥位置帶鋼屈服強(qiáng)度（MPa）；B表示帶鋼寬度（m）；h表示帶鋼寬度（m）；R入活表示入口活套底輥半徑（m）；E表示彈性模量MPa。

需說(shuō)明的是：

（1）本公式是根據(jù)理想彈塑性材料彈塑性彎曲理論用積分原理推導(dǎo)而來(lái)的。

（2）在代入公式時(shí)，首先要判斷帶鋼是發(fā)生的彈性變形還是彈塑性變形，因?yàn)閷?duì)于彈性變形，考慮到帶鋼的彈復(fù)作用經(jīng)過(guò)每個(gè)輥?zhàn)雍蟛淮嬖趶埩p失；如果是彈塑性變形，則張力損失為彈塑性變形中的塑性變形力而不是整個(gè)彈塑性變形力。

（3）帶鋼厚度按照最大厚度代入，6s按照范圍區(qū)間值分別代入公式，最后取F塑損i的最大值。

（4）另外最終計(jì)算的每個(gè)傳動(dòng)底輥的電機(jī)功率因布置的不均部性電機(jī)功率值可能不會(huì)完全相同，考慮的備件的統(tǒng)一性，最終選擇的電機(jī)功率可以基本上按照最大的電機(jī)功率取值。

2.3 過(guò)載保護(hù)裝置計(jì)算

過(guò)載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，是選定一定值的張力限制器，當(dāng)電氣控制有問(wèn)題即張力過(guò)載時(shí)能有效的保護(hù)整個(gè)活套塔鋼結(jié)構(gòu)以及活套基礎(chǔ)不被損壞和拉垮。

其中，T限制器標(biāo)定表示設(shè)計(jì)選型所需的張力限制器最大脫開(kāi)拉力（KN）；T帶鋼張力max’表示張力限制器脫開(kāi)時(shí)最大張力的K倍過(guò)載力（KN）；L1表示張力限制器距離過(guò)載裝置擺動(dòng)鉸點(diǎn)的距離（m）；L2表示底輥中心距離過(guò)載裝置擺動(dòng)鉸點(diǎn)的距離（m）。K表示張力限制器脫開(kāi)時(shí)最大張力的過(guò)載倍數(shù)。

需說(shuō)明的是，關(guān)于過(guò)載倍數(shù)K的選取，主要根據(jù)是活套塔鋼結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)的安全系數(shù)值考慮。

首先活套塔鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)前提主要由以下幾部分組成：活套車和配重分別在軌道上行走所產(chǎn)生的移動(dòng)負(fù)荷、塔頂滑輪重力、塔頂所承受的正常帶鋼張力。在計(jì)算這部分力的基礎(chǔ)上，同時(shí)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范再取一定的安全系數(shù)，如動(dòng)力系數(shù)K1=1.3，分享系數(shù)K2=1.4，應(yīng)力控制比K3=1.1。因此過(guò)載倍數(shù)K的選取應(yīng)滿足K＜K1＊K2＊K3，一般按照K=1.6～1.8進(jìn)行設(shè)計(jì)；然后還要校核裝張力限制器的位置的框架強(qiáng)度以及固定軸承座的螺栓等，總的原則是要保護(hù)到設(shè)備的最薄弱環(huán)節(jié)（基于設(shè)備結(jié)構(gòu)不再進(jìn)行大的變更，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)比較合理的）。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大型的立式活套，結(jié)合以上的計(jì)算分析過(guò)程，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及電氣控制的速度和張力的精準(zhǔn)性都可以得到有力的保證。