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        懸臂式卷筒的頭部支承研究與應(yīng)用

        2021-06-28 09:51:02彭鐵輝羅志仁
        重型機(jī)械 2021年3期
        關(guān)鍵詞:斜楔棱錐卷筒

        彭鐵輝,王 雷,羅志仁

        (泰爾重工股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

        0 前言

        開卷機(jī)用于將安裝在卷筒上的鋼卷展開成平面運(yùn)動的帶鋼,卷取機(jī)用于將平面運(yùn)動的帶鋼在卷筒上卷取成卷。開卷機(jī)、卷取機(jī)廣泛采用懸臂式卷筒結(jié)構(gòu),對于板帶寬度超過1 m的生產(chǎn)線,通常在卷筒懸臂端還會增加活動支撐,用于支撐卷筒懸臂端的頭部支承。

        板帶生產(chǎn)工序主要包括熱軋、酸洗、冷軋、退火、平整、剪切等生產(chǎn)線,不同鋼廠的軋制工藝路線會略有區(qū)別,還存在酸軋聯(lián)合機(jī)組、脫脂、鍍鋅、彩涂等生產(chǎn)線。不同的生產(chǎn)線根據(jù)卷筒工作環(huán)境、卷取張力及卷筒外徑等區(qū)別會選用不同結(jié)構(gòu)形式的卷筒,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為連桿-柱塞式、斜楔閉式、斜楔開式、棱錐套式、棱錐軸式等型式卷筒。卷筒頭部支承根據(jù)安裝方式可分為分體式和一體式卷筒。

        分體式卷筒的頭部支承安裝在端軸上,端軸通過螺栓與主軸相連接。分體式卷筒多應(yīng)用在連桿-柱塞式卷筒、斜楔開式和斜楔閉式卷筒結(jié)構(gòu)中。

        一體式卷筒的頭部支承直接安裝在卷筒主軸末端。一體式卷筒多應(yīng)用在棱錐軸式和棱錐套式卷筒結(jié)構(gòu)中,卷筒主軸設(shè)計為通軸,在頭部支承和脹縮部分之間無螺栓連接,避免了螺栓松動現(xiàn)象的發(fā)生,提高了卷筒使用可靠性。

        本文根據(jù)不同型式卷筒的頭部支承結(jié)構(gòu),對頭部支承進(jìn)行受力分析,優(yōu)化頭部支承結(jié)構(gòu),改善卷筒使用性能。

        1 連桿-柱塞式卷筒

        連桿-柱塞式卷筒主要應(yīng)用在熱軋板帶生產(chǎn)線地下卷取機(jī)上,結(jié)構(gòu)如圖1所示。卷筒主軸和端軸連接處采用內(nèi)、外止口配合,主軸末端設(shè)計帶圓形凹槽,端軸設(shè)計帶圓形凸臺,并通過聯(lián)接螺栓將兩個零件連在一起,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖1 連桿-柱塞式卷筒立體圖

        圖2 優(yōu)化前卷筒頭部支承結(jié)構(gòu)立體圖

        卷筒脹大時,脹縮油缸帶動芯軸在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動,芯軸上的楔形面通過柱塞推動扇形板徑向運(yùn)動,實現(xiàn)卷筒脹大;縮小時,由芯軸通過連桿將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動,實現(xiàn)卷筒縮小。

        熱軋卷筒高速卷取帶鋼,帶頭以約10 m/s的速度進(jìn)入卷取機(jī),帶頭對卷筒會產(chǎn)生較大的沖擊,使卷筒產(chǎn)生一定的振動。卷筒在轉(zhuǎn)動過程中,連接主軸和端軸的止口配合處會產(chǎn)生交變擠壓力,止口配合間隙會隨著卷筒使用時間的增加而變大,且卷筒承受沖擊及振動,主軸止口根部易產(chǎn)生疲勞裂紋,裂紋形式如圖3所示。主軸止口產(chǎn)生裂紋后強(qiáng)度降低,連接螺栓受力會發(fā)生變化,會承受一定的彎曲力和沖擊力,安裝在螺栓上固定端軸的螺母易發(fā)生松動,螺母松動后,螺栓受力不均衡,螺栓易發(fā)生斷裂故障,從而影響卷筒一次上機(jī)卷鋼量。

        圖3 主軸端面止口槽

        優(yōu)化后的頭部支承和主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示,該結(jié)構(gòu)采用封閉式的主軸結(jié)構(gòu),連接螺栓由8-M48改為24-M30,螺栓受力更均勻。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,主軸末端強(qiáng)度提高,主軸和端軸配合處的內(nèi)、外止口均為完整的圓面,改善了主軸端部受力,可提高主軸的使用壽命,也提高了卷筒的使用可靠性。

        圖4 優(yōu)化后卷筒頭部支承立體圖

        2 斜楔開式卷筒

        斜楔開式卷筒主要由主軸、扇形板、斜楔、拉桿、端軸、十字頭、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。卷筒結(jié)構(gòu)如圖5所示(后續(xù)卷筒主視圖上傳動端的大軸承、齒輪和脹縮油缸等零件不再示出)。斜楔開式卷筒的斜楔帶上、下勾頭,斜楔安裝時需要從主軸末端滑入主軸T形槽內(nèi),主軸末端開槽后通常分成四個扇形塊,通過8個螺栓將端軸固定在主軸上。

        圖5 斜楔開式卷筒

        卷筒脹大時,脹縮油缸帶動拉桿在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動,安裝在拉桿上的十字頭推動軸向斜楔在主軸的軸向槽內(nèi)移動,軸向斜楔的楔形面推動扇形板徑向運(yùn)動,實現(xiàn)卷筒脹大,卷筒縮小時由斜楔上的勾頭將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動、實現(xiàn)卷筒縮小。

        卷筒主軸和端軸連接處采用內(nèi)、外止口配合,結(jié)構(gòu)如圖6所示,主軸末端設(shè)計帶圓形凸臺,端軸設(shè)計帶圓形凹槽,該連接結(jié)構(gòu)的受力和連桿-柱塞式卷筒結(jié)構(gòu)相似,由于冷軋卷筒使用周期比熱軋卷筒更長,卷筒長時間使用后,也會存在螺栓松動的現(xiàn)象,嚴(yán)重時發(fā)生螺栓斷裂的故障。

        圖6 斜楔開式卷筒1頭部支承立體圖

        針對分體式斜楔開式卷筒優(yōu)化的頭部支承結(jié)構(gòu)如圖7所示,在主軸上開口的扇形塊處增加的T形塊,用于將開口的主軸末端連成閉式結(jié)構(gòu),增加了止口配合處的接觸面積,并增加了8個連接螺栓,改善螺栓受力,增加T形塊后,主軸端部增大了向外的拉力,為改善主軸端部受力,將主軸的螺紋孔加深,優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)如圖8所示。

        圖7 斜楔開式卷筒2頭部支承立體圖

        圖8 螺紋沉入結(jié)構(gòu)

        3 斜楔閉式卷筒

        斜楔閉式卷筒主要由主軸、扇形板、軸向斜楔、徑向斜楔、拉桿、端軸、十字頭、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。斜楔閉式卷筒通常采用分體式結(jié)構(gòu),如圖9所示,端軸通過8個螺栓與主軸相連接。

        圖9 分體式斜楔閉式卷筒

        卷筒脹大時,脹縮油缸帶動拉桿在主軸內(nèi)孔中軸向運(yùn)動,安裝在拉桿上的十字頭推動軸向斜楔在主軸的軸向槽內(nèi)移動,軸向斜楔的楔形面推動徑向斜楔徑向運(yùn)動,徑向斜楔在向外擴(kuò)脹的同時推動扇形板向外運(yùn)動,實現(xiàn)卷筒脹大,卷筒脹到最大時(工作位置)扇形板和徑向斜楔在外圓方向形成一個封閉的整圓;卷筒縮小由安裝在扇形板內(nèi)的壓縮彈簧釋放壓力來實現(xiàn)。

        分體式斜楔閉式卷筒使用過程中,端軸和主軸配合的止口受力形式和斜楔開式卷筒相似,卷筒在使用一定周期后,也會發(fā)生連接端軸和主軸的螺栓松動的現(xiàn)象,嚴(yán)重時發(fā)生螺栓斷裂的故障。

        采用一體式設(shè)計斜楔閉式卷筒結(jié)構(gòu)如圖10所示,頭部軸承及支撐套直接安裝在主軸末端,一體式設(shè)計的卷筒主軸為通軸,主軸上的3個軸承安裝圓面可一次裝夾、磨削成形,保證了軸承安裝面圓柱度,能提高頭部支承的圓跳動,改善頭部支承受力,也提高了卷筒使用的可靠性。

        圖10 一體式斜楔閉式卷筒

        主軸設(shè)計為通軸后,連接軸向斜楔和拉桿的十字頭不能直接從主軸末端安裝,為了將十字頭安裝到拉桿上,在主軸上開了一個方形槽,十字頭插入主軸槽后再旋轉(zhuǎn)90°,再將拉桿穿過十字頭內(nèi)孔,從而將十字頭安裝在拉桿上。為保證加工了安裝槽的主軸強(qiáng)度,十字頭設(shè)計得較薄,便于十字頭穿過安裝槽,為保證十字頭的強(qiáng)度,在十字頭兩端安裝了支撐板1和支撐板2,通過螺母將十字頭和兩塊支撐板緊密貼合在一起,提高十字頭的強(qiáng)度。頭部支承連接處內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。

        圖11 一體式斜楔閉式卷筒頭部支承立體圖

        4 棱錐套式卷筒

        棱錐套式卷筒主要由主軸、棱錐套和扇形板、拉桿、扁鍵、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。

        棱錐套式卷筒多采用一體式卷筒結(jié)構(gòu),卷筒結(jié)構(gòu)如圖12所示,棱錐套安裝在主軸上,可在主軸外圓上滑動,主軸上開有腰形槽,用于安裝扁鍵,扁鍵將棱錐套和拉桿連成一體。卷筒脹大時,脹縮油缸通過連接的拉桿、扁鍵帶動棱錐套在主軸上軸向運(yùn)動,棱錐套的楔形面推動扇形板徑向運(yùn)動,實現(xiàn)卷筒脹大,卷筒縮小時由棱錐套上的勾頭將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動,實現(xiàn)卷筒縮小。

        圖12 棱錐套式卷筒1

        由于扁鍵要穿過拉桿,開有槽的拉桿強(qiáng)度會有一定降低,且扁鍵要穿過主軸連接拉桿和棱錐套,因此,扁鍵設(shè)計成長腰形,能提高扁鍵的強(qiáng)度,同時減小鍵槽在拉桿上的橫截面積,提高拉桿強(qiáng)度,設(shè)計時可通過有限元分析來優(yōu)化扁鍵和拉桿腰形槽尺寸。

        當(dāng)拉桿尺寸受限,拉桿上不適合開腰形槽時,可采用圖13所示卷筒結(jié)構(gòu),拉桿通過滑套與棱錐套相連接,頭部軸承安裝在端軸套上,端軸套通過兩個銷軸固定在主軸上。卷筒脹縮時,拉桿通過滑套帶動棱錐套在主軸上軸向移動,滑套同時在端軸套內(nèi)孔中軸向移動,該結(jié)構(gòu)使拉桿上不需要開腰形槽,保證了拉桿的強(qiáng)度。

        圖13 棱錐套式卷筒2

        5 棱錐軸式卷筒

        棱錐軸式卷筒主要由棱錐軸、空心軸套、扇形板、支承套、齒輪、軸承、脹縮油缸等零件組成。

        棱錐軸式卷筒多采用一體式卷筒結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖14所示。棱錐軸安裝在空心軸套內(nèi),在脹縮油缸的帶動下可在空心軸套內(nèi)軸向移動,棱錐軸楔形面上安裝有T形鍵。卷筒脹大時,脹縮油缸帶動棱錐軸進(jìn)行軸向移動,棱錐軸楔形面推動扇形板徑向運(yùn)動,實現(xiàn)卷筒脹大,卷筒縮小時由安裝在棱錐軸上的T形鍵將扇形板向內(nèi)側(cè)拉動,實現(xiàn)卷筒縮小。

        圖14 棱錐軸式卷筒1

        卷筒脹縮過程中,頭部支承套會隨著棱錐軸的軸向移動而移動,活動支撐一般設(shè)計成滾輪結(jié)構(gòu),以減小支承套軸向移動時與活動支撐的阻力。由于棱錐軸式卷筒剛性較好,該形式卷筒多用于大張力卷取機(jī),如可逆軋機(jī)組、森基米爾軋機(jī)組,卷筒承受較大的張力,活動支撐與卷筒頭部支承接觸處設(shè)計成軸瓦型式或全封閉套型式更利于頭部支承受力,此時需要保證頭部支承軸向不產(chǎn)生位移,可采用圖15所示卷筒結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)卷筒的端軸套安裝在主軸上,并通過螺栓及銷套將端軸套軸向固定在扇形板端面上,支承套和頭部軸承安裝在端軸套上,從而保證支承套在卷筒脹縮時不會產(chǎn)生軸向位移。

        圖15 棱錐軸式卷筒2

        6 結(jié)束語

        頭部支承分體式結(jié)構(gòu)卷筒可通過優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)來提升卷筒使用性能,頭部支承一體式結(jié)構(gòu)卷筒能提升卷筒頭部支承的圓跳動,改善卷筒受力,且不會隨著卷筒多次拆裝而降低頭部支承精度,更利于卷筒的使用和維護(hù),在卷筒設(shè)計時優(yōu)先考慮采用頭部支承一體式卷筒結(jié)構(gòu)。

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