閆成琨，計 江，徐家祥，王悅晗，謝 磊，辛靜泰

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.清遠(yuǎn)楚江銅業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

近幾年來，得益于銅板摩擦焊接技術(shù)的進步，一種將兩個熱軋卷頭尾對焊后拼接成一個更大卷徑的帶卷，然后進行冷軋的工藝模式被提出來。該工藝的好處有，一是減少了原工藝的頭尾廢料和頭尾部因加減速導(dǎo)致的超差長度，提高了產(chǎn)品的綜合成材率；二是減少了帶卷單位產(chǎn)量的上卸卷平均輔助時間，提高了班組效率和產(chǎn)能。這種工藝下，帶卷在寬度不變的情況下，卷重和帶長翻倍，卷徑大幅增加。帶卷外徑與寬度的比值，稱為“徑寬比”。這種更大規(guī)格的帶卷被稱為“超大徑寬比帶卷”，后文簡稱“超大卷”。

超大卷導(dǎo)致原有常規(guī)工藝下的冷軋機組無法適用新工藝生產(chǎn)，出現(xiàn)多種問題，其中最為突出的是帶卷豎立放置運輸時穩(wěn)定性變差，在運卷過程中很容易向兩側(cè)傾翻造成安全事故。針對超大卷生產(chǎn)過程中的運卷問題，我公司研發(fā)了適用于超大徑寬比銅合金帶卷的運卷小車，已應(yīng)用于軋制超大卷的粗、中、精軋機組中，取得了良好的實用效果。

1 超大卷規(guī)格簡介

在傳統(tǒng)銅帶生產(chǎn)中，帶卷的徑寬比一般不大于5，在黑色和鋁合金板帶生產(chǎn)中，徑寬比一般不大于2。在新的焊接卷工藝下，以國內(nèi)某大型銅帶加工企業(yè)為例，粗軋來料帶卷直徑達到2.5m，徑寬比最大可達8.3，單位寬度卷重最高可達23kg/mm，該規(guī)格在全世界銅板帶軋制領(lǐng)域也前所未見。

超大卷的詳細(xì)規(guī)格為：

加工品種： 青銅、紫銅、黃銅、白銅,等

來料厚度： 14mm ～ 20mm

來料寬度： 300mm ～ 440mm

銅卷外徑： max.Φ2500mm

最大卷重： 10t

成品厚度： 0.5mm ～ 4.0mm

徑寬比： max.8.3

單位寬度卷重： max.23kg/mm

2 運卷小車防傾翻技術(shù)方案的選擇

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，徑寬比小于5的帶卷，直接豎立放置在運卷小車托架上運輸，在正常擾動范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定的。但當(dāng)徑寬比大于5時，豎立放置的帶卷穩(wěn)定性開始變差，在運輸過程中，帶卷很容易向兩側(cè)傾翻，極易造成生產(chǎn)安全事故。目前帶卷徑寬比最大已達到8.3，是世界銅帶生產(chǎn)中前所未見的最大規(guī)格，如何保證其運卷過程的穩(wěn)定性沒有可以借鑒的成熟方案。表1列出了4種具備實施可能性的防止帶卷傾翻的技術(shù)方案及其特點。

表1 運卷小車防傾翻技術(shù)方案對比Tab.1 Comparison of anti-overturning technical solutions on coil cars

經(jīng)過計算分析和綜合對比，最終確定采取方案4應(yīng)用于本文成套的超大卷粗、中、精軋機組中，即在運卷小車上配置液壓傳動夾具，通過夾持帶卷下部來保持穩(wěn)定的方案。該方案相對其他3個方案的優(yōu)點是，穩(wěn)定效果好，占用空間小，安全性高，操作便捷。

進一步，由于冷軋機組中雙柱頭開卷機和張力卷取機的結(jié)構(gòu)特點，按小車上卸卷時帶卷的放置方向，可分為徑向運卷和軸向運卷兩類。為此，本文研發(fā)了兩種防傾翻裝置，一種配置在沿著帶卷徑向運動的上卷小車上，上卷的同時可躲開雙柱頭開卷機的轉(zhuǎn)盤和側(cè)導(dǎo)柱；另一種配置在沿著帶卷軸向運動的卸卷小車上，有大小兩對托輥，可兼顧殘卷和套筒的裝卸。

3 徑向運動上卷小車防傾翻技術(shù)

配置在沿著帶卷徑向運動的上卷小車上的防傾翻裝置其工作狀態(tài)如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 上卷小車防傾翻裝置撤除狀態(tài) 圖2 上卷小車防傾翻裝置投入狀態(tài)Fig.1 Removal status of anti-overturning device on loading coil car Fig.2 Operation status of anti-overturning device on loading coil car

防傾翻裝置安裝在上卷小車頂部，防傾翻夾具安裝在防傾翻裝置兩側(cè)的擺臂末端。準(zhǔn)備上卷時，擺臂擺下(圖1)，將超大卷落在小車V形托架上。待帶卷放置平穩(wěn)后，驅(qū)動擺臂帶動防傾翻夾具擺起(圖2)，然后驅(qū)動馬達通過傳動齒輪使帶卷兩側(cè)的夾桿及螺母底座相向運動，直至將帶卷夾持住，完成夾持動作(圖3)。之后驅(qū)動小車進入雙柱頭開卷機卷筒之間進行上卷作業(yè)。通過調(diào)整小車進退以及車體升降，可使帶卷卷芯對準(zhǔn)兩側(cè)的柱頭卷筒。當(dāng)卷芯與開卷機卷筒同軸后，驅(qū)動兩側(cè)開卷機靠向帶卷，當(dāng)開卷機卷筒部分進入卷芯并能夠托住帶卷時，即可驅(qū)動液壓馬達反向旋轉(zhuǎn)，使夾桿松開帶卷，然后驅(qū)動擺臂落下，使夾桿避開帶卷和卷筒，并控制運卷小車退出開卷機區(qū)域，完成整個上卷過程。

圖3 防傾翻夾具剖視圖Fig.3 Sectional view of anti-overturning clamps

該裝置的有益效果是，(1)通過兩側(cè)共4處夾桿對帶卷下部的夾持，大大增強了超大卷運輸過程的豎立穩(wěn)定性和抗外部擾動能力，從而達到防止帶卷傾翻的效果。(2)利用了螺母螺桿結(jié)構(gòu)的自鎖特性。當(dāng)帶卷有傾翻傾向時，巨大的自重導(dǎo)致傾翻力矩比較大，作用在立桿上的反向力也會很大。本裝置在立桿和驅(qū)動系統(tǒng)之間設(shè)置了螺母螺桿結(jié)構(gòu)，利用螺母與螺桿之間的自鎖特性，使立桿在巨大外力下能夠固定在原位，既能保持帶卷豎立狀態(tài)，也不會將較大的傾翻力傳遞到齒輪和液壓馬達上，避免造成驅(qū)動系統(tǒng)損壞。(3)全程通過液壓和電氣系統(tǒng)控制，無須操作人員靠近帶卷進行操作，可實現(xiàn)超大卷徑向上卸卷方式的全自動化，從而降低了安全風(fēng)險，也提高了生產(chǎn)效率。

4 軸向運動卸卷小車防傾翻技術(shù)

配置在沿帶卷軸向運動的卸卷小車上的防傾翻裝置其工作狀態(tài)如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 卸卷小車防傾翻裝置夾卷運輸狀態(tài)Fig.4 Clamping delivery status of anti-overturning device on unloading coil car

圖5 防傾翻夾具大卷夾持狀態(tài)Fig.5 Clamping status of anti-overturning clamps for oversize coil

因卸卷小車要兼顧超大卷整卷、殘卷以及套筒的運輸，三者直徑相差較大。若按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅布置一對托輥，為了兼顧殘卷和套筒運輸，這對托輥的間距就不能太大；而為了保證對超大卷托舉的穩(wěn)定性，這對托輥的間距又不能太小。為了解決上述矛盾，該裝置布置了大、小兩對托輥系統(tǒng)，大托輥系統(tǒng)用于托舉超大卷，托輥的間距較大、直徑較大且芯軸直接安裝在裝置基座上，可承受整卷的重量；小托輥系統(tǒng)用于托舉殘卷和套筒，托輥的間距較小、直徑較小且芯軸安裝在擺動臂上，需要時擺起，不需要時可擺下藏于基座內(nèi)，為超大卷讓出空間。

小托輥擺臂的轉(zhuǎn)軸由擺動馬達驅(qū)動，可使擺臂擺起、落下。小托輥擺臂的轉(zhuǎn)軸端側(cè)面被加工為扇形齒，與安裝在大托輥芯軸上的扇形齒環(huán)嚙合。防傾翻夾具的擺動夾桿通過滑套套裝在大托輥的芯軸上，并可隨著扇形齒環(huán)的轉(zhuǎn)動擺起、落下。由于扇形齒相互嚙合，小托輥擺臂和擺動夾桿的轉(zhuǎn)動方向正好相反。當(dāng)運輸超大卷時，可驅(qū)動擺動夾桿擺起。擺動夾桿通過一組卡環(huán)與一個夾持油缸相連接。夾持油缸收回可使夾桿在芯軸上向內(nèi)滑動并夾住帶卷兩側(cè)，以實現(xiàn)對超大帶卷的夾持防傾翻(圖4、圖5)。當(dāng)驅(qū)動擺動夾桿落下，則小托輥抬起，可實現(xiàn)殘卷或者套筒的運輸(圖6)。

圖6 防傾翻裝置殘卷、套筒運輸狀態(tài)Fig.6 Delivery status of anti-overturning devicefor fragment coil or sleeve

該裝置的有益效果是，(1)通過兩側(cè)共4處擺臂夾桿對超大卷下部進行夾持，大大增強了超大卷運輸過程的豎立穩(wěn)定性和抗外部擾動能力，從而達到防止帶卷傾翻的效果。(2)利用了液壓系統(tǒng)的鎖定功能。當(dāng)帶卷有傾翻傾向時，側(cè)傾力作用在擺臂夾桿上，會有推開夾桿的分力。本裝置通過在液壓系統(tǒng)中設(shè)置液壓鎖，使擺臂夾桿在巨大外力下能夠固定在原位，保持帶卷豎立狀態(tài)。(3)全程通過液壓和電氣系統(tǒng)控制，無須操作人員靠近帶卷進行操作，可實現(xiàn)超大卷軸向上卸卷方式的全自動化，從而降低了安全風(fēng)險，也提高了生產(chǎn)效率。(4)具備大小兩套托輥，分別可對超大卷和小卷、套筒進行上卸卷操作，還可以用小托輥代替卷取機壓輥對帶頭、帶尾進行壓頭操作，具有靈活廣泛的應(yīng)用場合。

5 小車整體穩(wěn)定性和安全性設(shè)計

超大卷銅卷自重10t，單位寬度卷重高達23kg/mm，已是目前銅卷生產(chǎn)的最大規(guī)格，較傳統(tǒng)卷重幾乎翻倍。因此超大卷運卷小車的車體整體穩(wěn)定性也需要進行特別的強化。

首先，需要加強的是升降車體自身的剛度。傳統(tǒng)銅帶運卷小車一般采用兩個實心圓柱體導(dǎo)柱維持車體升降時的剛性，該結(jié)構(gòu)在負(fù)荷翻倍增加后，就會出現(xiàn)穩(wěn)定性變差的情況。故而本機組在超大卷運卷小車上開發(fā)應(yīng)用了中空的方箱式導(dǎo)柱，升降油缸設(shè)置于箱體內(nèi)部。以邊長350mm，壁厚20mm的方箱式導(dǎo)柱，對比同等重量材料的雙圓柱導(dǎo)柱，并按兩個圓柱導(dǎo)柱間距320mm為例，經(jīng)過簡單計算可知，在占用空間相似的情況下，方箱式導(dǎo)柱的縱向抗彎強度與雙圓柱導(dǎo)柱相接近，而橫向抗彎強度是雙圓柱導(dǎo)柱的12.7倍，其綜合穩(wěn)定性更為優(yōu)越，十分適合超大卷帶卷運輸。

其次，考慮在上卸卷操作失誤時，也可能會出現(xiàn)超重帶卷側(cè)翻力過大的情況。此時帶卷雖然被防傾翻夾具夾持，卻可能因自重過大，將運卷車體整體連帶壓翻。為充分保證安全，將小車軌道設(shè)計為C形軌道，車輪裝入軌道的C形槽內(nèi)(圖7)。在車體即將被帶卷壓翻時，C形軌道可將車輪限制在軌道槽內(nèi)，限制了車體的傾翻，進而通過車頂?shù)姆纼A翻裝置限制帶卷傾翻。對于軌道的設(shè)計改進，在提升上卸卷操作穩(wěn)定性的同時，進一步提高了上卸卷操作過程的安全冗余度。

圖7 車體防傾翻C形軌道設(shè)計Fig.7 Anti-overturning design of c-shaped track for coil car body

6 結(jié)束語

將兩卷熱軋卷頭尾對焊后拼接成一卷銅卷然后進行冷軋，是近年來開始出現(xiàn)的銅帶冷軋新工藝。這種工藝模式下超大規(guī)格大徑寬比銅卷生產(chǎn)運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性是其一大難點。本文詳細(xì)分析了各種防傾翻技術(shù)方案的優(yōu)缺點，并最終確定了對帶卷下部夾持運輸?shù)姆椒榫C合最優(yōu)解。

大徑寬比銅卷運卷小車的創(chuàng)新研發(fā)，是我公司開發(fā)的大徑寬比銅合金帶卷粗、中、精軋機組的重要組成設(shè)備，是對超大卷銅帶冷軋新工藝高效安全生產(chǎn)的重要支撐。本機組的成功研發(fā)，為國內(nèi)銅加工企業(yè)節(jié)材節(jié)能、降低排放，提供了可靠的生產(chǎn)設(shè)備和有效的解決途徑。