冷軋開卷機(jī)卷筒水平度分析計(jì)算

王明龍， 孟祥東

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

0 引言

開卷機(jī)用于開啟成卷帶鋼，凡是以帶卷為原料的生產(chǎn)機(jī)組（如連續(xù)酸洗、連軋機(jī)、連續(xù)鍍鋅、連續(xù)退火、重卷、縱切及橫切等機(jī)組），前端都要設(shè)置開卷機(jī)。按照開卷機(jī)卷筒的結(jié)構(gòu)分類，常用的開卷機(jī)有雙錐頭式、雙柱頭式和懸臂式等3種形式[1-2]。本文以連續(xù)酸洗機(jī)組的懸臂式開卷機(jī)為例，分析計(jì)算各因素對(duì)卷筒水平度的影響情況。

在開卷機(jī)開卷過程中，卷筒的水平度對(duì)帶鋼跑偏情況影響非常大，一旦其偏差值超過設(shè)計(jì)要求將使帶鋼持續(xù)跑偏，甚至造成刮邊，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率及成品率。因此分析卷筒水平度的影響因素，從根源上保證其偏差值，對(duì)開卷機(jī)及卷筒的安裝維護(hù)工作具有指導(dǎo)作用，對(duì)保證機(jī)組的生產(chǎn)效率及成品率具有積極作用。

1 開卷機(jī)卷筒的結(jié)構(gòu)分析

懸臂式開卷機(jī)按照懸臂卷筒結(jié)構(gòu)又分為連桿式和斜楔式兩種[3]。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)開卷機(jī)的工況進(jìn)行選擇。當(dāng)帶卷重量和開卷張力都不大時(shí)，可采用連桿式懸臂開卷機(jī)。連續(xù)酸洗機(jī)組中帶卷重量及開卷張力都較大，所以開卷機(jī)一般采用斜楔式懸臂開卷機(jī)。斜楔式懸臂卷筒具有較大的強(qiáng)度和剛度，能保持鋼帶在開卷過程中的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是在薄帶鋼甩尾時(shí)效果顯著。另外，為了減小懸臂卷筒的彎曲和擺動(dòng)，一般在卷筒軸頭設(shè)有外支撐裝置，在開卷過程中給與卷筒頭部支撐。

本文以某工程的斜楔式懸臂卷筒為例進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該類卷筒通過脹縮缸1活塞桿的伸出與縮回驅(qū)動(dòng)拉桿3沿著卷筒軸向移動(dòng)，拉桿3與斜楔8通過一個(gè)長(zhǎng)鍵連接，斜楔8隨拉桿3在沿卷筒軸向方向移動(dòng)，扇形板7與斜楔8通過T形結(jié)構(gòu)連接，扇形板7隨斜楔8的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)徑向移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)卷筒的徑向脹縮。卷筒的安裝固定是通過卷筒軸承一2和卷筒軸承二6作為支撐安裝到開卷機(jī)非標(biāo)齒輪箱內(nèi)，其中卷筒軸承一2作為軸向固定端、卷筒軸承二6作為軸向浮動(dòng)端。卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)裝置通過齒輪傳動(dòng)傳至傳動(dòng)齒輪5，傳動(dòng)齒輪5與芯軸4通過鍵連接實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，芯軸4與拉桿3及斜楔8通過鍵連接實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，扇形板7通過斜楔8驅(qū)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。另外，在正常生產(chǎn)時(shí)由外支撐裝置對(duì)軸頭9進(jìn)行支撐，可以很好地保證卷筒的直線度，減少卷筒下?lián)希ＷC帶卷在開卷過程中穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 斜楔式懸臂卷筒結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)斜楔式懸臂卷筒結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：1）大懸臂量；2）由兩盤調(diào)心滾子軸承支撐在齒輪箱內(nèi)；3）芯軸4、斜楔8及扇形塊7之間相互滑動(dòng)；4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2 開卷機(jī)卷筒水平度的影響因素分析

由于該結(jié)構(gòu)卷筒存在以上特點(diǎn)，所以卷筒的水平度的影響因素也就比較復(fù)雜。下面就針對(duì)該類結(jié)構(gòu)卷筒的特點(diǎn)，逐項(xiàng)分析其對(duì)水平度的影響情況。

2.1 大懸臂量的影響

當(dāng)開卷機(jī)外支撐打開時(shí)卷筒處于懸臂狀態(tài)，其由軸承支撐在齒輪箱內(nèi)。由于卷筒懸臂部分較大，其在自身重力作用下懸臂端產(chǎn)生變形，卷筒頭部下?lián)?。本文采用SolidWorks建模，并用其自帶的Simulation模塊進(jìn)行分析。建模過程中根據(jù)力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將卷筒內(nèi)部復(fù)雜的相互接觸配合零件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在用Simulation進(jìn)行分析時(shí)，將芯軸4在卷筒軸承二6的位置進(jìn)行固定約束，對(duì)其整體施加以重力作用。經(jīng)過軟件計(jì)算得出分析結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 卷筒簡(jiǎn)化圖

圖4 卷筒在重力作用下的應(yīng)力云圖

圖5 卷筒在重力作用下的位移云圖

圖6 卷筒扇形板中位在重力作用下的位移情況

對(duì)軟件分析結(jié)果整理總結(jié)，得出以下結(jié)論：1）卷筒最大位移出現(xiàn)在軸頭位置，為0.248 mm（應(yīng)力為0.009 MPa）；2）卷筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒軸承6的外側(cè)，為17.50 MPa（位移為0.008 mm）；3）卷筒扇形板中心位置位移為0.11 mm，應(yīng)力為0.66 MPa；4）卷筒扇形板中部水平度為（0.1196-0.1098）÷（758.734-544.359）=0.046 mm/m。

2.2 軸承游隙及配合的影響

該卷筒通過卷筒軸承一2和卷筒軸承二6安裝支撐在開卷機(jī)齒輪箱內(nèi)，軸承內(nèi)圈與芯軸4之間采用過盈配合，軸承外圈與齒輪箱之間采用間隙配合。軸承的游隙會(huì)受到軸承內(nèi)、外圈過盈配合及軸與殼散熱情況的影響，在安裝過程中僅需考慮軸承配合對(duì)其的影響，在正常生產(chǎn)過程中需要考慮該兩種情況的影響。

2.2.1 安裝過程中（不考慮軸承內(nèi)外圈溫差引起膨脹不同的影響）

開卷機(jī)在安裝過程中以卷筒的安裝精度為最終保證目標(biāo)[4]。安裝過程中軸承內(nèi)外圈處于相同溫度，可以不考慮內(nèi)外圈溫差對(duì)軸承游隙的影響。卷筒在自由狀態(tài)時(shí)，由于卷筒重心在卷筒軸承二的右側(cè)（如圖7），在重力作用下卷筒軸承一的上部為承載區(qū)、卷筒軸承二的下部為承載區(qū)。該卷筒芯軸及軸承參數(shù)如表1所示。

圖7 卷筒支撐簡(jiǎn)化圖

表1 卷筒支撐位置軸承與機(jī)加工件配合及軸承參數(shù)

軸承內(nèi)圈與芯軸的配合采用過盈連接，由于內(nèi)圈與芯軸的緊密連接會(huì)導(dǎo)致軸承游隙值發(fā)生變化。軸承外圈與齒輪箱的配合采用間隙配合，該配合關(guān)系不會(huì)影響軸承游隙。一般情況下，軸承內(nèi)圈滾道的擴(kuò)張量可近似取其配合過盈量的80%，軸承外圈的收縮量可近似取其過盈量的70%。經(jīng)計(jì)算，該卷筒軸承由于軸承內(nèi)圈過盈引起的游隙變化值如表2所示。

表2 卷筒支撐位置由于軸承與機(jī)加工件過盈引起軸承游隙變化量

根據(jù)表2中軸承游隙的變化量計(jì)算卷筒軸承的綜合間隙，如表3所示。

根據(jù)表3卷筒軸承的最大及最小綜合間隙計(jì)算卷筒的水平度，如表4所示。

表3 卷筒支撐位置綜合間隙

2.2.2 正常生產(chǎn)過程中（考慮軸承內(nèi)外圈溫差引起膨脹不同的影響）

正常生產(chǎn)時(shí)，由于齒輪箱的散熱情況引起軸承內(nèi)外圈溫度不同，從而引起軸承徑向游隙變化，變化量ΔGrt可以按照公式近似計(jì)算：

表4 軸承游隙對(duì)卷筒水平度的影響

其中：α為鋼的線膨脹系數(shù)，取α=0.000011 K-1；d為軸承內(nèi)徑，mm；D為軸承外徑，mm。

根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果如表5所示。

將表4與表6進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，由于軸承內(nèi)外圈溫差的影響使軸承間隙減小，從而減小對(duì)卷筒水平度的影響。

綜合來(lái)看，軸承游隙及配合對(duì)卷筒水平度的影響較大，在安裝過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)卷筒水平度的影響因素的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)大懸臂量及軸承游隙對(duì)卷筒水平度的影響都是不容忽視的，所以無(wú)論在設(shè)備安裝還是正常使用時(shí)都應(yīng)將卷筒軸頭采用外支撐進(jìn)行有效支撐，并保持卷筒的水平度在0.05 mm/m范圍內(nèi)，且卷筒水平度要求軸頭上翹。

表5 軸承在正常生產(chǎn)時(shí)由于軸與殼的散熱條件和膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致軸承游隙的變化量

表6 軸承游隙對(duì)卷筒水平度的影響（考慮軸承內(nèi)外圈溫差）