大張力卷取機(jī)的研制及關(guān)鍵技術(shù)

寇漢萍，余光明，鐘 毅

（武漢鋼鐵股份有限公司，湖北 武漢 430080）

一、概述

張力卷取機(jī)是森吉米爾軋機(jī)的核心設(shè)備，徑向液壓鉗口卷取，超大旋轉(zhuǎn)缸徑達(dá)φ840mm，最大卷取脹徑力380t，卷取機(jī)工作時，卷取張力30t。

二、大張力卷取機(jī)的結(jié)構(gòu)功能及主要技術(shù)參數(shù)

1.結(jié)構(gòu)功能

森吉米軋機(jī)為冷軋可逆機(jī)組，其左右張力卷取機(jī)采用四棱錐軸結(jié)構(gòu)。它主要由變速傳動機(jī)構(gòu)、卷筒機(jī)構(gòu)和脹縮旋轉(zhuǎn)缸及卷筒外支撐等部分組成。棱錐軸是實(shí)現(xiàn)卷脹縮的主體，它直徑較大、強(qiáng)度高，可受較大的張力。旋轉(zhuǎn)脹縮缸與旋轉(zhuǎn)給油器相連，通過活塞的左右移動，實(shí)現(xiàn)卷筒脹縮運(yùn)動，同時通過旋轉(zhuǎn)給油器的不同通道，將油壓配送給旋轉(zhuǎn)脹縮缸及鉗口油缸。由于卷取時，卷取機(jī)張力較大，加之卷重較重，為了改善卷筒受力狀態(tài)，卷筒軸端設(shè)有外部支撐架，以協(xié)調(diào)卷取機(jī)的正常卷取。

2.主要技術(shù)參數(shù)（見表1）

3.主要特點(diǎn)

某公司自行設(shè)計(jì)制造的大張力卷取機(jī)，采用直流電機(jī)直接驅(qū)動、變頻調(diào)速，把數(shù)字傳感技術(shù)與卷取機(jī)液壓伺服系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)卷筒旋轉(zhuǎn)、卷筒張力調(diào)整以及卷筒動態(tài)脹縮全過程的自動控制。硅鋼薄板卷材是冷軋產(chǎn)品中的精品，其脆性、硬度等方面都比普通帶鋼大，因而在卷取產(chǎn)品中常常出現(xiàn)壓痕、折印，甚至折斷的情形，嚴(yán)重影響著硅鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和成材率。大張力卷取機(jī)采用可控脹縮閉式卷筒、結(jié)構(gòu)新穎的鉗口形式、合理的減載槽，有效解決了這一難題。同時，由于卷取機(jī)采用了倒四棱錐軸卷筒形式，卷筒受力更加合理，結(jié)構(gòu)更加簡單，動平衡性能好。

三、大張力卷取機(jī)主要關(guān)鍵技術(shù)

表1

1.開發(fā)卷取機(jī)智能化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)

作為卷?。ㄩ_卷）機(jī)制造的專業(yè)企業(yè)，某公司經(jīng)歷了一個由簡單制造到數(shù)控機(jī)床的仿形加工，再到計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)及虛擬制造的轉(zhuǎn)變。

該公司用巨資引進(jìn)五臺以捷克W200HD／NC為代表的數(shù)控加工機(jī)床，極大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著新產(chǎn)品開發(fā)及對卷取機(jī)內(nèi)在屬性的認(rèn)識，以大張力卷取機(jī)新產(chǎn)品研制為背景的計(jì)算機(jī)智能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)出來。

卷取機(jī)智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了卷取機(jī)屬性管理、卷筒相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算、VESES結(jié)構(gòu)分析、ANSYS結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動仿真（虛擬傳動）等內(nèi)容，并將其匯集到一個計(jì)算機(jī)界面上。

卷取機(jī)智能化集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制成功，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為卷取機(jī)新產(chǎn)品的深度開發(fā)提供了有力的保證。

2.冷連軋防斷帶技術(shù)研究

在大型軋機(jī)運(yùn)行過程中，往往由于卷取張力的不平衡，引起卷取機(jī)卷筒縮徑，因而帶卷內(nèi)層出現(xiàn)相對滑移，擦傷帶鋼表面。滑移嚴(yán)重時，由于巨大的卷取徑向力，使得內(nèi)層帶鋼被迫“趕”到卷筒鉗口及相鄰扇形板之間的縫隙里，形成內(nèi)層帶鋼的壓痕、折印，尤其是在軋制0.5mm以下的薄板時，極易產(chǎn)生帶鋼折斷的情形。所以，在軋制薄板接近帶卷末端時，一般采用降低軋制速度，以防斷帶而影響生產(chǎn)效率。

經(jīng)過研究試制，采取增加摩擦系數(shù)，在帶鋼之間墊一層襯紙的辦法防止滑移。為了進(jìn)一步解決帶卷內(nèi)層的周期性壓痕、折印及折斷的難題，運(yùn)用縮小鉗口間隙，增加固定鉗口二次倒角及減載槽，這樣，帶鋼在較大徑向壓力作用下，卷筒縮徑產(chǎn)生松動時，內(nèi)層不致被全部“趕”到鉗口及相鄰扇形板縫隙里，而是被均勻地壓在各個減載槽里。

3.新型鉗口裝置的研制

鉗口裝置是張力卷取機(jī)中一個極其重要的組成部分，合理的鉗口裝置應(yīng)是夾緊均勻、不打滑；運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，同時對帶卷內(nèi)層無傷害。舊式鉗口裝置，卷筒工作時，巨大的徑向壓力作用在外圓面上的固定鉗口條上，使得鉗口條上的壓緊螺栓承受較大的變載荷拉應(yīng)力，螺栓極易松動、折斷。為此發(fā)明了一種新型的結(jié)構(gòu)型式，這種型式的鉗口裝置受力合理，原螺栓約67%拉應(yīng)力被扇形板承擔(dān)。由于縮小了鉗口間隙，增加了小固定鉗口的二次倒角，研制的新型鉗口裝置不僅解決了由于螺栓松動、折斷而工作不穩(wěn)定的問題，而且對提高卷取帶鋼質(zhì)量有很大的改善作用。

4.應(yīng)用有限元技術(shù)，優(yōu)化卷取機(jī)花鍵參數(shù)

（1）外花鍵靜強(qiáng)度分析基本情況

外花鍵的主要參數(shù)有齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等，還有正常齒和短齒之分。為了獲得較小應(yīng)力分布狀態(tài)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對各種參數(shù)組合的外花鍵進(jìn)行了有限元分析，有限元模型見圖1。根據(jù)結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，將外花鍵簡化為平面應(yīng)力模型，并且分為全齒模型和單齒模型，以進(jìn)行比較分析。

（2)結(jié)果及分析

各模型外花鍵最大應(yīng)力位置均在齒根處，利用COSMOS/M計(jì)算得到的危險(xiǎn)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值見表2，利用自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件VSES對齒數(shù)為25、模數(shù)為12、壓力角為30°的短齒計(jì)算得到了應(yīng)力值（見表2最后一行）、拉應(yīng)力分布圖和壓應(yīng)力分布圖（從略）。

對表2序號1與序號3的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可知，單齒模型的應(yīng)力比全齒模型的應(yīng)力要大約48%，采用單齒模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)更安全。

表2 各模型外花鍵危險(xiǎn)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值

從表2可見，正常齒的最大應(yīng)力比短齒的最大應(yīng)力大，齒數(shù)少的最大應(yīng)力比齒數(shù)多的最大應(yīng)力大，壓力角小的最大應(yīng)力比壓力角大的最大應(yīng)力大。

對表2序號3與序號VSES的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可知，自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件VSES與大型工程有限元分析軟件COSMOS/M計(jì)算得到的拉壓應(yīng)力值誤差僅約10%。

各模型中，序號4的應(yīng)力值最小，即齒數(shù)30個、模數(shù)10mm、壓力角為30°的短齒花鍵是最好的參數(shù)設(shè)計(jì)。

（3)結(jié)論及建議

花鍵參數(shù)的初步設(shè)計(jì)為齒數(shù)30個、模數(shù)10mm、壓力角為30°的短齒花鍵，若考慮到不均勻因素的影響，不均勻系數(shù)取為1.4，則花鍵的擠壓應(yīng)力約為1.4×15=21MPa，若安全系數(shù)取為2，則最大拉應(yīng)力68.44MPa，最大壓應(yīng)力84.84MPa，滿足強(qiáng)度要求。

四、結(jié)論

大張力卷取機(jī)研制成功，投入使用兩年多來運(yùn)行安全可靠，性能穩(wěn)定，完全符合軋制工藝要求，標(biāo)志著我國森吉米爾卷取機(jī)已完全國產(chǎn)化。該項(xiàng)目所采用的研究成果已達(dá)到國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，在某些領(lǐng)域已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

[1]趙威.大張力連續(xù)縱剪機(jī)組中的卷取機(jī)設(shè)計(jì) [J].河北冶金，2002(5).

[2]彭建東.卡羅塞爾卷取機(jī)國產(chǎn)化 [J].江蘇冶金，2002(4).