雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)自主研發(fā)與應(yīng)用實踐

劉 松，計 江，蘇旭濤，賈尚武，李聯(lián)飛，黃慶學(xué) ，周存龍，張 鐳

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024；3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

0 前言

冷軋帶鋼產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用并廣泛應(yīng)用于包裝、家電、微電子和國防等領(lǐng)域。目前生產(chǎn)冷軋帶鋼主要有單機(jī)架可逆軋制和全連續(xù)軋制兩種方式，而全連續(xù)軋制具有生產(chǎn)節(jié)奏快和成品率高等優(yōu)點。隨著全球冶金設(shè)備向高速化發(fā)展的趨勢，全連續(xù)軋制正日益成為冷軋業(yè)的主流生產(chǎn)方式，冷連軋生產(chǎn)線的市場占有率正逐年提高。

雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)是帶鋼冷連軋生產(chǎn)線的出口段關(guān)鍵設(shè)備之一，并直接決定著整體生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)品精度。由于雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)具有載荷大、速度高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)長期為少數(shù)幾個國家所壟斷，因此國內(nèi)高速冷連軋設(shè)備幾乎都由國外供貨商成套。目前對該設(shè)備具有加工能力的僅有常州寶菱和中冶陜壓等少數(shù)幾個制造廠，但是國內(nèi)對該設(shè)備的設(shè)計能力始終處于空白狀態(tài)。

為了振興民族產(chǎn)業(yè)和打破國外技術(shù)壁壘，中國重型機(jī)械研究院股份公司于2014年成立雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)研發(fā)團(tuán)隊，攻破了多個難點和技術(shù)瓶頸并逐漸掌握了該設(shè)備的全部關(guān)鍵技術(shù)。

2017年12月28日，中國重型機(jī)械研究院股份公司自主研發(fā)的雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)在江蘇陽光現(xiàn)場一次性熱負(fù)荷試車成功，而且設(shè)備速度和產(chǎn)品精度遠(yuǎn)超目標(biāo)考核值并深得用戶的認(rèn)可和贊譽(yù)。

1 設(shè)備型式與構(gòu)成

根據(jù)傳動系統(tǒng)布置型式的不同，雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)分為行星齒圈和中空軸兩種類型，此次研發(fā)主要是針對中空軸式開展的。該機(jī)型的布置和設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)設(shè)備構(gòu)成

(1)傳動裝置。由兩臺等功率的直流電機(jī)、鼓形齒聯(lián)軸器和制動器等組成；

(2)初級減速箱。將傳動裝置的動力和扭矩通過帶花鍵的中空軸傳遞到次級減速箱；

(3)回轉(zhuǎn)支撐及定位鎖緊裝置。支撐次級減速箱并通過交流變頻電機(jī)驅(qū)動次級減速箱的大齒圈以實現(xiàn)兩個卷筒的位置交替，而且為穩(wěn)定卷取提供自鎖裝置；

(4)次級減速箱。將中空軸的扭矩和速度再次分配后傳遞到卷筒以驅(qū)動卷筒的旋轉(zhuǎn)；

(5)卷筒裝配。卷筒采用中空軸加四楔形塊的結(jié)構(gòu)。卷筒采用四塊扇形板，扇形板間帶有曲線以減小卷筒漲徑后接縫對帶鋼的壓痕；

(6)輔助裝置(回油裝置和固定罩等)。動態(tài)回轉(zhuǎn)箱體的潤滑油經(jīng)固定在初級減速箱上的回油裝置回收到稀油站。保護(hù)罩是為了保障設(shè)備和操作人員的安全而設(shè)計的。

(7)流體配管和檢測開關(guān)(圖1未示出)。初級減速機(jī)和次級減速機(jī)及其軸承均采用稀油循環(huán)潤滑。卷筒漲縮的壓力油及其泄油等均通過中空軸內(nèi)部的芯軸傳送次級減速箱。檢測開關(guān)主要用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速、次級減速箱轉(zhuǎn)動角度、卷筒脹縮和潤滑油的壓力和流量等。

2 設(shè)備主參數(shù)

此次研發(fā)依托江蘇陽光1 250 mm全連續(xù)冷連軋機(jī)組。根據(jù)用戶生產(chǎn)需求，設(shè)定機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 主要創(chuàng)新技術(shù)

該雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)在研發(fā)過程中遇到的技術(shù)難點，本文采用創(chuàng)新技術(shù)和方法進(jìn)行難點攻關(guān)并解決了實際問題。

3.1 全三維系統(tǒng)設(shè)計的運用

該雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)具有復(fù)雜程度高、運行速度快和設(shè)備造價高等特點，不容許失誤和報廢件的存在，而且次級減速箱的流體配管不得在轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)時與相關(guān)固定件產(chǎn)生干涉。因此依托INVENTOR平臺對該雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)進(jìn)行全三維系統(tǒng)設(shè)計。

3.2 脹縮缸內(nèi)置式高剛度卷筒

卷筒是卷取機(jī)的核心零部件，卷筒的剛性和跳動直接決定著產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。該卷筒軸采用矩形斷面結(jié)構(gòu)以提高卷筒的剛性和承載能力。卷筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。卷筒的漲縮由卷筒尾部的漲縮缸推動長拉桿以帶動楔塊來實現(xiàn)扇形板的脹縮。為了充分利用空間和壓縮成本，卷筒的脹縮缸集成在卷筒中空軸上，脹縮缸的活塞桿改即為長拉桿。

圖2 卷筒裝配示意圖

進(jìn)口的此類卷取機(jī)的活塞桿采用V形組合密封，此種密封在使用數(shù)年后需定期拆開脹縮缸并旋緊緊定螺釘以保證密封的可靠性。而且原有脹縮缸的活塞采用兩個U形圈，此種密封結(jié)構(gòu)極易造成U形圈間的閉油，進(jìn)而造成脹縮缸的爬行和振動。

本文卷筒在活塞和長拉桿部位均采用格萊圈加導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)，此改進(jìn)實現(xiàn)了脹縮缸的免維護(hù)并極大提高了脹縮缸的運動特性。本次脹縮缸的密封改進(jìn)如圖3所示。

圖3 內(nèi)置式脹縮缸裝配示意圖

3.3 雙卷筒獨立驅(qū)動技術(shù)

雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)的典型特征和最大難點是兩個卷筒獨立傳動并輪換使用以保證連軋生產(chǎn)的連續(xù)性。雙卷筒獨立驅(qū)動的基本原理如圖4所示。兩個電機(jī)經(jīng)初級減速機(jī)分別驅(qū)動其內(nèi)軸和外軸。內(nèi)軸通過花鍵副I和齒輪副II傳動1#卷筒，外軸經(jīng)花鍵副II和齒輪副I傳動2#卷筒。電機(jī)傳動卷筒分三級減速來實現(xiàn)。前兩級在初級減速箱中，后一級在次級減速箱內(nèi)。

圖4 雙卷筒獨立驅(qū)動原理圖

3.4 大型回轉(zhuǎn)件的流體設(shè)計

雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)的次級減速箱(重達(dá)53 t，最大回轉(zhuǎn)直徑3 840 mm)在工作過程中會隨回轉(zhuǎn)支撐的電機(jī)轉(zhuǎn)動而繞中空軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，次級減速箱上安裝的卷筒既要繞自身軸線做高速自轉(zhuǎn)(Max.800 r/min)又要相對次級減速箱軸線做公轉(zhuǎn)。如此復(fù)雜的大型機(jī)構(gòu)，既要滿足運動學(xué)要求又要實現(xiàn)各潤滑點的充分潤滑和卷筒脹縮。經(jīng)分析論證，該雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)采用流體傳送方式。

初級減速箱的潤滑與傳統(tǒng)減速箱的潤滑相似，本文不再贅述。次級減速箱潤滑油和卷筒漲縮的壓力油及其泄油等均通過內(nèi)軸內(nèi)部的芯軸傳送到操作側(cè)分油法蘭。分油法蘭的壓力油及泄油與卷筒端部的三通道回轉(zhuǎn)接頭相連接以實現(xiàn)卷筒的脹縮。分油法蘭的潤滑油先傳送到次級減速箱底部的潤滑橫梁上再分配到十個相應(yīng)的潤滑點上，如圖5所示。芯軸與油站管路的連接是通過傳動側(cè)六通道主回轉(zhuǎn)接頭來實現(xiàn)的。

圖5 次級減速箱潤滑原理圖

由于次級減速箱箱體上多達(dá)十個潤滑點，而且分布在不同的側(cè)面上，箱體轉(zhuǎn)動時配管難免與其他零部件產(chǎn)生干涉和影響。本文利用INVENTOR的三維配管技術(shù)很好地解決了零件干涉問題，如圖6 所示。INVENTOR的三維配管模塊中默認(rèn)的并非國標(biāo)管接頭，運用先進(jìn)的iPART技術(shù)以實現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計——設(shè)定主參數(shù)后將國標(biāo)系列化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL中便可一次生成全系列的同類型管接頭(可利用工具將國標(biāo)的pdf數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入到所需的EXCEL中)。該技術(shù)極大地提高了產(chǎn)品研發(fā)效率并可推廣到其他產(chǎn)品庫的開發(fā)中。

圖6 次級減速箱三維配管圖

4 結(jié)語

目前江蘇陽光1 250 mm全連續(xù)冷軋機(jī)組運行良好，雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)性能穩(wěn)定，產(chǎn)品精度和質(zhì)量達(dá)到考核指標(biāo)并深得用戶贊譽(yù)。中重院成功研發(fā)的雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)彌補(bǔ)了多項國內(nèi)技術(shù)空白，目前正積極開發(fā)1780寬幅雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)和950窄幅小中心距雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)以滿足不同用戶的需求，雙卷筒回轉(zhuǎn)式卷取機(jī)正逐漸系列化。