冷態(tài)厚板帶卷取機卷筒鉗口結構設計選型①

徐　俊

(常州寶菱重工機械有限公司， 江蘇 常州　213019)

引　言

卷取機作為冷態(tài)板帶成卷設備，廣泛應用于冷(熱)軋酸洗、軋機、連退、平整、精整等機組中。由于冷態(tài)板帶卷取具有張力大、速度高、卷取質量好等工藝要求，冷態(tài)板帶生產過程中所使用的卷取機絕大多數(shù)采用卷筒式卷取機。卷筒作為卷取機的核心零部件，其產品質量決定了卷取機的適用范圍、使用壽命、軋制工藝設備運行的穩(wěn)定性。

冷帶鋼卷取過程中，卷取厚度小于3 mm的帶鋼時，廣泛采用助卷器等輔助設備進行帶頭卷取，形成初始卷取張力；而卷取厚度3 mm以上的帶鋼，一般在卷筒上設置鉗口裝置進行帶頭卷取，形成較大的張力。帶鉗口卷筒的卷取機一般應用于酸洗、可逆軋機、平整機組、軋前準備機組中。根據(jù)帶厚及生產工藝的特點，鉗口結構也各不相同。

隨著國民經濟的大力發(fā)展，一些新型材料、特殊厚度的冷態(tài)板帶材也得到廣泛應用，如7～8 mm厚的高強鋼板帶，8～12 mm厚的不銹鋼帶等。對于這些厚板帶的卷取，需應用適應大張力、高速、高剛性的卷筒，而設計合理、使用方便可靠的鉗口裝置是此類卷筒設計的重要內容。

1　鉗口結構分析

鉗口裝置結構較多，一般分為固定鉗口和活動鉗口兩種類型，常用的多為活動鉗口。

1)厚板卷取時，要使板帶頭彎曲并緊貼在卷筒上，則鉗口需產生較大的夾緊力，夾緊帶頭；鉗口夾緊帶頭后，電機旋轉出力，在扭矩的作用下產生較大的初始張力。而固定鉗口則無法提供夾緊力，也就不能形成初始張力。因此，固定鉗口較少使用，只在某些特定場合使用。固定鉗口裝置結構簡單，只在扇形板上加工出鉗口槽即可，如圖1所示。工作時，厚帶頭插入鉗口槽中，電機緩慢轉動彎曲帶鋼貼合在卷筒上(有時需人工干預)進行卷取。生產不銹鋼機組中，也會用到一種帶鉗口槽的厚套筒卷取不銹鋼帶。鉗口槽設計時，需根據(jù)帶鋼厚度及帶鋼特性，選取合適的槽口深度和厚度。槽口一般較深，可達40 mm以上。

1.拉桿；2.芯軸；3.棱錐套；4.扇形板；5.閉合條；6.鉗口扇形板圖1　固定鉗口結構圖

2)活動鉗口則使用較廣泛，結構類型多。一般適用于厚板帶卷取的鉗口裝置可分為液壓式、機械式結構，如圖2～8所示。

圖2為一種液壓擺式鉗口結構。鉗口活塞推動擺動鉗口板壓著帶頭靠近固定鉗口板，在鉗口壓板和滾珠的作用下，擺動鉗口板擺動壓緊帶頭，形成初始張力；卸卷時，液壓鉗口回油，擺動鉗口板由鉗口壓板處的彈簧復位。由于是液壓活塞直接驅動，該鉗口能產生較大的張力，而且鉗口開度大，適合厚板帶的卷取機。該結構卷筒常用于不銹鋼熱酸機組中，可卷取12mm厚的不銹鋼帶。但是，該卷筒為弓形塊擺動結構，卷筒外圓不能整體脹縮，造成卷筒卸卷困難，卷筒固定表面磨損大。另外，液壓鉗口對制造精度要求高，使用過程中會產生漏油現(xiàn)象，需經常更換密封。因此，新設計的卷筒不推薦采用此種結構。

1.芯軸；2.弓形塊；3.閉合塊；4.弓形塊彈簧；5.固定鉗口板；6.鉗口活塞；7.擺動鉗口板；8.滾珠；9.鉗口壓板(彈簧)圖2　液壓擺式鉗口結構圖

1.棱錐軸；2.扇形板；3.鉗口扇形板；4.鉗口壓板；5.鉗口板；6.固定鉗口板；7.鍵塊圖3　徑向液壓鉗口結構圖

圖3為一種徑向液壓鉗口四棱錐類型卷筒，其強度、剛性好，能滿足可逆冷軋機組卷取機使用要求。徑向液壓鉗口能提供較大的夾緊力，較容易地夾緊帶頭，確保順利卷取，卷形好，特別適合不銹鋼、硅鋼等需大張力卷取的使用場合。工作時，液壓活塞推動鉗口板壓緊帶頭；卸卷時，液壓回油，彈簧復位鉗口板。卷取厚板帶時，由于張力大，磨損較嚴重，設計時需考慮鉗口板、壓板及固定鉗口板的材料、結構及表面硬度，提高其剛性及耐磨性。卷筒使用時，需注意鉗口液壓活塞漏油情況。

在不銹鋼、硅鋼生產機組中，還經常用到一種徑向機械鉗口四棱錐卷筒，如圖4所示。鉗口液壓缸推動鉗口拉桿軸向移動，通過鉗口拉桿與鉗口斜楔、斜楔與鉗口板頂柱間的斜面運動，實現(xiàn)鉗口板的徑向運動，從而將帶頭夾緊在固定鉗口板和鉗口壓板處。鉗口液壓缸回拉時，鉗口彈簧復位，鉗口松開。該卷筒鉗口結構復雜，制造裝配精度要求高，成本較高，但同時避免了上述液壓鉗口漏油的現(xiàn)象。設計時也應考慮鉗口整體的剛性、強度及耐磨性。

圖3,4所示的鉗口可實現(xiàn)8～10 mm的厚帶卷取，而且卷筒能整體脹縮，利于卸卷。

1.棱錐軸；2.鉗口拉桿；3.鉗口斜楔；4.鉗口板頂柱；5.鉗口彈簧；6.外支撐頭；7.扇形板；8.鉗口扇形板；9.固定鉗口板；10.鉗口板；11.鉗口壓板；12.鍵塊圖4　徑向機械鉗口結構圖

圖5所示為一種擺式機械鉗口結構。在卷筒脹開的過程中，頂板推動擺動鉗口板和鉗口壓板繞鉗口轉軸反向旋轉，壓緊帶頭。卷筒收縮時，擺動鉗口板和鉗口壓板在鉗口彈簧的作用下復位，松開帶頭。該鉗口可通過更換鉗口條的方式，實現(xiàn)較薄帶或厚帶的鉗口夾緊卷取。該鉗口可卷取12 mm及以上的厚帶。

1.芯軸；2.拉桿；3.扇形板彈簧；4.外支撐頭；5.扇形板；6.擺動鉗口板；7.鉗口彈簧；8.擺動鉗口壓板；9.鉗口轉軸；10.斜楔；11.頂板圖5　擺式機械鉗口四斜楔卷筒結構圖

相對于擺式機械鉗口，圖6所示的斜楔閉合式鉗口結構更為簡單，通過斜楔的移動和彈簧的拉壓，卷筒脹縮和鉗口松夾同時動作。該類型卷筒還可設計為對稱鉗口，實現(xiàn)上、下卷取的功能。該類型卷筒結構簡單，制造成本相對較低。這種鉗口能產生較大的夾緊力，滿足6～8 mm厚帶的卷取，在酸洗機組中廣泛應用。

圖7所示為一種斜楔式鉗口結構。鉗口斜楔塊推動閉合斜楔將帶頭壓向鉗口條，并壓緊。卷筒扇形板的脹縮由旋轉油缸推動斜楔塊實現(xiàn)，鉗口的夾緊由鉗口液壓缸推動鉗口斜楔塊實現(xiàn)。這兩種動作分別獨立控制，可在卷筒脹開過程中夾緊帶頭。該鉗口結構簡單，但鉗口整體剛性較差。為防止帶頭插入鉗口太深而無法卸卷，需在扇形板上設置擋帶頭裝置。這種鉗口能滿足12 mm厚帶的卷取，多應用于酸洗機組中。

圖8所示為一種扭桿彈簧式鉗口結構。卷筒脹縮過程中，鉗口在鉗口斜楔的移動下松、夾帶頭。鉗口夾住帶頭后，扭桿彈簧預緊力協(xié)助鉗口條反向擺動夾緊帶頭。卷筒收縮時，鉗口在彈簧的作用下復位。

1.芯軸；2.扇形板；3.導柱；4.閉合條；5.斜楔；6.彈簧；7.鉗口塊；8.鉗口彈簧；9.鉗口條；10.扭桿彈簧；11.鉗口斜楔圖8　扭桿彈簧式鉗口結構圖

厚帶卷取時，由于卷筒鉗口結構及帶鋼材料的影響，帶鋼在卷筒鉗口折彎處并不能貼合在卷筒上，而會形成一個凸包，隨著鋼卷的增大，凸包也會更明顯。這就造成了鋼卷的偏心，影響卷取質量和卸卷。扭桿彈簧式鉗口通過扭桿的扭動和鉗口條的擺動，壓緊厚帶帶頭，使帶頭折彎處也能貼合在卷筒表面，避免凸包出現(xiàn)，減少鋼卷偏心影響。這對于厚帶卷取是非常有利的。

扭桿彈簧式鉗口卷取帶鋼厚帶范圍大，能滿足12 mm厚板帶的卷取。綜合考慮該鉗口的優(yōu)點、制造成本等，設計厚板卷取鉗口時可優(yōu)先考慮。

2　設計計算

2.1　鉗口夾緊力

板帶卷取過程中，鉗口的夾緊力一般是根據(jù)板帶彎曲條件確定的。只有當初始張力大于板帶彎曲張力，才能保證帶材貼合在卷筒上。在帶材彎曲塑性變形的假設條件下，板帶彎曲張力按下式計算

(1)

式中Tb為帶材彎曲張力(N)；b為板帶寬度(mm)；h為板帶厚度(mm)；D為卷筒直徑(mm)；σs為板帶屈服極限(MPa)。

卷取初始張力必須滿足

Ts≥Tb

(2)

式中Ts為卷取初始張力(N)。

卷取初始張力由鉗口摩擦力產生，由鉗口夾緊力和摩擦系數(shù)決定

Ts=fQ

(3)

根據(jù)式(1),(2)和(3)，可得鉗口夾緊力計算式

(4)

式中Q為鉗口夾緊力(N)；f為帶鋼與鉗口接觸摩擦系數(shù)，對于帶齒的鉗口，f一般取值0.5～0.8。

若以鉗口夾緊彎曲力矩為計算條件，則鉗口夾緊彎曲力矩必須大于帶頭折彎處斷面彎曲力矩，此時鉗口夾緊力為

(5)

式中L為鉗口夾緊力作用點到折彎點的距離(mm)，根據(jù)卷取時帶頭實際彎曲情況取值。

鉗口設計時，應按式(4)計算，并按式(5)校核鉗口夾緊力。

2.2　鉗口運動幾何位置

有些鉗口結構較復雜，與扇形板之間也有聯(lián)動關系，在設計時，需考慮兩者之間的運動聯(lián)系，以優(yōu)化相關結構。

以圖8所示扭桿彈簧式鉗口為例，簡要分析計算鉗口與扇形板之間的運動關系。鉗口條在斜楔的推動下脹開扇形板，同時鉗口斜楔推動鉗口塊脹開扇形板并夾緊帶頭。斜楔和鉗口斜楔由旋轉油缸同時推動動作，因此這兩者之間的斜楔角度必須匹配。設計時，應優(yōu)化兩斜楔角度，既能使鉗口產生較大夾緊力，也能保證扇形板運行順暢，并保證真圓狀態(tài)工作。扭桿彈簧結構鉗口運動位置簡圖如圖9所示。

圖中，a，b，c為閉合條4、鉗口塊7、扇形板2的運動位移。由此可得相互間的位置關系：

(6)

(7)

而a=s·tanφ1c=s·tanφ2

(8)

圖9　扭桿彈簧式鉗口運動位置示意圖

式中s為旋轉油缸行程(mm)；φ1，φ2分別為斜楔和鉗口斜楔的斜角。

根據(jù)式(7)和式(8)即可得到兩斜角間的關系。設計時，可按此幾何關系選取合適的斜角和旋轉油缸行程。其它結構的鉗口也可做類似分析。

3　結束語

卷取機卷筒鉗口裝置結構類型較多，而適合冷態(tài)厚板帶卷取的鉗口結構則相對較少。設計時，要結合鉗口結構的特點及使用情況，進行充分地計算、校核，選擇一種合適的鉗口結構。從目前掌握的使用情況來看，圖8所示的扭桿彈簧式鉗口不失為一種較理想的冷態(tài)厚板帶卷取鉗口結構。但是在設計選型時，還是需根據(jù)用戶的現(xiàn)場實際情況和加工制造、維護成本等多方面考慮。

參考文獻：

[1]周國盈.帶鋼卷取設備[M].第一版，北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[2]于濤，宋智良.冷軋卷取機扭桿彈簧式鉗口結構及參數(shù)確定[J].一重技術，2014，(1)：1—5.