連桿柱塞式熱軋卷筒脹縮與緩沖原理分析及設(shè)計(jì)

胡世標(biāo) 徐天佑

（1.湖南科美達(dá)重工有限公司，湖南岳陽 414000；2.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，湖南岳陽 414000）

0.引言

熱軋卷取機(jī)是熱連軋或連鑄連軋的帶材卷取設(shè)備[1]，一般卷取溫度在550℃～850℃[2]。卷取機(jī)應(yīng)有良好的性能，穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)，以減輕卷取開始時(shí)帶頭對(duì)助卷輥與卷筒的碰撞沖擊，從而減少維護(hù)工作量，延長(zhǎng)卷筒使用壽命，提高成材率，防止帶鋼損傷，包括帶頭沖撞壓痕和層間滑動(dòng)劃傷等。

1.卷筒的脹縮與緩沖原理

連桿柱塞式熱軋卷筒主要由空心軸、扇形板、芯軸、連桿、柱塞等組成[3]，如圖1所示。卷筒傳動(dòng)側(cè)的脹縮油缸在液壓系統(tǒng)作用下往傳動(dòng)側(cè)拉動(dòng)芯軸，芯軸上的四棱錐面推動(dòng)柱塞沿空心軸軸向布置的三組的柱塞孔向外頂開扇形板，實(shí)現(xiàn)卷筒張大，脹縮液壓缸將芯軸推向操作側(cè)時(shí)，帶動(dòng)連桿拉著扇形板向卷筒中心收縮，實(shí)現(xiàn)卷筒縮小[3]。

圖1 連桿柱塞式熱軋卷筒結(jié)構(gòu)形式

為了保證扇形板，柱塞和芯軸表面之間能夠貼緊，在柱塞中裝有圓柱彈簧，在任一自由狀態(tài)下，扇形板與柱塞并不直接接觸，而是有0.5mm～3mm的間隙，這樣有效減少了帶頭的沖擊。在任一自由狀態(tài)下，連桿都拉住扇形板，使得連桿的運(yùn)動(dòng)與斜面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間不會(huì)產(chǎn)生干涉。

2.卷筒脹縮核心零件的設(shè)計(jì)

柱塞裝配體內(nèi)部有圓柱彈簧5，如圖2所示，自由狀態(tài)下，彈簧上座2的B面對(duì)扇形板有一個(gè)向外的推力，彈簧上座2與彈簧下座3通過螺釘4連接，彈簧上座的最大行程為5mm[4]；連桿上與芯軸連接處的孔為圓孔，與扇形板連接處的孔為腰形孔。

在圖1中以芯軸為參照物，假定芯軸靜止，卷筒脹縮時(shí)，與連桿連接的銷軸7繞銷軸8作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銷軸7行走軌跡為弧線，柱塞在芯軸的楔形面上往返移動(dòng)，柱塞行走軌跡為直線，兩個(gè)零件運(yùn)動(dòng)不同步。扇形板下平面與柱塞之間（圖2中A面）會(huì)產(chǎn)生間隙，且間隙量會(huì)隨著連桿的擺動(dòng)角度而變化，而柱塞中配置的圓柱彈簧可以彌補(bǔ)它們之間的間隙。彈簧在間隙變大而伸長(zhǎng)時(shí)，彈簧力會(huì)減小，故超出彈簧上座允許的伸出量時(shí)，扇形板和彈簧上座之間會(huì)產(chǎn)生間隙，此時(shí)會(huì)影響卷筒的正常使用，所以要求柱塞和扇形板之間的最大間隙盡量小。

圖2 柱塞裝配體結(jié)構(gòu)形式

圖3 連桿運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

由于扇形板和柱塞只作徑向運(yùn)動(dòng)，沒有軸向位移，故我們假定芯軸靜止，此時(shí)扇形板和柱塞相對(duì)芯軸產(chǎn)生水平位移，它們的位移量會(huì)始終一致，對(duì)于柱塞的相對(duì)于芯軸的任一位移X1（圖4中所示），直線段GF值即為該位置的扇形板和柱塞的間隙，也就相當(dāng)于芯軸軸向行程為X1時(shí)的扇形板和柱塞的間隙值。

圖4 連桿柱塞運(yùn)動(dòng)軌跡放大圖

當(dāng)連桿中心線與AB連線夾角成90°時(shí)，柱塞和扇形板之間的間隙值最大，其值即為圖4中線段DE的長(zhǎng)度。圖4中的數(shù)據(jù)為某國(guó)際公司設(shè)計(jì)的連桿與柱塞運(yùn)動(dòng)的情形圖，從圖中可看出，卷筒芯軸的軸向行程為53.9mm，卷筒漲縮范圍φ727mm～φ762mm，扇形板徑向脹縮量為17.5mm，連桿的長(zhǎng)度兩銷孔中心距為192.15mm[4]（腰形孔以外圓弧中心考慮，以下簡(jiǎn)稱連桿孔長(zhǎng)度）。扇形板與柱塞之間的最大間隙值為2.21mm加上初始間隙0.5mm，即2.71mm。彈簧設(shè)計(jì)最大伸縮量（圖2）為5mm，保證了卷筒在自由脹縮過程中始終有預(yù)壓力存在。

假定卷筒預(yù)脹工作直徑為745 mm，此時(shí)自然狀態(tài)卷筒的單邊脹縮量為9mm（如圖4所示），間隙為2.13+0.5（初始間隙）=2.63mm，卷筒在卷取帶鋼時(shí)，帶鋼張力對(duì)扇形板產(chǎn)生的徑向壓力會(huì)消除扇形板和柱塞之間的間隙，即卷筒外徑變?yōu)?45-2.63×2=739.74mm，卷筒收縮量為5.26mm。

3.卷筒緩沖核心零件的計(jì)算

連桿柱塞式熱軋卷筒主要是通過柱塞與芯軸配合斜面來承受卷取鋼帶的徑向壓力，柱塞內(nèi)置圓柱彈簧的作用主要是為緩沖帶頭對(duì)扇形板的沖擊，使卷筒脹縮平穩(wěn)，延長(zhǎng)柱塞和扇形板的使用壽命。

當(dāng)卷筒空載預(yù)脹大至最大直徑時(shí)，扇形板未受徑向壓力，柱塞與扇形板間的初始間隙約為0.5mm。負(fù)載后，因每塊扇形板承受的徑向壓力遠(yuǎn)大于3組彈簧組的彈力，柱塞與扇形板間的間隙將被消除。徑向壓力由柱塞傳至芯軸，最終由脹縮油缸所產(chǎn)生的軸向力來承擔(dān)。

扇形板與柱塞間的間隙在卷筒工作時(shí)總是變化的，并且直接影響彈簧的壓縮量。彈簧在工作行程的彈力大小，會(huì)影響卷筒工作時(shí)扇形板與柱塞間緩沖效果，彈簧的彈力不足會(huì)加大扇形板對(duì)柱塞的沖擊，降低卷筒的使用壽命。因此，彈簧是否滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)系著卷筒的正常使用。

以1780熱連軋機(jī)組為例，對(duì)連桿柱塞式熱軋卷筒的柱塞內(nèi)置圓柱彈簧進(jìn)行理論核算。每塊扇形板重量為650kg，1780熱軋卷筒布置三組柱塞裝配體，也就是每塊扇形板由三個(gè)彈簧承受載荷。彈簧的最小工作載荷下的高度和最大工作載荷下的高度必須滿足扇形板的結(jié)構(gòu)要求，同時(shí)要求最小工作載荷P1至少大于每塊扇形板重量的1/3。

圓柱彈簧根據(jù)卷筒結(jié)構(gòu)選定規(guī)格為：鋼絲直徑d=14mm；彈簧中徑D=70mm；彈簧自由高度H0=88.5mm。

式中：R—彈簧剛度，N/mm；

G—彈簧材料剪切彈性模量，MPa；

D—彈簧中徑，mm；

D—彈簧絲直徑，mm；

N—彈簧有效圈數(shù)。

其中：彈簧材料選取高溫彈簧鋼，G=79000MPa[5]。

彈簧中徑D=70mm；

彈簧絲直徑d=14mm ；

彈簧有效圈數(shù)n=2.7。

代入公式（1）得出：彈簧剛度接近R≈410N/mm。

式中：R—彈簧剛度，N/mm，

F—彈簧變形量，mm，

P—彈簧負(fù)荷，N。

其中：最小變形量F1=88-77.8=10.2mm；最大變形量Fn=88-72.8=15.2mm。

根據(jù)公式（2）計(jì)算得出的：

圓柱彈簧最小變形下最小負(fù)荷P1≈4200N；

圓柱彈簧最大變形下最大負(fù)荷Pn≈6200N。

圓柱彈簧最小變形下最小負(fù)荷P1約4200N＞每塊扇形板的重量6500/3≈2167N，滿足設(shè)計(jì)要求。

上述計(jì)算結(jié)果如圖5所示，基本滿足某國(guó)際公司原彈簧設(shè)計(jì)要求。

圖5 所選圓柱彈簧結(jié)構(gòu)及參數(shù)

4.結(jié)語

熱軋卷筒是熱連軋或連鑄連軋生產(chǎn)線的核心設(shè)備，直接關(guān)系著整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，只有正常理解和熟悉其工作原理，才能在制造、修復(fù)、維護(hù)中有的放矢，精準(zhǔn)到位，確保設(shè)備正常運(yùn)行，滿足生產(chǎn)工藝要求。