第2期(总第159期)
2010年4月机械工程与自动化
M ECHAN IC AL EN GIN EERIN G & A U TO M A T IO N N o.2
Apr.
文章编号:1672-6413(2010)02-0111-03
谢 磊，祁文君，牟艳秋，那洪志
(新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830008)
摘要：从某冷轧机厂的酸洗生产线出发，详细阐述了现代卷取机的设计原理，并分析了两种卷筒结构：四棱锥式和扩张锥式。对这两种卷筒结构进行了详细的比较分析，最终选取了符合实际生产的结构。关键词：卷取机；卷筒；四棱锥；扩张锥中图分类号: 防喷网T G 333.2+4 文献标识码:
A
收稿日期:
2009-05-31；修回日期:
2009-10-18
作者简介：谢磊(1982-)，男，新疆克拉玛依人，在读硕士研究生。
0 引言
近年来，我国钢铁产量正以每年递增20%～30%的速度向前发展，连续几年排名世界第一[1]。本文以某冷轧机厂酸洗线卷取机的设计过程为例，对卷筒的结构进行了详细的分析，将目前主要应用的两种结构进行对比，选择了最为适合生产工艺要求的结构。酸洗线的工作原理是：热轧卷料(原料)由开卷机开卷，在酸洗槽中除去氧化铁皮，然后经水洗、钝化、烘干，进入张力装置，最后经卷取设备将带钢卷取成料盘。卷取机是酸洗线及冷轧机组中重要的组成设备，它主要负责将酸洗后或冷轧后的带钢卷成卷料以方便运输以及后续加工。由于冷轧工艺要求原料(坯料)质量高，尤其带卷不能有塔形及松卷，这就要求酸洗不仅要彻底，同时设计卷筒时必须考虑足够的张力。1 卷取机的组成及工作原理
卷取机主要由卷筒、涨缩油缸、回转接头及传动系统组成。传动系统由电机、制动器、联轴器和减速机等构成。卷筒的涨缩一般是通过液压控制卷筒尾部的涨缩油缸来实现，而卷筒的旋转运动则由电机通过联轴器、减速机带动卷筒转动来实现。卷筒旋转将酸洗后的带钢卷成卷料，利用卷筒的涨缩把卷料卸下，从而实现卷取机的卷取和卸卷工作。2 卷取机的卷筒结构 卷筒是卷取机的重要组成部分，一般有以下几种结构形式：实心卷筒式、链板式、弓形块径向液压钳口闭式、扇形块四棱锥式和扩张锥式、扇形块八棱锥等等。现阶段在冷轧机组主要应用有两种，扩张锥式和四棱锥式。
(1)实心卷筒式：结构简单，强度刚度高，无钳口。缺点：不便于卸卷，轧制张力过大易产生塑性变形。近年被可控涨缩卷筒取代，现常采用转盘式双卷筒结构。
(2)链板式：结构较复杂，刚性差、制造困难，一般用于张力不大于20kN ～50kN 的卷取机。
(3)弓形块径向液压钳口闭式：卷筒结构紧凑，实际使用情况良好。缺点：结构上不对称，高速卷取时动平衡性差，卷筒不圆柱度带来张力波动。要求径向柱塞密封设计和加工精度较高，易漏油，影响带钢表面质量。
(4)扇形块八棱锥闭式：卷筒封闭，电机通过装有快速拆装齿轮套的齿形联轴节直接拖动。卷筒的涨缩
不是采用旋转液压缸和输油接头，而是通过液压缸驱动杠杆、带动凸轮拨叉、驱动连杆机构以及收缩用的三组弹簧完成。
(5)四棱锥式：其主要零件为棱锥轴和扇形板，工作时通过涨缩油缸的拉动使棱锥轴前后运动，利用棱锥轴和扇形板的斜面互相配合以达到涨和缩的目的。这种结构形式有以下几个优点：棱锥轴为整体铸件(或锻件)，其刚性比较大，可以承受较大的张力和重力；结构简单，其头部容易连接活动支撑；润滑方便，配合面防尘效果好。但是四棱锥也有其缺点：由于棱锥轴为整体，这就注定了其制造成本高，加工难度大；棱锥轴和扇形板之间的配合面的斜度不能太大，如果斜度太大会导致涨缩油缸行程也随之增加。
(6)扩张锥式：其主要零件为锥套、拉杆、空心轴和扇形板，涨缩油缸拉动拉杆前后运动，拉杆带动
锥套来实现涨缩。虽然结构看似复杂，但其制造成本很低，加工简单，被称为假四棱锥。这种结构不易接出活动支撑，一般卷取时卷筒都处于悬臂状态，所以这种形式不能承受太大的张力和重力。扩张锥的配合斜面角度比四棱锥式的大，油缸行程短，涨缩范围大。所以在卷重中等、张力不大的情况下，很多企业都采取这种结构形式。
为了适应现代经济的发展，工厂一般都会在生产工艺允许的情况下选取投入成本低、加工周期短的结构设备，扩张锥式便成为了首选，其结构如图1所示
。
1—连接板;2—拉杆;3—导向键;4—螺栓;5—梯形键;6—滑套;7—滑块;8—扩张锥;9—键;10—扇形板
图1 扩张锥卷筒结构示意图
3 卷取机的运行特点和主要参数计算
3.1 卷取机的运行特点
卷取机在每次卷取时，先以低速在卷筒上卷取3
圈～5圈，然后建张并加速，达到机组正常的运行速
度。由于带卷越卷越大，线速度也就越来越高，这样
为了保持匀速和恒定的张力，就要使电机逐渐减速，当
带卷直径达到要求时，减速停车，并卸卷。
3.2 卷取张力的计算
带钢卷取时，卷取张力值的大小由卷取机工作状
态和产品规格来确定。卷取张力T(N)的计算公式为:
T=qbh。(1)
……………………………………
式中:q——单位张应力,M Pa;
盾构机过站
b——带钢宽度,mm;
h——带钢厚度,mm。
对于冷轧带钢，单位张应力q根据带钢屈服极限e s
和带钢厚度按表1选取[2]。对于连续机组，单位张应力
q值可按表2选取[3]。
表1 冷轧带钢的单位张应力q值
带钢厚度h
mm
0.3～11～22～4
单位张力q
M Pa
(0.5～0.8)e s(0.2～0.5)e s(0.1～0.2)e s
表2 连续机组采用的单位张应力q值
机组q(M Pa)机组q(M Pa)
酸洗机组(0.03～0.05)e s准备机组(0.03～0.05)e s
退火机组(0.03～0.06)e s张力矫直机组(0.06～0.15)e s
此次设计的卷取机虽然用于酸洗机组，但是经过
我们对生产工艺的分析,液压缸位移传感器
卷取机在卷取带钢时并不是
处在连续机组当中，为了将3m m厚、920mm宽的带钢
卷齐应该按表1的q值进行选取。它所需的卷取张力
为:
T=qbh=97290N=97.29kN。
为了方便设计计算并保证足够的张力，取T=
100kN。
此时单悬臂的卷筒已经不能满足生产的要求，为
了使卷筒能够承受如此大的张力，我们在扩张锥卷筒
的前端接出了锥头，让卷筒在工作时能承受更大的张
烧结线力，如图2所示。
1—锥头装置;2—轴头;3—连接螺栓;4—螺栓
图2 锥头连接图
尽管前端接出了锥头，但是由于带卷比较宽，所
需的张力又相对比较大，这时如图2卷筒所承受的张
力就集中到轴头2的止口和连接螺栓3以及螺栓4上,
锥头势必会造成颤动，这样带钢就卷不齐。一旦过扭
矩或疲劳，螺栓会受剪切力而断掉。为了避免不必要
的损失和减少维修费用，只有将卷筒的结构改成四棱
锥式，如图3所示。
从以上的分析可知：四棱锥式的卷筒其主轴是整
体的，可以承受较大的张力和重力，和扩张锥结构相·
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· 机械工程与自动化 2010年第2期
比，它具有简单的结构。同时生产中我们在四棱锥的
前端同样也加了锥头装置，就更提高了四棱锥卷筒的
可靠性
。
1—透盖;2—压板;3—螺钉;4—锥套;5—轴承;6—透盖;7—钳口扇形板;8—棱锥轴;9—空心轴
图3 四棱锥卷筒结构示意图
3.3 卷筒直径的确定
卷筒直径的选择一般应考虑到带钢在卷筒上弹塑性弯曲程度、卷筒强度及带卷塌卷等问题。塌卷现象
与带卷内切向应力e t 、卷筒直径等有关。可根据卷重Q 、
带卷宽度b 和e 值(带卷中心到卷筒轴的危险断面的距离)来选取卷筒直径。目前卷取机卷筒直径已标准化，常用直径为468mm 、508mm 、610mm 和760mm [4]。3.4 减速比的确定方法
确定减速比的重要原则是使卷取机的调速范围尽可能位于传动电机的恒功率调速区域内或覆盖整个电
机的恒功率调速区。减速比过大，即使电机达到最高转速，设备也不可能达到机组要求；而减速比过小，又会使卷取机调速区偏离电机恒功率区，造成转矩不够，电机无法启动或转不动。因此，最佳的减速比应该由电机的最高允许工作转速和卷筒实际最高工作转速来确定，并且能达到设备传动所需的扭矩[5]。4 结论
我们在选取酸洗线卷取机卷筒的时候，最初的卷筒结构选定为扩张锥式，为了能承受更大的卷重和张力，在卷取头部接出了锥头，用来连接活动支撑。尽管提高了其强度和刚性，但是依旧不能满足实际生产
中的需要。因此把卷筒的结构改为四棱锥式。
这种结构提高了卷取机工作时卷筒的强度[6]，提高了卷取机的可靠性，降低了钢卷塔形出现的频率，提高了带钢卷取质量，由于卷筒刚性和强度高，配合机组前的张力机可以实现100kN 左右的张力，为下道工序冷轧做好了准备。另外基本上消除了潜在的设备事故隐患，确保了设备运行安全，提高了机组生产效率和生产稳定性。
参考文献:
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磁性定位器[2] 黄焕，江李轲.张力卷取机的设计要点浅析[J ].钢铁技
术,2006(3):25-28.
[3] 赵家骏，魏立.冷轧带钢生产问答[M ].第2版.北京：冶金工业出版社,2005.
[4] 吴永杰.卷取机传动功率的计算及动态因素对张力控制
的影响[J].天津冶金,2005(2):25-26.
[5] 潘仲.高速冷连轧机组卷取机电机功率和减速比的确定
[J ].宝钢技术,2007(3):74-75.[6] 侯俊山.钢板卷取机卷塔形的原因分析及其对策[J].山
西机械,2000(4):56-57.
Design Principles of the Coiler Mandrel
带灯放大镜XIE Lei ,QI Wen -jun ,MU Yan -qiu ,NA Hong -zh i
(Sch ool of M echanical Engin eering ,Xinj iang Univ ersity ,Urumqi 830008,Ch ina )
Abstract :This paper int roduced the w o rking principle o f the co iler firstly,and ana ly sed two st ructures o f coiler mandr el :r ec ta ng ula r pyr amid and spr eade r co ne.The n it compar ed th e adv antag es a nd disadv antag es o f the two kinds of structures,and selected the
str uctur e of r ectang ula r pyr amid fo r coiler mandr el in th e pickling line o f a co ld r olling pla nt b
y a na ly sis a nd calcula tio n .Key words
:coiler ;coiler mandr el ;rectangular py ramid ;spreader co ne ·
113· 2010年第2期 谢磊，等：卷取机卷筒的设计分析
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