冷连轧开卷机设计

2011-11-18刘银娟王大号闫成琨

重型机械 2011年4期

刘银娟，王大号，陈玺，尤磊，谢磊，闫成琨

(中国重型机械研究院有限公司，陕西西安 710032)

1 前言

开卷机是钢板(带)冷轧机组或冷加工生产线上的辅助设备之一，其作用是开卷并建立后张力，在机组运行过程中使钢带宽度方向中心对准机组中心线。开卷机按支承钢卷的方式分为悬臂式、双锥头式和双圆柱头式三种。本文以自主开发的五机架全连续冷连轧机组的悬臂式开卷机为例，阐述其主要技术参数设计与计算、设备的主要结构特点。本套五机架全连续冷连轧机组中设计了上下两台开卷机，两台开卷机在结构型式上完全相同。

2 开卷机主要技术参数的选择与确定

轧制的材料为CQ、DQ，来料带材厚度为1.8～5.0 mm，宽度为800～1 250 mm;钢卷内径为Φ610 mm，钢卷外径为 Φ1 200～Φ2 000 mm，开卷机最大开卷速度480 m/min。

2.1 张力选择

开卷机卷筒在放卷时必须维持后张力，有利于控制板形。机组张力选择十分慎重，采用大张力，使传动设备加大，增加投资，过大的张力还可能拉断带材，小张力有可能使带材跑偏。所以合适的张力数值可以得到好的带材质量，冷轧带钢张力［1］:

式中，σ0为张应力，MPa;b为带材宽度，mm;h为带材厚度，mm。

实际使用中常按生产经验选用，开卷段张应力值可在3～9 MPa之间选取。另外设计时，对于连续机组，一般也可按下列经验公式初步计算张应力σ0，然后按生产实践的经验加以最后确定。

式中，σs为带钢的屈服强度，MPa;h为带钢的厚度，mm;β为系数，取决于卷筒的工作情况。

本台开卷机选择最大张力为35 kN。

2.2 电机选择

本台开卷机设计由直流电动机驱动，为保证机组速度恒定，电机转速应随卷径变化而变化［2］。

(1)首先计算开卷机需要功率［3］(按公式3求解)，由开卷速度得出卷筒的转速n(按公式4求解)，初选电机功率及额定转速和最高转速。

式中，N为功率，kW;T为张力，kN;v为线速度，m/s;η效率，取0.95

式中，n为卷筒转速，r/min;D为带卷直径，m。

(2)确定电机至卷筒的减速比。①利用所选电机允许的最高转速与卷筒的最高转速比值得出最大 imax(i≤n电机/n卷筒，n电机为电机弱磁转速，n卷筒为开卷速度最大、卷径最小时卷筒的转速);②从电机额定力矩与负载力矩的关系确定imin(i×Me≥M负载×η)，额定力矩和负载力矩分别按公式(5)、(6)求解，结合两者范围可以选择减速比 i。

式中，Me为额定力矩，N·m;N为所选电机功率，kW;ne为电机额定转速，r/min。

式中，T为张力，N;D为带卷直径，m。

(3)由确定的减速比计算出最小和最大卷径时的电机转速 n电机=i×n卷筒。

(4)根据直流电机的属性(低于额定转速时，电机实际功率与转速成正比)，计算电机的实际输出功率N输出，与开卷机需要功率N需要比较，如果实际输出功率N输出大于开卷机需要功率N需要，说明电机参数选择合适。

通过上述过程计算确定出本台开卷机的电机参数:电机功率315 kW，转速500/1 500 r/min。

2.3 卷筒直径的确定

在卷筒设计中，卷筒直径的选择一般考虑到带钢在卷筒上弹塑性弯曲程度、卷筒强度刚度和来料带卷的内径等。目前卷筒直径已经趋于标准化，常用直径为Φ500 mm、Φ610 mm。本台开卷机考虑到实际原料特征，卷筒直径为Φ610 mm，胀缩范围为Φ560～Φ620 mm。

3 开卷机主要结构及特点

悬臂式开卷机的结构型式如图1所示，开卷机由传动装置、卷筒、压辊、对中装置、活动支撑等组成。

图1 开卷机结构图Fig.1 Constitution of decoiler

3.1 传动系统

开卷传动采用直流电动机驱动，合适的电动机能满足不同的张力变化和速度变化。减速箱齿轮设计成两级圆柱齿轮传动，保证传动平稳。减速箱中轴承承受负荷大，齿轮啮合与轴承的发热量大，在闭式减速箱中热量不易散出，所以减速箱采用稀油集中循环润滑，在使用过程中要定期检查减速箱轴承和齿轮润滑情况并做好维护，避免箱体油温过高或润滑不到位而影响齿轮正常工作和轴承的使用寿命。

3.2 卷筒

卷筒是开卷机的重要部件，它具有多种结构形式。设计时要根据产品特点、工艺条件和机组要求合理的选择所需卷筒的结构型式。本卷筒的结构为四棱锥式，其主要零件为四棱锥轴和扇形板，如图2所示。

图2 卷筒剖面图Fig.2 Cross section of coiling block

工作时通过胀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胀和缩的目的。此四棱锥式卷筒的优点是四棱锥轴为整体铸件(或锻件)，其强度刚性比较大，可以承受较大的带卷张力和重力;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。

3.3 对中装置

设计将开卷机的卷筒、整个减速箱体以及传动电机、稀油润滑管路均安放在一个固定底座上，并整体能够在固定底座的滑轨上沿横向移动，移动范围为±150 mm，其横向移动是靠位于固定底座上的横移液压缸来实现。开卷机的初始对中是开卷机卷筒宽度方向中心线相对轧制中心线而言的，设计在开卷机的底座上装一位移传感器，它可测出开卷机移动部分的横移位置，其测量信号送到对中系统的电气控制单元中，并与事先设定的基准信号相比较，从而控制横移液压缸的动作，使开卷机开始时处于轧制线的中心位置。当开始下一个带卷时，应使开卷机重新对中，开卷机的重新对中和初始对中过程是一样的。在轧制过程中，当检测到带材跑偏时，对中系统可将此变化反馈给横移液压缸，推动开卷机，实现自动纠偏。

3.4 压辊

开卷机上设置压辊的目的是压紧带材，增加制动力矩，有利于正常开卷。设计的压辊位于卷筒轴上方，由交流电机传动，压辊升降由液压缸驱动。当上卷小车将带卷上到开卷机卷筒后，压辊在液压缸作用下压住带卷，并与卷筒一起使带卷旋转，配合开头矫直机的伸缩导板将带头刮出并送入开头矫直机的夹送辊，完成穿带后，压辊由液压缸抬起至最高位，机组进入正常轧制工作。