转盘卷取机分析

荀玉伟，刘新伟，王丹超

转盘卷取机是目前世界上最先进的冷轧卷取机之一，与常规卷取机相比，具有重量轻、集成度高、占地少、投资省、成材率高等优点。目前，国内各大钢铁公司使用的转盘卷取机都是国外进口，或外国技术国内制造。中国一重现已成功设计制造了转盘卷取机，优质高效地服务于中国的钢板冷轧生产线上。

1 工作原理

转盘卷取机是一种双卷筒卷取机，工作时一个卷筒卷取带钢，另一空卷筒处于卷取前的助卷准备位置。当卷取位置上的带卷将达到预定卷径时，飞剪前夹送辊推上，空卷筒涨径，助卷器升起抱紧空卷筒，空卷筒启动并达到喂料速度，而设在卷取位置处的卷取机压辊压下，滚筒式飞剪启动，剪断带材。剪切后的带头通过穿带装置进入助卷器后卷在空卷筒上；当带材在卷筒上缠绕3～4圈后，助卷器、穿带装置及飞剪前的夹送辊降下，卷取机升速正常工作。与此同时，在卷取位置上的卷筒开始卸卷，活动支承退回，卸卷小车进入卷取位置并托住带卷，卷取机压辊抬起，当卷筒缩径后，卸卷小车携带卷沿卷筒轴向方向运动，把带卷从卷筒上卸下，并输送到受卷台架上。回转夹紧机构在液压缸的驱动下张开至最大极限位置后，回转电机启动，通过圆锥圆柱齿轮减速机驱动回转小齿轮与联接在回转本体上的大齿圈啮合，回转本体沿带材前进方向旋转。（此时，助卷位置上的卷筒仍在正常卷取带钢） 待旋转180°后回转电机停止，回转夹紧机构夹紧回转本体定位，原助卷位置上的卷筒转至卷取位置，活动支承伸出支撑住卷筒头部直至卷取结束；原卷取位置的空卷筒在助卷位置等待下一卷带材。

2 运动分析

该卷取机可实现以下运动：一是两个卷筒各自单独旋转，二是回转本体绕转盘卷取机回转中心旋转，完成卷筒位置互换。第一种运动称之为卷筒的自转，第二种运动称之为卷筒的公转。

转盘卷取机采用减速齿轮箱双电机平行轴输入，同心双层轴输出，分别通过一级外啮合齿轮驱动回转本体中的卷筒；即将驱动卷筒的自转运动分成两部分，一部分是两台主电机分别驱动两流齿轮副的减速齿轮箱，把两流动力分别传送到同轴双层输出轴的内外两层上，另一部分则是与两层空心轴相联接的位于回转本体中的齿轮再分别与卷筒上的齿轮啮合，实现卷筒的自转。通过将双层输出轴的中心线与回转本体回转中心线重合设置以保证卷筒的自转和公转互不干涉。回转本体的旋转运动即卷筒公转由回转电机通过圆锥圆柱齿轮减速机驱动回转小齿轮，再通过回转小齿轮与联接在回转本体上的大齿圈啮合完成。

3 结构分析

转盘卷取机由卷筒、回转本体、回转夹紧机构、减速齿轮箱以及液压润滑系统等几部分组成（见图 1）。

图1 转盘卷取机结构分析图

（1） 卷筒

该卷取机将两个结构相同的可涨缩卷筒，装在同一回转本体内的对称位置上，由各自的主传动电机分别驱动。卷筒采用四块扇形板，扇形板间带有曲线板，以减小卷筒涨径后接缝对带钢的压痕。卷筒的涨缩由卷筒尾部的涨缩缸推动拉杆带动涨缩楔来实现。卷筒轴采用矩形断面结构以提高卷筒的承载能力。

（2） 回转本体

回转本体是转盘卷取机的核心部分。两卷筒安装在回转本体的对称位置，装配有大齿轮的两根空心花键轴安装在本体回转轴线上，两大齿轮分别与卷筒轴上的小齿轮啮合；回转本体在传动侧安装有可剖分的关节轴承，操作侧设置有回转托圈，关节轴承支撑在减速齿轮箱上，托圈则被托在回转夹紧机构中两对称托辊上；托圈旁装配有大齿圈，工作时由回转夹紧机构中的小齿轮轴驱动大齿圈使本体回转。为便于装配和维护，大齿圈大都设计成两半分体的，分别把合在回转本体上下机体上。回转本体的结构与分流式减速机相类似，区别在于分流减速机是从同一根轴分流，而回转本体是从同轴的双层空心轴内外分别分流，各通过一级外啮合齿轮来驱动卷筒旋转；再因两同心空心花键轴设置在回转本体的中心上，这样就既能在完成两根卷筒互相转位运动的同时，还能保证卷筒的正常自转卷取。

（3） 回转夹紧机构

该机构可以完成回转本体的回转（见前述）和夹紧两种动作。回转机构中设有两件支撑回转本体的托辊，为保证回转齿轮副的正常啮合和回转本体安装的对中性，在两个托辊处均设有偏心装置；入口侧偏心装置只负责调整入口托辊轴线高度和对中性，而出口偏心装置既能调整出口托辊轴线高度和对中性，也可调整轴线相对回转轴线的歪斜度，从而保证回转齿轮副的接触率。

夹紧机构由左卡爪、右卡爪、中间连杆、楔形滑块、滑轨和液压缸等零部件组成，其运动原理就是两个反向的曲柄滑块机构。左、右卡爪相当于可以摆动的曲柄，摆动中心由销轴铰接在底座上，通过中间连杆与楔形滑块铰接。在液压缸的作用下，楔形滑块在固定于底座的滑轨上水平运动，卡爪绕其摆动中心摆动，完成夹紧和松开的动作。

（4） 减速齿轮箱

减速齿轮箱采用两台主电机分别驱动两流齿轮副，将动力汇到同轴双层输出轴上，对内外两层空心轴分别驱动。每流传动大都为单级传动，为保证两台主电机并排摆放空间，在大小齿轮间增添一个惰轮，两流传动可以都设有惰轮，也可只在一流传动中增设惰轮。

4 转盘卷取机受力分析

回转齿轮箱装配后的重心位置在大齿轮附近（见图2），右图中的粗实线代表了卷取机在卷取过程，回转齿轮箱的重心变化情况。因此回转齿轮箱设计时采用三点支撑，一处位于回转齿轮箱体与固定齿轮箱的连接处 (图中c点)，另外两处位于齿轮箱体前端的左右两个托辊处 (图中a、b点)，由左右托辊提供主要的支撑力。

卷取机卷筒在旋转过程中受力包括三个支撑点的支反力N1、N2、N3，带钢张力T，回转齿轮箱的重力 (包括卷筒)G1，钢卷的重力G2，卡爪的夹紧力F1、F2。回转齿轮箱的重心的力臂为L2，带钢张力T到右托辊中心的力臂为L1，钢卷卷到最大直径时回转齿轮箱的重心在m处（见图3）。

图2 回转齿轮箱重心分布示意图

图3 回转齿轮箱受力图

转盘卷取机卷取带钢的过程中，回转齿轮箱受力如下：

水平方向：

竖直方向：

左托辊与大托圈的接触点处：

式中，L左—各个力对左托辊与大托圈的接触点的力臂。

右托辊与大托圈的接触点处：

式中，L —各个力对左托辊与大托圈的接触点的力臂。

由上面所列的4个方程，可以计算出回转齿轮箱在整个卷取过程中，在任意时刻的卡爪的夹紧力 F1、F2和支反力 N1、N2。

由转盘卷取机工作原理可知，卷筒由助卷位置运动到卸卷位置时，张力逐步建立，在到达卸卷位置时达到最大。在助卷位置和卸卷位置时，回转齿轮箱受夹紧力F的作用不会移动，而在转动过程中，受带钢张力T的作用，转盘有可能发生移动。因此我们对回转齿轮箱由助卷位置运动到卸卷位置的运动过程进行受力分析，此过程忽略钢卷重量G1，F1=F2=0，由于转盘发生移动时的临界值为N1=0，我们把上述条件代入式 (4)后得出转盘不移动的条件为:

这就要求我们在设计时一定要注意协调好这几个参数的关系。

5 结语

该转盘卷取机不仅适用于钢板连续酸洗及冷连轧制生产线上，而且同样也适合钢板连续酸洗、连续退火、连续镀锌生产线以及有色板材冷轧机组，市场前景良好。

[1]姜世平，焦时光，张娜，周继海.Carrousel卷取机结构及运动、动力参数分析.机械设计，2007，24(10)：18-21.

[2]张晓伟，蒋金水，王光儒.转盘式卷取机的自主设计 [J].一重技术，2009(1)：4-7.