双卷筒卷取机的国产化研究与设计

谢二虎，李 轲，陶 晶，余小军

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆市钢铁冶金工程技术研究中心，重庆 401122)

0 前言

双卷筒卷取机因具有卷取效率高，设备结构紧凑等特点，而成为目前最先进的冷轧卷取机，因此被广泛地用在生产速度高的冷连轧机组上。但由于设备机构复杂，近年来双卷筒卷取机基本上以引进为主，国内也有相关机构在双卷筒卷取机的国产化方面做过相关工作，但仅停留在消化移植的层面上［1-4］。本文采用三维设计、有限元计算与仿真、数值分析与计算等方法对双卷筒卷取机的设备结构、工作原理、主传动系统及其振动特性、卷取过程的动态特性、二次胀径等进行了系统的分析和研究，并结合编程开发出了双卷筒卷取机辅助设计平台，完成了双卷筒卷取机的国产化研究与设计，并获得国家发明专利一项，开发出的双卷筒卷取机已成功应用于多个冷轧工程。

1 设备结构及工作原理分析

本文在计算分析中，采用的卷筒直径为508 mm，带钢厚度为5 mm。

芯轴外套式双卷筒卷取机主要由主传动电机、初级减速机、次级减速机、转盘及支撑机构、胀缩卷筒及皮带助卷器组成，如图1所示。两个胀缩式卷筒A、B在转盘上成180度布置，卷筒A所在的位置称作“穿带位”，卷筒B所在的位置称作卷取位，双卷筒卷取机的卷取流程:①卷筒A穿带操作，此时卷筒B卸卷→②卷筒A完成穿带，此时卷筒B完成卸卷→③转盘旋转180度→④卷筒A切换到卷取位，卷筒B进入穿带位→⑤卷筒A开始正常卷取，卷筒B做好穿带准备→⑥卷筒A卷完一卷钢→⑦飞剪切断带钢→⑧卷筒B开始穿带，卷筒A准备卸卷，新的卷取循环开始。

图1 芯轴外套式双卷筒卷取机设备结构示意图Fig.1 Structure view of core shaft sleeve dual-mandrel coiler

2 主电机的选型设计

在双卷筒卷取机主电机选型上，需要保证以下两点:

1)确保主电机在最高转速工作时，卷筒的转速高于卷取最薄规格时的最高转速;并尽可能让主电机在额定转工作时，卷筒的转速低于卷取最厚规格带钢时的最低的转速，即

2)确保主电机的最大输出扭矩能满足卷取最厚带钢时最大卷取扭矩的要求，即:

式中，ne为电机额定转速;nf为卷筒的最低转速;nmax为电机的最高转速;ni为卷筒的最高转速;P为电机功率;K为带钢弹性变形系数;T为带钢张力;υ为最高卷取速度;η为系统的传动效率;i为卷取机传动装置的总传动比;Tmax为最大带钢张力;dmax为最大卷径。

3 卷取机特性分析

3.1 主传动系统振动特性分析

大型轧钢设备传动系统的设计中应注意避开其共振区域，以防止设备发生共振破坏。因此，对双卷筒卷取机的传动系统进行扭转振动的分析是十分必要的。本文采用Matlab、商用有限元软件等对双卷筒卷取机主传动系统的扭振特性进行了分析计算，计算结果参见表1。

表1 某冷轧厂Carrousel卷取机传动系统扭振分析结果Tab.1 Torsion oscillation analysis results of Carrousel coiler in a certain mill

图2 卷取机卷取过程动态特性分析Fig.2 Analysis of dynamic characteristics during coiling process

3.2 卷取过程动态特性分析

为了得到卷筒卷取过程中的径向压力和卷筒胀缩径规律，本文采用三维设计、运动仿真、有限元分析等手段对双卷筒卷取机的卷取过程进行了模拟分析，得到了胀缩式卷筒卷取过程中径向压力的变化趋势及胀缩径规律，为胀缩式卷筒的设计选型提供了理论依据。有限元模拟计算结果如图2及表2所示。

表2 径向压力计算结果Tab.2 Calculation results of radial pressure

从表2中可以看出，在卷筒卷取0～20圈时，随着卷取圈数的增加，卷筒上所受的径向压力也不断增大，而随着卷取过程的继续进行，当卷取圈数增加到25圈及以上时，卷筒表面的径向压力会有所下降，并维持在3.85 MPa左右。结合图2中的胀缩曲线可知，在胀缩式卷筒卷取过程中，随着卷取圈数的增加，卷筒表面的径向压力也会不断增大，当径向压力增大到胀缩缸的拉力无法维持时，卷筒将发生自陷式缩径，卷筒外表面与钢卷内表面发生瞬时脱离，钢卷内部的张应力得到短暂的释放，卷筒表面所受到的径向压力下降，当径向压力下降到胀缩缸的拉力能维持时，卷筒停止缩径，而随着卷取过程的继续，卷筒表面的径向压力还会继续增大，卷筒还会继续发生缩径，胀缩式卷筒的胀缩径过程是一个动态过程。

4 二次胀径的研究

在穿带过程中，因皮带助卷器撤离后，为了防止带钢与卷筒之间的径向压力不够而引起的带钢打滑擦伤，本文采用有限元分析的手段对卷筒二次胀径技术进行了分析和研究:在初次胀径时留一点余量，而在皮带助卷器撤离时，对卷筒进行二次胀径，以确保卷筒与带钢之间有足够的径向压力，防止带钢打滑擦伤。本文采用商用有限元软件对卷取3、4、5圈后卷筒的二次胀径过程进行了分析和模拟了，得到胀缩曲线和计算结果如图3、表3所示(预留胀径量为5 mm)。

表3 二次胀径模拟计算结果Tab.3 Calculation results of secondory expanding simulation

从图3和表3中的模拟计算结果可看出，在卷取3圈后进行二次胀径，卷筒能够迅速胀开至最大直径，并在卷筒与钢卷之间形成足够的径向压紧力，有效防止带钢的打滑。而在卷取4圈或4圈以上时进行二次胀径，虽然能够在卷筒与钢卷之间形成足够的径向压紧力，但由于卷筒并没有胀到最大直径，这会给后续的卸卷工序带来困难。因此卷取3圈后时开始二次胀径是最佳二次胀径时机。

图3 卷取不同圈数后卷筒的胀径曲线(带钢厚度为5 mm)Fig.3 Expanding curve of reel during different coiling circles when the strip thickness of 5mm

5 辅助设计平台

结合前面的理论分析和计算，采用C++和PCL编程语言开发了双卷筒卷取机的辅助设计平台，该平台集参数化设计、强度校核、扭振分析、动态响应分析等于一体，简化了设计流程， 提高了设计效率，软件界面见图4。

图4 双卷筒卷取机辅助设计平台界面示意图Fig.4 Interface schematic of aided design platform in dual-mandrel coiler

6 结论

本文对双卷筒卷取机的设备结构、工作原理做了介绍，对主传动系统的振动特性、卷取过程的动态特性、二次胀径等进行了系统的分析和研究，并结合编程手段开发出了双卷筒卷取机辅助设计平台，完成了双卷筒卷取机的国产化设计与研究，并获得国家发明专利一项。本文在双卷筒卷取机设计与研究中所采用的方法值得大型冶金设备的国产化借鉴。

［1］周国盈.带钢卷取设备［M］.北京:冶金工业出版社，1992:66－101.

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

［3］甄志霞，王立峰.卡卢赛卷取机在邯钢酸洗-冷轧联合机组中的应用［J］.浙江冶金，2008，41(3):7－9.

［4］彭建东.卡罗塞尔卷取机国产化［J］.江苏冶金，2002，30(4):48－52.