新型双柱头卷取机的设计计算

段胜林

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)



新型双柱头卷取机的设计计算

段胜林

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

文章根据生产工艺的特点和需求，对传统双柱头卷取机进行了改进，详细阐述了其工作原理，并给出了计算推导过程。

卷取机；柱头；夹紧力；设计计算

双柱头卷取机是箔轧机组及精整线机组中的关键设备，对箔类产品的稳定卷取有重要作用。随着市场对箔材产品品质要求的不断提高，传统卷取机逐渐显露出一些加工工艺无法解决的问题，对设备进行优化设计的市场需求已经显现。

1 箔材生产工艺对卷取机的要求

箔材生产特有的工艺，要求卷取机必须具有较高的生产效率和稳定的高速卷取能力。据此要求，卷取机必须能处理适当吨位的带卷、要有较好的强度和刚度、卷筒有良好的动平衡性能和较强的速度控制能力以实现稳定的张力和稳定的卷取过程。

2 传统双柱头卷取机的问题

传统双柱头卷取机(图1)除配有移动双柱头的液压缸外，还配有胀缩油缸，设备重量大，成本高。该卷取机主要满足两个功能，一是具备合适的开口度，使双柱头能从两端移动到套筒内孔，支住套筒；二是具备胀缩功能，使双柱头胀开，顶住套筒内孔，使套筒和双柱头一起转动，并传递扭矩。

图1 传统双柱头卷取机(单侧)Fig.1 Conventional double head coiler (on one side)

目前，此类卷取机在生产中的问题主要有设备成本高、转动惯量偏大和维护较困难。

3 新型双柱头卷取机

新型的双柱头卷取机(图2)，为了降低转动惯量，不再单独配置胀缩油缸，而是单靠夹紧油缸同时实现夹紧和胀缩套筒的功能，大大降低了设备成本，操作简便、易维护。

图2 新型双柱头卷取机结构(单侧)Fig.2 Structure diagram of new double head coiler (on one side)

3.1 新型双柱头卷取机工作原理

如图2所示，在夹紧缸1的作用下，导向装置2和整个柱头一起移动，当四棱锥3的断面接触到套筒9端部后，夹紧缸1继续运动，四棱锥3相对导向装置2向外侧运动，扇形板4在轴向定位装置6的作用下只能沿导向端盖7径向胀开,直至与套筒内壁全接触，套筒被夹紧和胀紧，夹紧缸继续工作，持续提供夹紧力和胀紧力。序号5为扇形板4的径向复位装置，序号8为四棱锥3的轴向自动复位装置，即夹紧缸退回时，在径向复位装置5和轴向自动复位装置8的作用下，柱头部分能自动复位到最小径状态。

3.2 新型双柱头卷取机的和受力分析

1)卷取张力的选择

卷取张力由带材的断面尺寸大小和机组所需的张应力值决定：

T=SBh(1)

式中：

T—卷取张力，N；

B—带材宽度，mm；

h—带材的厚度，mm；

S—带材单位张应力，MPa,在设计计算时可按下经验公式选取：S=kσs

式中：

σs—带材屈服极限，MPa；

k—张应力系数，根据实践经验选取。对于轧机的卷取机k约为0.05～0.30左右；对于精整机组卷取机k值取较小值，参考文献[3]中列有一个参考表，认为酸洗机组k=0.004～0.025；其他精整机组取k=0.03～0.05；可供设计参考。

2)双柱头胀缩卷筒在一个柱头上的径向压力为P

如图3所示，在带卷外径上有一个卷取张力T的作用。套筒内径与柱头之间是靠柱头胀开，产生足够的摩擦力F所形成的力矩来与张力所形成的力矩相平衡。摩擦力F靠正压力P产生。

式中：

P—总径向压力，N；

D—卷材外径，mm；

d—卷材内外径，mm；

f—卷筒与卷材之间摩擦系数；

T—开卷张力，N。

3)双柱头卷取机夹紧油缸的推力

此新型双柱头卷取机为四棱锥式柱头结构，在夹紧缸推力Q的作用下卷筒上总径向压力P由四块扇形板承担，传递到卷材内径上，通过摩擦力的作用来承受卷取张力。作用在每一块斜楔上的总压力G：

四棱锥一对斜楔机构的受力示意图如图4所示。Q为移动和夹紧用液压缸的总推力，单位为N。

图3 卷筒的受力分析Fig.3 Force analysis of mandrel

图4 斜楔受力分析图Fig.4 Force analysis of wedge

由图4-(c)可知，由∑x=0得：

(4)

由图4-(b)可知，由∑x=0得：

S=Nsinα+f1Ncosα=N(sinα+f1cosα)

(5)

由∑y=0得：

G+f1S+f1Nsinα=Ncosα

G=N(cosα-f1sinα)-f1S

(6)

将公式(4)、(5)代入(6)式得：

G=N(cosα-f1sinα)-f1N(sinα+f1cosα)

=N(cosα-2f1sinα-f12cosα)

(7)

将公式(3)代入(7)式得：

(8)

整理(8)式得出，夹紧油缸的推力Q为：

(9)

式中：

α—斜楔的斜角；

f1—斜楔之间的摩擦系数。

由于f12很小，(9)式可以简化为：

4 结束语

此新型双柱头卷取机结构方案已在某厂的铜箔轧机项目中应用，本文推导的夹紧油缸推力计算公式与现场情况符合，可供同行设计参考。

Design and Calculation of New Double Head Coiler

DUAN Shenglin

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

Based on the process characteristics and actual production practices, the paper highlighted the improvement of conventional double head coiler, it illustrated the working principle and it demonstrated the mathematical derivation.

coiler; head; clamping force; design and calculation

2014-07-28

段胜林(1983-)，男，工程师，主要从事冶金设备机械设计工作。

TG333.2+4

A

1671-6795(2015)01-0044-03