高强带钢废边卷取机的设计与研究

禹文锋，李郝林，查德根，王 勇

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海宝菱冶金设备工程技术有限公司，上海 201900）

0 引言

在薄板精整重卷机组中废边卷取机是非常重要的设备，通常离线设置在圆盘剪附近，用来收集具有一定韧性的带材［1］。由圆盘剪切下来的带钢废边，一般有两种处理方法：带钢厚度在2mm以上时，一般将其碎边，剪切成小块；带钢厚度在1mm以下时，采用废边卷取机，将其卷曲成捆［2］。废边卷取机工作的稳定性、可靠性将直接影响整套机组的工作效率。本文设计研究的是一种新型的用于卷取高强带钢废边的无张力式废边卷取机。

1 废边卷取机的组成和工作原理分析

1.1 废边卷取机的基本组成

本文设计的废边卷取机的结构如图1所示，主要由机架、滑动底座、压辊装置、转盘装置、布料装置和卷取装置6部分组成。机架为焊接式箱体结构，箱体内部作为废料箱，压辊装置、转盘装置和布料装置均安装在机架上；滑动底座固定在地上，卷取装置在其上滑动，实现卸卷；压辊装置主要用于卷取时压紧废边卷，使废边产生一定的塑性变形并缠绕在卷取轴上，保证废边卷的密实度并防止松卷；转盘装置主要用于卷取时固定废边卷的两侧，防止废边卷脱边，同时支撑卷取轴端部，使卷取轴受力更加合理，并在卸卷时能够打开，实现自动卸卷；布料装置主要用于卷取时使带钢废边沿卷取轴均匀地缠绕，保证废边卷在长度方向上均匀布置，防止废边卷出现锥形或鼓形等；卷取装置用于将带钢废边卷取成捆，并能在卷取完成后退出废料箱，实现自动卸卷。

1.2 废边卷取机的工作原理

废边卷取机的工作原理如下：由圆盘剪剪下的高强带钢两侧废边，通过活套坑进入受料槽，有一定存料后，由人工将废边插入卷取轴的缺口中，开动压紧辊的液压缸将压辊放下，启动主电机，使卷取轴转动；卷轴的缺口勾住废边头部，同时压紧辊使废边卷压实，启动布料辊的液压缸，使其在布料辊油缸的作用下来回往复运动，使废边卷在卷轴上沿径向均匀分布；随着废边卷直径的不断变大，压紧辊沿着笼体的凹槽逐渐上升，当压辊的摆臂触动极限开关，传递给支承压紧辊的托辊缸信号使压辊升起，同时给传动电机信号，使电机停转［3］；之后传递给脱料缸即卷轴移动液压缸信号，将卷取轴拔出，转盘打开，废边卷靠自重作用沿着笼体的斜面滚入收集箱内。

图1 废边卷取机结构图

2 废边卷取机的技术参数

废边卷取机的主要技术参数如下：带钢厚度为0.3mm～2.0mm；可处理的带钢品种为优质碳素结构钢、IF钢、高强钢等；带钢废边的宽度为5mm～50 mm；废边卷最大尺寸为Φ700×900mm，重量约为3 500kg；带钢的抗拉强度σb≤1 200MPa，屈服强度σs≤1 000MPa；机组穿带速度为60m/min，运行速度最大为300m/min。

3 废边卷取机关键部分的设计计算

3.1 压辊设计

压辊的设计关键为卷取高强带钢时所需压紧力的计算。在废边卷取机中，为方便卸卷，废边卷的密实度一般保持在60%～70%即可，因此，压辊压力设计的主要目的是使废边卷取时张紧力达到带钢卷取张力。高强带钢废边卷取时所需张紧力T（N）的计算公式为：

其中：σ0为单位张力，N/mm2，σ0＝kσs，k为张力系数，取0.3～0.5，带钢厚度大的取大值；h为带钢厚度；b为废边宽度。

带钢的张紧力靠压辊的压力提供，压辊压力F（N）由下式计算：

其中：C为系数，考虑废边经常成团状卷入，C取1.3～1.5；f为带钢废边和压辊间的滚动摩擦因数，f取0.3～0.5。

根据式（2）即可设计压辊的重量和压辊油缸的压力。图2为压辊作用示意图，其中，l2为铰支点到压辊中心的距离，l1为油缸作用在压辊上压力作用点到铰支点的距离。

图2 压辊作用示意图

设压辊自重为F′，则油缸额外需要施加在压辊上的压力F0＝F－F′。设油缸缸径为D1，则压辊油缸所需压力p′（MPa）为：

通过上述分析和计算，完成了压辊压力的设计。

3.2 卷取轴的设计

3.2.1 卷取轴直径选择计算

在冷轧带材卷取中卷筒直径的选择一般以卷取过程中内层带材不产生塑性变形为设计原则，以保护内层带材［4］。但在废边卷取机中，对高强废边没有质量要求，且为了防止发生松卷，卷取轴的直径应以使内层带材产生少量的塑性变形为设计原则。卷取轴直径D（mm）计算公式为：

其中：E为带材弹性模量，MPa；hmax为带材的最大厚度，mm。但是倘若卷取轴直径取得太小，轴的强度必然不够，所以卷筒直径还应满足以下关系式：

其中：M为轴在计算截面位置所受弯矩，N·m；σ－1p为卷取轴在对称循环应力状态下的许用弯曲应力，MPa。由于废边不像成品带钢具有平整的表面，在卷取时，废边之间还处于互相缠绕的状态，会增加废边钢卷与卷取轴表面间的摩擦力，继而增加了卷取轴所受的扭矩，因此卷取轴的直径选取原则是在式（4）和式（5）计算得出的数值范围内尽量选取大一些的值［5］。

3.2.2 卷取轴危险截面的确定

卷取轴在卷取过程中的受力属于超静定梁情形，其受力简图如图3所示。把支座B作为多余约束，解除支座B的约束后，用力FRB代替，如图4所示。为求解支座反力FRB，将卷取轴的受力简图进行分解，分别考虑压力q（包括废边卷和压辊重量）和支座反力FRB对卷取轴的作用，利用变形协调方程，使用积分法进行求解。

图3 卷取轴受力简图

图4 解除支座B后卷取轴受力简图

当q单独作用时，将卷取轴AD段分成AC和CD两段来考虑，则支座D处的转角θD1和B处的挠度（wB）q分别为：

其中：I为惯性矩，与材料截面尺寸有关。

当q和FRB同时作用时，则由静力平衡∑MA＝0和∑MB＝0可以作出卷取轴的剪力图和弯矩图，如图5所示。

图5 卷取轴的剪力图和弯矩图

弯矩图5（b）中点E和点D两处极大值ME（N·mm）和MD（N·mm）分别为：

3.3 废边卷取机功率计算

高强带钢废边卷取机传动功率与普通带钢相比要大很多，主要取决于卷取轴上的总静力矩，其主要包括压辊压力作用在卷取轴上引起的力矩、卷取轴自重、高强带钢废边卷重量及压辊压力在卷取轴轴承处引起的力矩、使废边弯曲所需的弹塑性力矩，故总静力矩M总（N·m）为：

其中：v为废边卷取线速度，m/min；η为传动效率，一般取0.86～0.9。

4 结束语

其中：R为高强带钢废边卷最大半径，m；∑P为包括卷取轴自重、废边卷重量及压辊压力在卷取轴轴承处引起的反力，N；u为轴承处的摩擦因数；d为卷取轴轴承处的直径，m；M弹塑为弯曲高强带钢废边所需的弹塑性力矩，N·m。则废边卷取机的传动功率N（kW）为：

本文通过对废边卷取机结构和工作原理的了解，设计了可用于卷取高强带钢废边的废边卷取机，它具有功率大、可靠性强、自动化程度和安全性高等特点。本文有效可行的设计方案和思路，为今后废边卷取机的设计和改造提供了有价值的参考。

［1］冶金工业部武汉钢铁设计研究院.板带车间机械设备设计［M］.北京：冶金工业出版社，1987.

［2］贺毓辛.冷轧板带车间［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］薛培，刘熙明.锥形轴拔出式废边卷取机的设计［J］.鞍钢技术，1992（1）：8-11.

［4］邹家祥.轧钢机械［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［5］楚云凌，林红.一种新型的自动穿带废边卷取机组［J］.冶金设备，2012（2）：50-53.