热轧板带轧机卷取芯轴电磁抱闸液压控制技术改进

熊杰

摘 要：文章分析了卷取芯轴电机电磁抱闸的结构及工作原理，分析了电磁抱闸在卷取钢卷定尾使用过程中的局限性及存在的问题，结合现场设备布置特点，创新性地将电磁抱闸制动改液压油缸制动，解决了电磁抱闸使用过程中存在的问题，提高了抱闸运行控制的稳定性，更易实现钢卷的精确定位，取得了良好效果。

关键词：卷取机；卷取芯轴；电磁抱闸；定尾；液压缸

中图分类号：TG333.2+4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0114-03

Abstract： This paper analyzes the structure and working principle of the electromagnetic lock brake of the coiling shaft motor， analyzes the limitations and existing problems of the electromagnetic lock gate in the process of coiling steel coil and fixing the tail， and combines the characteristics of the field equipment arrangement. The electromagnetic lock brake is innovatively changed to hydraulic cylinder brake， which solves the problems existing in the operation of the electromagnetic lock brake， improves the stability of the operation control of the lock gate， makes it easier to realize the accurate positioning of the coil， and achieves good results.

Keywords： coiler； coiling mandrel； electromagnetic lock brake； stationary tail； hydraulic cylinder

1 概述

湖南華菱涟钢2250热轧板厂于2009年9月份建成投产，年设计产能441万吨，可生产规格厚度1.5-25.4mm、宽度900-2130mm的热轧带钢。其中卷取机布置有3台全液压踏步控制固定式卷取机，卷取芯轴传动装置电机功率为1350kW。卷取机的作用是对精轧机轧制完的带钢进行卷取成卷，以便后续的卸卷、运输和储存。当卷取开始时，带钢在精轧机和卷取芯轴间形成张力，当带尾离开精轧机最后一架轧机（F7）时，卷取机进入收卷状态，为了保证F7抛尾后卷取夹送辊和芯轴之间的张力，夹送辊压下液压缸压力增大，辊缝变小，同时3助卷辊同时关闭压住卷取机内的外层带卷，使带钢在夹送辊和卷筒之间建立张力。卷取将完成时，带尾须进行第一次定尾，一般第一次带尾定位在9点钟位置（面对卷取机）。第二次定尾开始时，首先2#助卷辊打开，卸卷小车上升托住带卷，然后芯轴电机再次启动和制动，将带尾准确定位至5点钟的位置，以利卸卷时托卷辊压住带尾，避免松卷。目前国内热轧板厂普遍采用电机尾端安装角度编码器和电磁抱闸，通过带尾跟踪、芯轴电机角度编码器配合电气传动控制以及电磁抱闸制动相结合的方式来实现带尾的准确定位。芯轴电机主传动装置见图1。

2 电磁制动抱闸结构及工作原理

电磁制动抱闸主要由电磁铁、闸瓦制动器和制动轮三部分组成，制动轮与电动机装在同一根转轴上。其结构如图2所示。电磁制动一般采用断电制动，通电打开。当电动机运行时，电磁抱闸线圈通电，由于电磁吸力的作用，电磁铁吸引衔铁并压缩制动弹簧，制动闸瓦松开，此时电机处于自由状态；当电磁电源被切断时，电磁线圈断电，电磁铁失去磁吸力，制动闸瓦通过制动弹簧抱紧制动轮，迫使电机尽快停转并使电机轴静止不动，此时电机处于被制动状态无法运转。目前涟钢2250热轧板厂卷取芯轴电机使用的制动器型号为MW800-10000，制动力矩为10000Nm。

3 卷取芯轴电机电磁抱闸存在的主要问题

因卷取芯轴电机电磁抱闸采用电磁铁方式进行制动，当电磁铁得电时，制动抱闸克服弹簧力打开，当电磁铁失电时，制动抱闸通过弹簧的作用使制动抱闸关闭。其在使用过程中存在下面2个主要问题：

（1）电磁铁因长期工作烧损或连接电磁铁的电气线路发生故障时，电磁铁断电，制动抱闸将在弹簧力的作用下自动关闭，对电机轴制动，此制动力矩可引起芯轴电机过流（过载）跳电，此时如果卷取机正在卷钢，则钢带将在卷取机内堆钢，卷取失败而废钢，特别是当厚板（厚度超过12mm）在卷取机内堆钢时，其废钢处理时间有时甚至超过120分钟，严重影响生产的稳顺进行。

（2）钢卷卷取完成后，芯轴电机通过电气传动并结合编码器进行带钢定尾控制时，因制动抱闸闸瓦磨损以及抱闸四连杆机构铰链处磨损等，电磁衔铁行程有限（小于2mm），芯轴电机制动力矩将不能有效发挥。而卸卷前助卷辊须打开时，厚规格高强钢种因带尾的弹力等作用，导致钢卷在卷取机内自由转动，不仅难以做到准确定尾，严重时甚至引起钢卷在卷取机内松卷的严重后果。

4 电磁抱闸液压控制技术改进

（1）取消制动电磁铁，改液压缸控制。现制动器型号为MW800-10000，制动力矩为10000Nm。液压缸端部设计成法兰连接方式，根据电磁铁衔铁推杆尺寸，可将液压缸缸径设计Φ100mm、杆径Φ70mm、行程20mm（关于液压缸各参数的验算见后）。液压缸可方便地通过螺栓把合安装在电磁制动抱闸的机架上，闸瓦制动器利旧。改造方式见图3。

（2）液压缸设计成带位移传感器，通过比例电磁铁的控制可实现液压缸20mm行程内任意位置的控制。液压缸液压控制回路如图4所示，由减压阀3、调压阀4、比例换向阀5、调速阀6等组成，所有液压控制阀均采用叠加式结构用高强螺钉把合在液压阀块上。当比例换向阀5得电时，液压缸有杆腔进油，活塞杆回缩，制动器通过弹簧的作用实现制动；当比例电磁铁5失电时，液压缸无杆腔进油，活塞杆伸出，制动抱闸松开，制动轮处于自由状态，实现得电制动、失电打开控制逻辑，杜绝失电状态下抱闸制动引起的堆钢风险。通过减压阀3、调压阀4和调速阀6等可实现液压缸的压力和流量控制。

1-球阀；2-单向阀；3减压阀；4-调压阀；5-电磁换向阀；6-调速阀

5 抱閘制动力矩核算及液压缸参数确定

涟钢2250热轧板厂卷取芯轴电机电磁抱闸属电磁块式制动器，按JB/T 7685.1-1995设计选型，其电磁衔铁推杆最大行程为2mm，制动轮直径Φ800mm，额定制动转矩最大为10000N.M，则其最大制动力即摩擦力f为：

f= 10000/0.8=12500N

查有关资料，电磁抱闸闸瓦和制动轮之间的摩擦系数为0.3-0.4，以下计算时取摩擦系数的平均值μ=0.35，则作用于制动轮上的正压力N为：

N=f/μ=12500/0.35=35714N

设电磁抱闸上弹簧的最大制动力为F1，则根据闸瓦制动器相关尺寸（见图3）

F1×（450+650）≈N×450

解得：F1≈14610N

设液压缸活塞杆上的最大推力为F2，根据作用力与反作用力相等原理，则F2和F1相等，即

F2=F1=14610N

初选油缸缸径Φ100mm、杆径Φ70mm、油缸行程S=20mm。

当液压压力P从10bar～50bar变化时，设液压缸工作效率取0.98，则油缸活塞杆的最大输出推力的计算值见表1。

显然，当液压压力为38bar时，液压缸的输出力稍大于抱闸弹簧的最大制动力，液压缸满足工作要求。

设油缸的工作周期T=1～5s（工作周期设定为：启动-快进-减速-工进-制动）。

则油缸的最大工作速度Vmax

Vmax=S/T=20mm/1s=20mm/s

油缸所需最大流量Qmax

Qmax=Vmax×A=9.42L/min

根据以上计算液压压力及最大流量，可核算液压中间管道油管尺寸及壁厚。

6 电磁制动抱闸和液压缸制动抱闸的优劣分析

电机制动抱闸在单独使用的场合，使用电磁铁进行制动控制时只需对电磁铁输入电流即可，安装方便，控制简单；如采用液压缸控制抱闸来制动，则需额外安装液压阀台，需要液压站来提供压力油源以及相应的液压管路，显然不方便也不划算。但在常规热轧板生产线等液压控制系统用得很多的场合，压力油源可利用就近液压站提供，再配置相应的液压阀台和液压中间管路，则电磁铁完全可用液压缸来替代，此时电磁式制动器则变成了高可靠性、高灵敏度、控制更可靠、制动力矩大小可调节的液压缸制动器。当改为油缸进行制动时，可选择液压换向阀（或比例阀）断电时油缸活塞杆伸出克服弹簧力使抱闸打开，当液压阀向阀或比例阀）通电时，油缸活塞杆缩回，通过弹簧力使抱闸制动。因此当电气线路发生故障时，液压换向阀断电，抱闸也是打开的，不存在因线路故障导致卷取过载跳停废钢的事故。且油缸行程比电磁铁行程大很多，当抱闸铰链处和闸瓦磨损时导致制动力不够的现象也不会发生，并通过调节液压压力可方便调节制动力矩的大小，因此具有更大的优势。涟钢2250热轧板厂自2018年3月份实施改造后，取得了良好效果。

7 结束语

国内热连轧板带生产线卷取芯轴电磁抱闸不可避免存在共性问题，如何提高电磁抱闸的可靠性、提高卷取芯轴制动稳定性、对钢卷进行准确定尾等具有现实意义。本技术改进利用现有液压油源，采用液压油缸代替电磁铁进行制动在国内尚属首次，取得了良好效果，在一些特定场合，此技术改进具有较大推广价值。

参考文献：

[1]邹家祥.轧钢机械（第3版）[M].冶金工艺出版社，2004.

[2]闻邦椿.机械设计手册（第5版）[M].机械工业出版社，2010.