承钢CPL卷取机卷筒设计优化

王超 栾英伟 王伟

（承德钢铁集团有限公司 河北承德067000）

1 前言

带钢卷取机是轧钢生产线上的一种常用设备，广泛应用于轧钢、酸洗、脱脂、连退、平整、纵剪、重卷、镀锌、镀锡等生产线。卷筒作为开、卷取机的核心零部件，决定了开、卷取机的适用范围、运行稳定性、寿命及维修周期等；因此卷筒的结构及形式优良与否，在很大程度上影响了开、卷取机的整体稳定性及使用寿命。

目前承德钢铁集团拥有国内首条8mm板厚的高强连续酸洗线，此酸洗线卷取机卷筒［1］采用了四斜楔＋周向机械钳口的结构；与同类卷筒相比，虽然结构复杂，技术含量高，制造难度大；但具有高效率、大张力、张力及钳口夹紧力皆可调等优点。承钢酸洗产品大纲厚度1.0mm～8mm、带宽900mm～1630mm，最高强度980MPa，产品种类多，厚度和强度跨度范围特别大，此卷筒在线工作正常，满足生产大纲中所有带钢的生产需求。

2 卷筒结构原理

在讨论卷筒的结构及原理之前，要先了解常见的卷取机的整机结构。如图1所示，卷取机主要由卷筒、减速箱、底座、主电机、对中油缸、外支撑等几大部分组成。底座及箱体主要起承载卷筒本体及承受载荷的作用；主电机是卷筒旋转的动力来源；对中油缸主要作用为调节箱体位置，保证带钢中心线对准机组中心线；外支撑主要是在卷取带钢支撑卷筒头部，使卷筒在工作时具有足够的刚度，同时也可以克服张力和卷重对卷筒的影响；卷筒尾端的涨缩液压缸通过轴向运动控制卷筒径向的涨大与缩小，主电机通过减速箱带动卷筒旋转，实现带钢的卷取过程。

图1 卷取机结构示意图1-卷筒；2-减速箱；3-固定底座；4-主电机；5-对中油缸

2.1 卷筒组成结构

如图2所示，卷筒主要由主轴、拉杆、延伸轴、斜楔、扇形板［2］、头部支撑部件、钳口部件、十字块、夹紧筒、碟簧组件等零部件构成。主轴前半部分为空心四棱结构，后半部分为空心台阶轴结构；拉杆穿入主轴内部圆孔中，并可由油缸驱动相对主轴做轴向运动；延伸轴通过螺栓固定于主轴端部；斜楔通过十字块连接于拉杆上并随拉杆做轴向运动；扇形板安装于斜楔上，斜楔的轴向运动通过斜面转化为扇形板的径向移动；头部支撑部件安装于延伸轴端部；钳口座及钳口夹板为斜面配合结构，安装于钳口扇形板外圆面凹槽处；十字块及夹紧筒安装于拉杆前端，并通过螺母固定在拉杆上；碟簧组件安装于夹紧筒内部。

图2 卷筒结构示意图

2.2 卷筒工作原理

以图2为例，卷筒工作时，胀缩油缸通过拉杆带动斜楔在主轴的凹槽内向右做轴向运动时，通过斜楔斜面结构使扇形板向上做径向运动，实现卷筒的涨大，同时拉杆通过碟簧组件带动夹紧筒向右做轴向运动，并带动钳口座作轴向运动，通过斜面结构使钳口夹板做沿卷筒外圆圆周切线方向的运动（后续简称周向运动），实现钳口的夹紧，“咬”住带钢头部，主电机通过减速箱带动卷筒旋转进行带钢的卷取，此为卷筒的涨大及钳口夹紧过程；卷取一卷带钢完成后，胀缩油缸通过拉杆带动斜楔向左做轴向运动，使扇形板向下做径向运动，实现卷筒的缩径，同时拉杆带动夹紧筒向左做轴向运动，使钳口的张开，方便带卷脱卷，在推板装置与卸卷小车的同步作用下，将带卷顺利移出，完成了一卷带钢的卷取过程。

3 卷筒主要结构特点及优势

本文所述卷筒在结构形式上属于四斜楔结构形式，结构较为复杂、精度要求较高，加工制造难度较大，但也有以下几点优势及特点，现列如下。

3.1 钳口结构

钳口装置是卷筒重要组成部份，结构合理的钳口装置应具有夹紧力均匀、不打滑；运行稳定、安全可靠等特点；且要求维护检修方便，互换性强；同时对带钢内层的影响尽可能小。

目前常见的钳口结构，为了便于加工钳口油缸座孔及内部结构，常将固定钳口条（一）及固定钳口条（二）设置为单独的零件，并通过螺栓连接到扇形板上，如图3所示；此种结构在卷筒工作时，作用在固定钳口条（一）上的钳口夹紧力会使此钳口条的把合螺栓承受较大的周期性变载荷拉应力，易引起螺栓的变形、松动甚至断裂。进而导致钳口的变形卡死或夹不住钢。

图3 钳口结构示意图

本文所述卷筒钳口为周向钳口结构，钳口座及钳口夹板安装于钳口扇形板的外圆凹槽处，通过斜面滑动将钳口座的轴向运动转化为钳口夹板的周向运动，如图4所示；此结构钳口相当于将图3中的扇形板及固定钳口条（一）合并为一个整体的零件，取消了承受周期性变载荷拉应力的把合螺栓，原螺栓拉应力被扇形板承担，结构强度高，运行稳定、安全可靠，有效解决了把合螺栓变形、松动甚至断裂导致钳口失效的问题，且加装了不同厚度的、可以定期拆卸更换的钳口条，可卷取不同厚度规格的带钢，定期拆卸更换的钳口条也大大增加了整个钳口部件的使用寿命。

图4 钳口结构示意图

由于本结构扇形板上的外圆凹槽径向深度较浅，无需加工常见结构的较深的径向钳口油缸孔，因此本结构的扇形板径向尺寸可以做的更小、更薄，在同样卷径的前提下，主轴直径更大，可以提高卷筒的整体刚度，更好的克服张力和卷重对卷筒的影响。

3.2 调节钳口夹紧力的碟簧组件

就卷取机卷筒的驱动形式来分，一般分为机械钳口和液压钳口两大类；机械钳口即为通过机械零件之间的传动实现钳口夹紧及张开的钳口结构，液压钳口即为通过液压实现钳口夹紧及张开的钳口结构。

这两种结构的钳口分别有各自的优点与缺陷，机械钳口运行稳定、传动可靠，在设计制造合格的前提下可以运行很长时间，即使有少许磨损也可正常使用，但机械钳口为刚性结构，冲击较大，对带钢厚度要求严格，张力较小，钳口夹紧力相对较小且不可调；液压钳口传动平稳，钳口夹紧力较大且可调，但液压系统成本较高，液压钳口所占体积较大，因此在较薄的扇形板上难以应用，且加工精度要求高，整个钳口油路任何一点泄露都会导致钳口夹紧力下降，钳口失效［3］，并污染带钢。

为解决上述问题，本文所述卷筒采用了机械钳口的方式，但在夹紧筒内部设有碟簧组件，巧妙解决了机械钳口冲击大、钳口夹紧力不可调的弊端，实现了有缓冲的、钳口夹紧力可调的机械钳口。如图5所示，夹紧筒为空腔结构，内部安装有碟簧组件，通过螺母将碟簧组件压紧安装到拉杆上；拉杆向右移动时，十字块带动斜楔向右运动，带动扇形板径向运动，卷筒涨大；同时拉杆通过碟簧组件带动夹紧筒运动实现钳口夹紧。由于拉杆和夹紧筒之间为碟簧组件软连接，消除了常见机械结构的刚性连接冲击，并可通过调整碟簧片数量和预紧力的方式来调整钳口夹紧力的大小，实现了有缓冲的、钳口夹紧力可调的机械钳口。

图5 碟簧组件示意图

3.3 侧向偏移的夹紧筒

本文所述卷筒的夹紧筒采用了侧向偏移的结构，如图4（a）所示，夹紧筒的突出部分沿Y轴正方向延伸，但向X轴正方向偏移；一般情况下，夹紧筒的突出部分应该与图4（a）的Y轴正方向重合，这样可以保证拉杆的拉力在X轴方向上没有分量，那么为何本文所述卷筒的夹紧筒采用了侧向偏移的结构呢？结合图4（b）可以得知，在钳口扇形板外圆凹槽大小不变的情况下，如果夹紧筒的突出部分与Y轴方向重合，那么就会侵占图4（b）中挡块的空间，使得挡块在钳口夹板的运动方向上的厚度减小，难以限制钳口夹板的轴向移动，容易出现钳口卡死的现象，因此本文所述卷筒的夹紧筒采用了侧向偏移的结构，为图4（b）中的挡块让出了空间，预防了因为挡块厚度不足引起的钳口卡死的问题。

4 问题及相应设计优化

本卷筒在上机使用过程中也暴露出一些问题，现将这些问题及改造方案列如下述。

4.1 夹紧筒外圆优化

在本卷筒原设计中，卷筒传动侧拉杆上设有自润滑铜套，用于减小拉杆和主轴之间的磨损，起到支撑及耐磨的作用。在卷筒操作侧并没有相关防止磨损的措施，起到支撑及耐磨作用的是夹紧筒及十字块，夹紧筒、十字块及主轴材料均为42CrMo，但由于夹紧筒及十字块经氮化处理，硬度较高，主轴仅调质处理，且公差配合为H7／f7，因此在卷取带钢时，卷筒操作侧载荷作用在夹紧筒及十字块与主轴配合处，会导致主轴磨损，尤其是主轴内孔磨损严重。

为解决这一问题，采用在夹紧筒外圆面堆焊铝青铜并减小十字块外圆直径的改造方案；堆焊铝青铜可减少夹紧筒与主轴内壁摩擦力，十字块外圆直径减小，避免与主轴内孔接触，如此方案可达到避免损伤主轴的目的。

4.2 斜楔底部优化

在本卷筒原设计中，斜楔及主轴材料均为42CrMo，但斜楔经氮化处理，硬度较高，主轴仅调质处理，硬度较低，且斜楔与主轴配合面为承压滑动面，因此在卷取带钢时，斜楔的轴向移动会导致主轴异常磨损。

为解决这一问题，采用在斜楔和主轴摩擦面之间增加自润滑铜滑板的方案。自润滑铜滑板可减少斜楔与主轴的摩擦力，避免主轴直接与斜楔接触，如此方案可达到避免损伤主轴的目的。

4.3 钳口倒角优化

在本卷筒原设计中，钳口夹板根部圆角为R20，在卷取刚性较大或厚度较大等难以折弯的带钢时，在此圆角处会造成钢卷凸起、鼓包等缺陷，如图6（a）所示；这种现象会影响钢卷最内几层钢带的质量，严重时会导致整个钢卷为椭圆形，卸卷小车无法稳定托举钢卷，导致卸卷困难。

为解决这一问题，采用加大此处圆角的优化方案；随着此圆角的加大，带钢的折弯曲率逐渐变小，带钢可以更好地贴合卷筒外圆，避免钢卷凸起、鼓包等现象。实际现场逐渐加大此圆角并试验，最终确定了将此圆角修改为R40，如图6（b）所示，有效解决了钢卷凸起、鼓包的现象。

图6 钳口圆角对比示意图

5 结论

（1）本文所述卷取机卷筒结构紧凑、加工难度大，但具有高效率、高精度、大张力等优势。

（2）本卷筒的钳口装置夹紧均匀、稳定可靠、传动平稳无冲击，通过碟簧组件巧妙的实现了有缓冲的、钳口夹紧力可调的机械钳口。

（3）采用堆焊铝青铜和增加自润滑耐磨铜板的方式，有效避免了主轴的异常磨损，自润滑耐磨铜板可拆卸更换，维修方便，经济效益显著。

（4）加大了钳口夹板圆角，有效的避免了钢卷凸起、鼓包影响整卷钢卷质量的现象。