一种热轧卷筒胀径微调的改造设计与计算
2022-11-02胡世标汪时行李徽
胡世标,汪时行,李徽
(1.湖南科美达重工有限公司;2.湖南理工学院机械工程学院,湖南 岳阳 414000)
连杆柱塞式卷筒是热轧带钢地下卷取机热轧卷筒的主流结构之一。其结构特点主要在于芯轴安装在卷筒空心轴的中空孔内,四块扇形板互为90°布置在空心轴外侧的四个方向,形成封闭的圆柱体状结构,通过连杆和销轴与芯轴连接。空心轴内部装有柱塞,
内有耐热压缩弹簧。胀缩油缸拉动芯轴,芯轴上的四棱锥面推动柱塞沿空心轴的径向孔向外顶开扇形板,使卷筒胀开,反之,胀缩油缸推着芯轴,连杆拉着扇形板向内运动,使卷筒缩小。
国内外不同公司的设计理念不同,连杆柱塞式卷筒的胀缩量也不尽相同。
典型结构之一,卷筒缩小在正常缩径的基础上再增加了事故圆,卷筒胀大至正常胀径的前提下,将胀径再增加了一定的富裕量。该类卷筒具体的胀缩尺寸分别为φ722mm(事故圆)、φ730mm(正常缩径)、φ752mm(预胀、真圆)、φ770mm(最大胀径)。
典型结构之二,卷筒胀缩只有正常缩径、正常胀径,其具体的胀缩尺寸分别为φ727mm(正常缩径)、φ745mm(预胀、真圆)、φ762mm(正常胀径)。这两种典型结构的卷筒在实际运用中,为了保证扇形板,柱塞和芯轴表面之间能够贴紧,在柱塞中都装有圆柱弹簧,在任一自由状态下,扇形板与柱塞并不直接接触,而是有0~4mm的间隙,这样有效减少了带头的冲击。在任一自由状态下,连杆都拉住扇形板,使得连杆的运动与斜面机构运动之间不会产生干涉。
典型结构二的卷筒,由于其设计的胀缩范围相对较小,为避免在胀缩极限位置扇形板与柱塞间的冲击,在胀径和缩径两种状态,扇形板与柱塞之间留有一定的初始间隙,一般取值0.5mm左右。
连杆柱塞式热轧卷筒主要由空心轴、扇形板、芯轴、连杆、柱塞等组成,如图1所示。
图1 连杆柱塞式热轧卷筒
1 卷筒的胀缩原理
连杆柱塞结构卷筒通过连杆和柱塞(及弹簧)共同作用下,控制着卷筒的胀大与缩小。对连杆的运动轨迹可做出图2所示的弧线,其中角度和之间的弧线段为连杆运动轨迹,角度为的位置1为卷筒最大时的连杆状态,角度为的位置2为卷筒最小时的连杆状态。当AB点水平方向的距离即为芯轴的轴向行程时,相当于此时柱塞从A点运动到B点,AB两点的连线为柱塞相对芯轴的运动轨迹,与水平方向的夹角为两者相对运动斜面的水平夹角。如果连杆运动轨迹超出之间的范围,连杆比柱塞在垂直方向的位移要小,连杆的运动和柱塞会产生干涉,故设计的连杆运动只能在范围内。扇形板和柱塞只作径向运动,在没有弹簧的影响下,芯轴轴向位移,扇形板和柱塞相对芯轴斜面夹角的作用下产生径向位移,而且它们的位移量会始终一致。由于扇形板还受到连杆的牵制以及弹簧的作用,相对于柱塞会产生随芯轴轴向位移而变化的间隙,这个间隙的作用就是缓冲带头对扇形板的冲击,使卷筒胀缩平稳,延长柱塞和扇形板的使用寿命。
图2 连杆运动轨迹示意图
2 卷筒的使用问题
上述典型结构二的连杆柱塞式热轧卷筒,在实践使用中基本上可满足各种生产线的工艺要求,但针对某些高强度较厚带钢,卷取时会出现松卷、塌卷,甚至出现卷筒回缩现象,严重影响钢卷卸卷以及钢卷的品质。究其原因,该结构卷筒的胀径不足是其主要原因之一。下面将对既有卷筒进行改造,在更换少量小件及大件适量加工的前提下,微调卷筒的胀径,以适应更高要求的带钢生产。
3 连杆的设计与计算
典型结构二的胀缩范围φ727~φ762mm,为适当增大其胀径,参照典型结构一将最大圆直径调整至φ770mm。
3.1 芯轴行程计算
根据芯轴与柱塞斜面的相对关系,理论上计算出卷筒在胀缩范围φ727~φ762mm的轴向行程。如图3所示:斜面角度为α;卷筒从最小圆胀大至最大圆,单边胀径为H;相应芯轴的轴向行程为L。
图3 芯轴与柱塞斜面关系示意图
其中:
L圆整为一位小数为66.2mm。
3.2 连杆计算
连杆在卷筒处于最大圆与最小圆两个状态的相对关系,如图4所示(具体结构参考图1),假设连杆在卷筒处于最大圆,芯轴销轴孔与扇形板段销轴孔在轴向初始偏移量为X,连杆轴向行程为L,连杆销轴孔中心距为A(原设计192.15mm)。利用卷筒现有结构已知的参数有:卷筒最大圆半径为385mm,芯轴销轴孔与卷筒的中心距为98.5mm,扇形板销轴孔与其圆弧面的距离为93mm,推导出卷筒处于最大圆时,扇形板销轴孔与芯轴销轴孔在径向的距离为193.5mm,卷筒最大圆与最小圆之间的胀缩量为21.5mm,其相对关系见图4所示。
图4 连杆相对关系示意图
根据图4,可列三角函数方程式如下:
解方程式,得
X=26.25(圆整两位小数)
代入公式(1),得A=195.27。
以上三个参数X、L和A在实际设计中可适当调整。将连杆按新的销轴孔中心距设计,可调整卷筒的胀缩范围,分别为φ727mm(正常缩径)、φ745mm(预胀、真圆)、φ770mm(正常胀径),可以解决该卷筒在卷取某些高强度较厚带钢时出胀径不足的问题。
4 相关件再设计
上述改造设计涉及柱塞抬高,芯轴行程增大,但原件都可以满足正常使用。空心轴、扇形板安全挂耳需根据胀径变量对半加大避让空间。卷筒传动侧涨缩油缸限位块需根据行程变量作相应调整,涨缩油缸传动侧富裕行程基本可满足使用,有必要可在涨缩油缸修复时可适当调整相关尺寸。
5 结语
热轧生产线由于其工况及极冷极热的恶劣环境,要求卷筒设计首当其冲要考虑结构的可靠性。在既有的技术前提下,设计者要博采众长,善于总结、综合,再结合实际使用出现的问题,设计出更可靠和先进的卷筒结构,满足不同生产工艺要求,确保在特殊产品生产的情况下卷筒依然能安全使用,并尽可能提高卷筒的使用寿命。