单机架可逆式冷轧机组卷取机设计

1、引言

2、卷取机结构和工作原理

单机架可逆式冷轧机组卷取机主要由胀缩卷筒、减速器、传动电机、推卷装置、压辊装置以及活动外支撑等组成，其主要结构如图 1 所示。

推卷装置是辅助将卷取完成的钢卷从卷筒上卸下，由液压缸驱动沿着两根导向柱进行伸缩运动。

压辊装置用于在卷曲结束时压住带尾，防止带尾松开造成散卷。活动外支撑是在卷取过程中，支撑住卷筒的悬臂外端，以减小带卷重力和张力作用引起的卷筒的挠曲变形。

3、卷取机设计计算

某单机架冷轧机组卷取机相关工艺参数见表 1、

3.1、卷筒胀缩缸参数确定

在带钢卷取过程中，卷筒扇形板受到带钢给它的沿径方向的压力P0，随着卷取的不断进行，径向压力p0也随着正大，当其增大到，当其增大到脏缩缸拉力无法维持时，胀缩缸溢流阀打开，卷筒自动缩径。

同时径向压力P0 也随着减小；当径向压力 P0 减小到胀缩缸拉力能够维持时，溢流阀关闭，自动缩径结束。随着卷取继续，卷径变大，径向压力 P0 再次增大，卷筒再次产生自动缩径，如此往复，卷筒自动缩径是一个动态平衡的过程。

其中，D 表示钢卷外径，mm；T 表示卷取张力，N；η′表示液压缸机械效率；γ 表示卷筒斜楔角，（°）；μ 表示主轴与斜楔块的摩擦系数；f 表示带钢层间的摩擦系数；d 表示钢卷内径，mm。卷筒的斜楔角 γ＝7°，摩擦系数 f＝0.18，摩擦系数 μ＝0.08，液压缸机械效率 η′＝0.98，则可得液压缸最小拉力 Q＝117kN，设计时考虑一定的安全系数，因此取卷筒胀缩缸直径 D＝250mm。

从式（1）可以看出，液压缸的拉力 Q 和斜楔角 γ 大小紧密相关，当 tanγ<μ 时，斜楔自锁；tanγ>μ 时，斜楔角越大，所需的胀缩缸拉力越大；当 tanγ=μ 时，卷筒的润滑条件对卷筒的工作性能有重要影响。

3.2电机功率确定

卷取机卷取带材时，正常情况下可以认为张力处于恒定，卷取线速度恒定，卷取机功率主要由带钢弯曲功率、卷取张力所需功率、摩擦功率组成，其功率 P 的计算公式为：

式中，M1、M2、M3 分别表示带钢弯曲力矩、张力力矩、摩擦力矩；b 为带钢宽度，mm；h 为带钢厚度，mm；R 为钢卷外径，mm；σs 为带钢屈服强度，MPa；∑F 为卷筒轴承处的合力，N；d0 为卷筒轴承直径，mm；V 为卷取速度，m/s；η 表示

实际生产中，张力力矩在总力矩中占主要作用，带钢弯曲力矩和摩擦力矩占的比例很小，电机功率可由下式初步计算

其中 λ 为功率因素，一般可取值 1.10~1.15，对应的 T为卷取最大张力，V 取值为最大张力对应的卷取速度。工程实践表明，式（3）计算的电机功率普遍偏小，可以采取式（4）初步估算电机功率，然后再进行力矩校核确定合适的电机功率，其中 Vmax 表示机组的最大卷取线速度。

P＝TVmax/η（4）

由于冷轧卷取电机功率一般较大，最高转速 nmax 和电机基速 ne 比值一般大于 3，因此大多为非标设计电机，综合考虑经济性，电机最高转速 nmax 和基速 ne 一般由电机厂商给出。由此可得，电机功率初步取值为 2200kW，电机基速 ne 和最高转速 nmax 分别为 300r/min 和 1050r/min， 通过调节电机的输入电流频率和电流，保证机组的恒线速度和恒张力。

3.3减速器设计

减速比的确定是减速器设计中的最重要参数，确定减速比的重要原则是使卷取机的调速范围尽可能处于传动电机的恒功率调速区域或覆盖整个电机的恒功率调速区［4］。由于在轧制开始时，带钢厚度较厚，轧制工艺规程采取较大的卷取张力，较低的卷取速度，随着轧制道次的增加，带钢厚度逐渐变薄，卷取张力逐渐变小，而卷取速度则逐渐升高。从式（5）可以看出，当电机基速 ne 不变时，若为了满足卷取力矩 M 而选用大的减速比，则会使电机的最高转速 nmax 随之增大，导致电机成本增加；而若为了控制卷取机电机最高转速 nmax 而选用较小的减速比，为了满足大的卷取张力矩 M 则必须加大电机功率 P。因此为了在较低的电机最高转速 nmax 下获得较大的卷取力矩， 而在卷取速度高时卷取力矩减小，同时控制电机的最高速度，设计可变减速比的减速器可以极大地节省设备成本。

M=ηi9550P/n（5）

减速机结构示意如图 2 所示，为两档两级减速，可以输出两种不同的速比，见表 2。减速机中共有 8 个齿轮，其中两个双联齿轮上分别带有大、小两副齿轮，内齿轮可通中内齿轮和外齿轮始终保持啮合状态。其传递原理为：

（1）高速档传动：电机带动输入轴，齿轮 2 和双联齿轮 2 的大齿轮啮合，拨叉机构处在内齿轮和双联齿轮 2的小齿轮啮合位，由此传动中间轴，然后通过齿轮 3 和卷筒轴齿轮的啮合，将动力传动到卷筒轴上。

（2）低速档传动：电机带动输入轴，齿轮 1 和双联齿轮 1 的大齿轮啮合，拨叉机构处在内齿轮和双联齿轮 1的小齿轮啮合位，由此传动中间轴，然后通过齿轮 3 和卷筒轴齿轮的啮合，将动力传动到卷筒轴上。

3.4力矩校核

计算电机公称输出力矩 M 和实际卷取力矩 Ms，校核电机的选型以满足工艺和生产实际要求。由式(2)和式(5)可以计算得到电机的公称输出力矩 M 和实际卷取力矩Ms。

（1）以170kN卷取张力卷取时，减速机速比为2.960：卷取开始时，电机所能提供的力矩M=55362N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=51850N·m，电机的实际转速为989r/min。卷取结束时，电机所能提供的力矩M=81513N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=170000N·m， 电机的实际转速为 302r/min。

（2）以103kN卷取张力卷取时，减速机速比为1.788，卷取开始时，电机所能提供的力矩M=33744N·m，带钢张力需要的卷取力矩 Ms=31415N·m，电机的实际转速为 980r/min。卷取结束时，电机所能提供的力矩M=110193N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=103000N·m， 电机的实际转速为299r/min。计算表明，电机所能提供的力矩大于带钢张力需要的力矩，而且电机的实际工作速度均小电机的最高转速，因此电机选型符合工艺要求。

4、结语