軋機開卷機卷筒優化設計*

趙占偉，祝海容

(浙江龍盛薄板有限公司，浙江紹興 312369)

0 引言

開卷機是熱軋、冷軋鋼鐵廠酸洗、軋鋼、平整、重卷等生產線不可缺少的重要設備，一般布置在生產線的入口部分，其設備功能是同開頭機一起完成開頭、開卷喂料工序，在生產過程中對帶材產生工藝所需的張力，并可進行帶材對中使帶鋼寬度中心線與機組中心線保持重合。開卷機一般由卷筒、本體、底座、對中裝置、傳動裝置、壓輥、活動支承等主要部件組成。

開卷機卷筒由四塊扇形板，棱錐形導向套、卷筒軸、拉桿、漲縮油缸等組成。卷板料經小車上到卷筒工作位后，漲縮油缸拉動拉桿，拉桿帶動卷筒軸外的棱錐形導向套移動，導向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產生相對滑動，從而實現扇形板漲徑，將鋼卷內圈漲緊，卷板料固定于開卷機扇形板上，鋼帶通過后續一系列設備如開卷導板、夾送輥、五輥校直機等將卷板料開成平直的鋼板。

1 改進前卷筒存在的問題

如圖1所示，鋼卷上到卷筒后，漲縮油缸1動作，拉動拉桿2，拉桿帶動卷筒軸3外的棱錐形導向套4沿軸向移動，導向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產生相對滑動，從而實現扇形板漲徑，整個卷筒漲縮徑過程中，導向套在卷筒軸上沿軸向往復滑動，導向套和卷筒軸之間有對稱分布的兩根通長的鍵，目的是限制導向套和卷筒軸產生周向滑動。

圖1 開卷機卷筒結構

每隔半年左右，開卷機卷筒部分就需要整體拆解，清理內部磨損的鐵屑及一些其它雜質，檢查卷筒軸與相配合的棱錐形導向套磨損情況，磨損如果超出圖紙公差范圍，就需要將芯軸外圈與導向套內部重新修磨，磨損部份用鍍鉻方法將其補充回原始公差。當兩者磨損程度比較大時，還需要先堆焊，再作修磨，堆焊過程中產生的熱變形會影響卷筒軸的平直度，如果長時間的堆焊會導致卷筒軸變形而無法使用，即使卷筒軸堆焊后不產生變形，因導向套的磨損會導致導向套內徑變大，此時雖然加堆焊加粗芯軸可以彌補這一點，但是如果廠內有幾臺開卷機時，導向套的通用性會受到限制，必須給每臺開卷機都準備好一套相應的備件，增大了備件的資金占用量。且以上處理問題的兩種方法周期都比較長，一般都在半個月左右，當備件只有一套時，很難周轉。另外需考慮一種更加嚴重的情況，如果磨損嚴重可能會導致粘結現象的發生，此時如需拆解卷筒，卷筒軸表面及導向套內部會發生大面積的金屬拉毛現象，拆解變得十分困難，卷筒軸表面和導向套內部會有大塊的金屬粘結掉下，重新修整卷筒軸及導向套的代價相當大。

2 改進前卷筒結構的問題分析

針對原設計卷筒結構存在的問題，究其原因，主要是由于卷筒漲縮徑過程中，導向套在卷筒軸上往復滑動，導向套內孔設計尺寸為Φ 3300.140，卷筒軸外徑設計尺寸為 Φ 330-0.06-0.20，其配合間隙范圍為 0.06 ～0.34 mm，且卷筒軸圖紙要求熱處理硬度為HB=286～321，導向套熱處理硬度為HB=241～286，雖然從數據上分析兩種部件的硬度沒有交叉重疊部分，但當兩者熱處理硬度相差小于50 HB時，極易發生金屬間的互相滲透，從而導致粘結現象的發生，脫落的金屬顆粒加劇磨損速度，甚至研死。

3 改進措施

(1)改進方案 把磨損的導向套拆解，通過對其頭、尾兩端特殊加工，將其內孔尺寸同比例放大，然后在導向套兩端鑲嵌上兩只厚銅套，厚銅套具體尺寸及強度核算如下:

鋼卷上到卷筒后，卷筒漲徑，漲緊力全部承受于導向套，對內部銅套而言，承受的力為一個鋼卷、滑套及四個扇形板的總重力，鋼卷設計大綱最重為32 t，導向套為 0.36 t，四塊扇形板總重為 2.032 t，所以銅套承受的最大總重力為34.392 t。當開卷機投入工作做周向旋轉時，需要承受一個帶鋼的張緊力，此張緊力一般都在7 t以下，卷筒軸上的鍵與銅套之間承受此7噸張力作用。所以設計銅套尺寸時，需滿足兩個力學條件，一是銅套在承受最大重力時的接觸應力需小于銅套的屈服強度，二是開卷機旋轉時，在最大張力7噸作用下，銅套和鍵的接觸應力需小于銅套的屈服應力。只要滿足以上條件，即可保證銅套內壁不被壓潰。

原設計導向套內壁材料為16 Mn，整個內壁與卷筒軸接觸，現改為內鑲式銅套，所選材料為鉛青銅ZCuPb10Sn10，其潤滑性能、耐磨性能和耐蝕性能好，屈服強度為σs:≥140(MPa)。當開卷機卷筒承受最大卷重時，卷筒兩端銅套承受的力為:F=(32+0.36+2.032)×1000×10(N)，銅套不被壓潰時的臨界接觸面積可由公式S=F/P算出，其中P取鉛青銅的屈服強度，則臨界接觸面積為:S=F/P=343920/140 mm2=2456.6 mm2，重力作用方向豎直向下，所以只有銅套內壁整個面積的一半承受，所以兩個銅套內壁總面積為最小應為 2456.6 ×2=4931.2 mm2，銅套內孔直徑基本尺寸和卷筒軸一樣為330 mm，則每個銅套最小寬度為:，由此可以看出單個銅套的寬度只要大于2.4 mm即可滿足最大承載力。

當開卷機旋轉時，卷筒軸上的鍵與銅套之間承受最大張力為7噸，此時銅套和鍵的最小安全接觸面積為:S=F/P=7 ×10000/140(mm2)=500 mm2，卷筒軸上原來的兩根鍵對稱分布，考慮到節省成本和檢修效率等多方面原因，仍利用原來的鍵，鍵與銅套的接觸高度為18.15 mm，則鍵與銅套的最小接觸長度為:500/18.15 mm=27.55 mm。兩個銅套與鍵有四個等面積的接觸部位，可以算出單個銅套最小寬度為27.55/4約為7 mm。

圖2 銅套加工尺寸及裝配圖

根據以上計算，理論上講銅套寬度只要大于7 mm，即可滿足力學條件，但理論與實際總是存在偏差的，并且考慮到加工和安裝方便以及耐磨和公差配合等諸多因素，我們將安全系數設置足夠大，將單個銅套寬度設計為200 mm，壁厚為15 mm，配合公差參照原設計尺寸，如圖2所示，銅套內外尖角倒鈍，方便裝配，為延長使用壽命及日后維護方便，銅套內壁增加潤滑油溝槽。

(2)方案實施 將已經磨損的導向套拆解，然后先把整個導向套上車床內孔加工一刀，單面加工量為1～2 mm，目的是裝配銅套后導向套內壁不與芯軸接觸，加工量不宜過大，大則影響導向套強度，也不宜過小，過小，磨損脫落的細小顆粒容易研傷接觸面，再將導向套兩頭加工至圖1所示尺寸，在加工導向套兩端的軸向溝槽時，需上插床加工，上插床之前，事先須加工好退刀槽，加工退刀槽時可考慮上銑床局部加工，避免上車床加工一個整圓退刀槽，以致影響導向套的整體強度;然后加工厚壁銅管，因成品銅套相對較薄，并且為不規則外形尺寸，可先上車床加工內圓，內圓按圖紙尺寸加工完畢后，余下工序全部上線切割加工，因線切割加工時，工件受力很小，這樣可以保證加工合格率。

把磨損過的卷筒軸打磨光滑，再將加工好的部件打磨去毛刺后，復測核實尺寸，尺寸確認無誤后涂抹潤滑油脂開始裝配工序。先將兩只銅套裝入到導向套內，然后測量銅套內圓尺寸，檢查裝配過程中是否出現變形，如出現變形局部尺寸超差，則需要修磨修正內圓精度，保證銅套內壁和卷筒軸軸接觸均勻，以便卷筒漲徑時，銅套和卷筒軸滑動均勻無卡阻。所有部件裝配完畢后，無負載反復動作幾次，最后上鋼卷試車。

(3)試驗應用效果 改進后的設備經過生產實踐檢驗證明該思路是正確的，卷筒軸硬度為HB=286～321，而鉛青銅硬度為HB=70，使用過程中保護制造成本較高的卷筒軸不受磨損，只需定期更換成本較低的銅套即可，設備運行過程中磨損脫落的金屬顆粒容易收集在兩個銅套間的1～2 mm的空腔內，并且空腔內存有潤滑油脂，能有效減緩銅套的磨損速度、延長銅套使用壽命，避免了傳統結構的滑套發生研死的設備故障，大大減少了設備維護工作量。

4 結論

開卷機在金屬加工行業應用非常廣泛，改進之前也參觀了同行企業，發現存在同樣的問題，嚴重制約了產量，增加了維修難度。改進后該設備一直運行安全可靠，維護簡單，檢修方便，大幅提高了設備使用壽命，故障率幾乎為零，增加了作業時間，提高了產量，達到了預期目的。

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.第四版.北京:化學工業出版社，2002.