冷軋開卷機卷筒水平度分析計算

王明龍， 孟祥東

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

0 引言

開卷機用于開啟成卷帶鋼，凡是以帶卷為原料的生產機組（如連續酸洗、連軋機、連續鍍鋅、連續退火、重卷、縱切及橫切等機組），前端都要設置開卷機。按照開卷機卷筒的結構分類，常用的開卷機有雙錐頭式、雙柱頭式和懸臂式等3種形式[1-2]。本文以連續酸洗機組的懸臂式開卷機為例，分析計算各因素對卷筒水平度的影響情況。

在開卷機開卷過程中，卷筒的水平度對帶鋼跑偏情況影響非常大，一旦其偏差值超過設計要求將使帶鋼持續跑偏，甚至造成刮邊，嚴重影響生產效率及成品率。因此分析卷筒水平度的影響因素，從根源上保證其偏差值，對開卷機及卷筒的安裝維護工作具有指導作用，對保證機組的生產效率及成品率具有積極作用。

1 開卷機卷筒的結構分析

懸臂式開卷機按照懸臂卷筒結構又分為連桿式和斜楔式兩種[3]。實際應用中根據開卷機的工況進行選擇。當帶卷重量和開卷張力都不大時，可采用連桿式懸臂開卷機。連續酸洗機組中帶卷重量及開卷張力都較大，所以開卷機一般采用斜楔式懸臂開卷機。斜楔式懸臂卷筒具有較大的強度和剛度，能保持鋼帶在開卷過程中的穩定運行，尤其是在薄帶鋼甩尾時效果顯著。另外，為了減小懸臂卷筒的彎曲和擺動，一般在卷筒軸頭設有外支撐裝置，在開卷過程中給與卷筒頭部支撐。

本文以某工程的斜楔式懸臂卷筒為例進行分析，結構如圖1所示。該類卷筒通過脹縮缸1活塞桿的伸出與縮回驅動拉桿3沿著卷筒軸向移動，拉桿3與斜楔8通過一個長鍵連接，斜楔8隨拉桿3在沿卷筒軸向方向移動，扇形板7與斜楔8通過T形結構連接，扇形板7隨斜楔8的軸向移動實現徑向移動，最終實現卷筒的徑向脹縮。卷筒的安裝固定是通過卷筒軸承一2和卷筒軸承二6作為支撐安裝到開卷機非標齒輪箱內，其中卷筒軸承一2作為軸向固定端、卷筒軸承二6作為軸向浮動端。卷筒的旋轉運動是由驅動裝置通過齒輪傳動傳至傳動齒輪5，傳動齒輪5與芯軸4通過鍵連接實現同步旋轉，芯軸4與拉桿3及斜楔8通過鍵連接實現同步旋轉，扇形板7通過斜楔8驅動同步旋轉。另外，在正常生產時由外支撐裝置對軸頭9進行支撐，可以很好地保證卷筒的直線度，減少卷筒下撓，保證帶卷在開卷過程中穩定運行。

圖1 斜楔式懸臂卷筒結構圖

通過對斜楔式懸臂卷筒結構的分析可以發現如下特點：1）大懸臂量；2）由兩盤調心滾子軸承支撐在齒輪箱內；3）芯軸4、斜楔8及扇形塊7之間相互滑動；4）結構復雜。

2 開卷機卷筒水平度的影響因素分析

由于該結構卷筒存在以上特點，所以卷筒的水平度的影響因素也就比較復雜。下面就針對該類結構卷筒的特點，逐項分析其對水平度的影響情況。

2.1 大懸臂量的影響

當開卷機外支撐打開時卷筒處于懸臂狀態，其由軸承支撐在齒輪箱內。由于卷筒懸臂部分較大，其在自身重力作用下懸臂端產生變形，卷筒頭部下撓。本文采用SolidWorks建模，并用其自帶的Simulation模塊進行分析。建模過程中根據力學理論對其進行了簡化，將卷筒內部復雜的相互接觸配合零件進行了簡化。在用Simulation進行分析時，將芯軸4在卷筒軸承二6的位置進行固定約束，對其整體施加以重力作用。經過軟件計算得出分析結果如圖2～圖6所示。

圖2 卷筒簡化圖

圖4 卷筒在重力作用下的應力云圖

圖5 卷筒在重力作用下的位移云圖

圖6 卷筒扇形板中位在重力作用下的位移情況

對軟件分析結果整理總結，得出以下結論：1）卷筒最大位移出現在軸頭位置，為0.248 mm（應力為0.009 MPa）；2）卷筒最大應力出現在卷筒軸承6的外側，為17.50 MPa（位移為0.008 mm）；3）卷筒扇形板中心位置位移為0.11 mm，應力為0.66 MPa；4）卷筒扇形板中部水平度為（0.1196-0.1098）÷（758.734-544.359）=0.046 mm/m。

2.2 軸承游隙及配合的影響

該卷筒通過卷筒軸承一2和卷筒軸承二6安裝支撐在開卷機齒輪箱內，軸承內圈與芯軸4之間采用過盈配合，軸承外圈與齒輪箱之間采用間隙配合。軸承的游隙會受到軸承內、外圈過盈配合及軸與殼散熱情況的影響，在安裝過程中僅需考慮軸承配合對其的影響，在正常生產過程中需要考慮該兩種情況的影響。

2.2.1 安裝過程中（不考慮軸承內外圈溫差引起膨脹不同的影響）

開卷機在安裝過程中以卷筒的安裝精度為最終保證目標[4]。安裝過程中軸承內外圈處于相同溫度，可以不考慮內外圈溫差對軸承游隙的影響。卷筒在自由狀態時，由于卷筒重心在卷筒軸承二的右側（如圖7），在重力作用下卷筒軸承一的上部為承載區、卷筒軸承二的下部為承載區。該卷筒芯軸及軸承參數如表1所示。

圖7 卷筒支撐簡化圖

表1 卷筒支撐位置軸承與機加工件配合及軸承參數

軸承內圈與芯軸的配合采用過盈連接，由于內圈與芯軸的緊密連接會導致軸承游隙值發生變化。軸承外圈與齒輪箱的配合采用間隙配合，該配合關系不會影響軸承游隙。一般情況下，軸承內圈滾道的擴張量可近似取其配合過盈量的80%，軸承外圈的收縮量可近似取其過盈量的70%。經計算，該卷筒軸承由于軸承內圈過盈引起的游隙變化值如表2所示。

表2 卷筒支撐位置由于軸承與機加工件過盈引起軸承游隙變化量

根據表2中軸承游隙的變化量計算卷筒軸承的綜合間隙，如表3所示。

根據表3卷筒軸承的最大及最小綜合間隙計算卷筒的水平度，如表4所示。

表3 卷筒支撐位置綜合間隙

2.2.2 正常生產過程中（考慮軸承內外圈溫差引起膨脹不同的影響）

正常生產時，由于齒輪箱的散熱情況引起軸承內外圈溫度不同，從而引起軸承徑向游隙變化，變化量ΔGrt可以按照公式近似計算：

表4 軸承游隙對卷筒水平度的影響

其中：α為鋼的線膨脹系數，取α=0.000011 K-1；d為軸承內徑，mm；D為軸承外徑，mm。

根據公式計算結果如表5所示。

將表4與表6進行比較可以發現，由于軸承內外圈溫差的影響使軸承間隙減小，從而減小對卷筒水平度的影響。

綜合來看，軸承游隙及配合對卷筒水平度的影響較大，在安裝過程中應當予以考慮。

3 結語

通過對卷筒水平度的影響因素的分析，我們可以發現大懸臂量及軸承游隙對卷筒水平度的影響都是不容忽視的，所以無論在設備安裝還是正常使用時都應將卷筒軸頭采用外支撐進行有效支撐，并保持卷筒的水平度在0.05 mm/m范圍內，且卷筒水平度要求軸頭上翹。

表5 軸承在正常生產時由于軸與殼的散熱條件和膨脹系數不同導致軸承游隙的變化量

表6 軸承游隙對卷筒水平度的影響（考慮軸承內外圈溫差）