承鋼CPL卷取機卷筒設計優化

王超 欒英偉 王偉

（承德鋼鐵集團有限公司 河北承德067000）

1 前言

帶鋼卷取機是軋鋼生產線上的一種常用設備，廣泛應用于軋鋼、酸洗、脫脂、連退、平整、縱剪、重卷、鍍鋅、鍍錫等生產線。卷筒作為開、卷取機的核心零部件，決定了開、卷取機的適用范圍、運行穩定性、壽命及維修周期等；因此卷筒的結構及形式優良與否，在很大程度上影響了開、卷取機的整體穩定性及使用壽命。

目前承德鋼鐵集團擁有國內首條8mm板厚的高強連續酸洗線，此酸洗線卷取機卷筒［1］采用了四斜楔＋周向機械鉗口的結構；與同類卷筒相比，雖然結構復雜，技術含量高，制造難度大；但具有高效率、大張力、張力及鉗口夾緊力皆可調等優點。承鋼酸洗產品大綱厚度1.0mm～8mm、帶寬900mm～1630mm，最高強度980MPa，產品種類多，厚度和強度跨度范圍特別大，此卷筒在線工作正常，滿足生產大綱中所有帶鋼的生產需求。

2 卷筒結構原理

在討論卷筒的結構及原理之前，要先了解常見的卷取機的整機結構。如圖1所示，卷取機主要由卷筒、減速箱、底座、主電機、對中油缸、外支撐等幾大部分組成。底座及箱體主要起承載卷筒本體及承受載荷的作用；主電機是卷筒旋轉的動力來源；對中油缸主要作用為調節箱體位置，保證帶鋼中心線對準機組中心線；外支撐主要是在卷取帶鋼支撐卷筒頭部，使卷筒在工作時具有足夠的剛度，同時也可以克服張力和卷重對卷筒的影響；卷筒尾端的漲縮液壓缸通過軸向運動控制卷筒徑向的漲大與縮小，主電機通過減速箱帶動卷筒旋轉，實現帶鋼的卷取過程。

圖1 卷取機結構示意圖1-卷筒；2-減速箱；3-固定底座；4-主電機；5-對中油缸

2.1 卷筒組成結構

如圖2所示，卷筒主要由主軸、拉桿、延伸軸、斜楔、扇形板［2］、頭部支撐部件、鉗口部件、十字塊、夾緊筒、碟簧組件等零部件構成。主軸前半部分為空心四棱結構，后半部分為空心臺階軸結構；拉桿穿入主軸內部圓孔中，并可由油缸驅動相對主軸做軸向運動；延伸軸通過螺栓固定于主軸端部；斜楔通過十字塊連接于拉桿上并隨拉桿做軸向運動；扇形板安裝于斜楔上，斜楔的軸向運動通過斜面轉化為扇形板的徑向移動；頭部支撐部件安裝于延伸軸端部；鉗口座及鉗口夾板為斜面配合結構，安裝于鉗口扇形板外圓面凹槽處；十字塊及夾緊筒安裝于拉桿前端，并通過螺母固定在拉桿上；碟簧組件安裝于夾緊筒內部。

圖2 卷筒結構示意圖

2.2 卷筒工作原理

以圖2為例，卷筒工作時，脹縮油缸通過拉桿帶動斜楔在主軸的凹槽內向右做軸向運動時，通過斜楔斜面結構使扇形板向上做徑向運動，實現卷筒的漲大，同時拉桿通過碟簧組件帶動夾緊筒向右做軸向運動，并帶動鉗口座作軸向運動，通過斜面結構使鉗口夾板做沿卷筒外圓圓周切線方向的運動（后續簡稱周向運動），實現鉗口的夾緊，“咬”住帶鋼頭部，主電機通過減速箱帶動卷筒旋轉進行帶鋼的卷取，此為卷筒的漲大及鉗口夾緊過程；卷取一卷帶鋼完成后，脹縮油缸通過拉桿帶動斜楔向左做軸向運動，使扇形板向下做徑向運動，實現卷筒的縮徑，同時拉桿帶動夾緊筒向左做軸向運動，使鉗口的張開，方便帶卷脫卷，在推板裝置與卸卷小車的同步作用下，將帶卷順利移出，完成了一卷帶鋼的卷取過程。

3 卷筒主要結構特點及優勢

本文所述卷筒在結構形式上屬于四斜楔結構形式，結構較為復雜、精度要求較高，加工制造難度較大，但也有以下幾點優勢及特點，現列如下。

3.1 鉗口結構

鉗口裝置是卷筒重要組成部份，結構合理的鉗口裝置應具有夾緊力均勻、不打滑；運行穩定、安全可靠等特點；且要求維護檢修方便，互換性強；同時對帶鋼內層的影響盡可能小。

目前常見的鉗口結構，為了便于加工鉗口油缸座孔及內部結構，常將固定鉗口條（一）及固定鉗口條（二）設置為單獨的零件，并通過螺栓連接到扇形板上，如圖3所示；此種結構在卷筒工作時，作用在固定鉗口條（一）上的鉗口夾緊力會使此鉗口條的把合螺栓承受較大的周期性變載荷拉應力，易引起螺栓的變形、松動甚至斷裂。進而導致鉗口的變形卡死或夾不住鋼。

圖3 鉗口結構示意圖

本文所述卷筒鉗口為周向鉗口結構，鉗口座及鉗口夾板安裝于鉗口扇形板的外圓凹槽處，通過斜面滑動將鉗口座的軸向運動轉化為鉗口夾板的周向運動，如圖4所示；此結構鉗口相當于將圖3中的扇形板及固定鉗口條（一）合并為一個整體的零件，取消了承受周期性變載荷拉應力的把合螺栓，原螺栓拉應力被扇形板承擔，結構強度高，運行穩定、安全可靠，有效解決了把合螺栓變形、松動甚至斷裂導致鉗口失效的問題，且加裝了不同厚度的、可以定期拆卸更換的鉗口條，可卷取不同厚度規格的帶鋼，定期拆卸更換的鉗口條也大大增加了整個鉗口部件的使用壽命。

圖4 鉗口結構示意圖

由于本結構扇形板上的外圓凹槽徑向深度較淺，無需加工常見結構的較深的徑向鉗口油缸孔，因此本結構的扇形板徑向尺寸可以做的更小、更薄，在同樣卷徑的前提下，主軸直徑更大，可以提高卷筒的整體剛度，更好的克服張力和卷重對卷筒的影響。

3.2 調節鉗口夾緊力的碟簧組件

就卷取機卷筒的驅動形式來分，一般分為機械鉗口和液壓鉗口兩大類；機械鉗口即為通過機械零件之間的傳動實現鉗口夾緊及張開的鉗口結構，液壓鉗口即為通過液壓實現鉗口夾緊及張開的鉗口結構。

這兩種結構的鉗口分別有各自的優點與缺陷，機械鉗口運行穩定、傳動可靠，在設計制造合格的前提下可以運行很長時間，即使有少許磨損也可正常使用，但機械鉗口為剛性結構，沖擊較大，對帶鋼厚度要求嚴格，張力較小，鉗口夾緊力相對較小且不可調；液壓鉗口傳動平穩，鉗口夾緊力較大且可調，但液壓系統成本較高，液壓鉗口所占體積較大，因此在較薄的扇形板上難以應用，且加工精度要求高，整個鉗口油路任何一點泄露都會導致鉗口夾緊力下降，鉗口失效［3］，并污染帶鋼。

為解決上述問題，本文所述卷筒采用了機械鉗口的方式，但在夾緊筒內部設有碟簧組件，巧妙解決了機械鉗口沖擊大、鉗口夾緊力不可調的弊端，實現了有緩沖的、鉗口夾緊力可調的機械鉗口。如圖5所示，夾緊筒為空腔結構，內部安裝有碟簧組件，通過螺母將碟簧組件壓緊安裝到拉桿上；拉桿向右移動時，十字塊帶動斜楔向右運動，帶動扇形板徑向運動，卷筒漲大；同時拉桿通過碟簧組件帶動夾緊筒運動實現鉗口夾緊。由于拉桿和夾緊筒之間為碟簧組件軟連接，消除了常見機械結構的剛性連接沖擊，并可通過調整碟簧片數量和預緊力的方式來調整鉗口夾緊力的大小，實現了有緩沖的、鉗口夾緊力可調的機械鉗口。

圖5 碟簧組件示意圖

3.3 側向偏移的夾緊筒

本文所述卷筒的夾緊筒采用了側向偏移的結構，如圖4（a）所示，夾緊筒的突出部分沿Y軸正方向延伸，但向X軸正方向偏移；一般情況下，夾緊筒的突出部分應該與圖4（a）的Y軸正方向重合，這樣可以保證拉桿的拉力在X軸方向上沒有分量，那么為何本文所述卷筒的夾緊筒采用了側向偏移的結構呢？結合圖4（b）可以得知，在鉗口扇形板外圓凹槽大小不變的情況下，如果夾緊筒的突出部分與Y軸方向重合，那么就會侵占圖4（b）中擋塊的空間，使得擋塊在鉗口夾板的運動方向上的厚度減小，難以限制鉗口夾板的軸向移動，容易出現鉗口卡死的現象，因此本文所述卷筒的夾緊筒采用了側向偏移的結構，為圖4（b）中的擋塊讓出了空間，預防了因為擋塊厚度不足引起的鉗口卡死的問題。

4 問題及相應設計優化

本卷筒在上機使用過程中也暴露出一些問題，現將這些問題及改造方案列如下述。

4.1 夾緊筒外圓優化

在本卷筒原設計中，卷筒傳動側拉桿上設有自潤滑銅套，用于減小拉桿和主軸之間的磨損，起到支撐及耐磨的作用。在卷筒操作側并沒有相關防止磨損的措施，起到支撐及耐磨作用的是夾緊筒及十字塊，夾緊筒、十字塊及主軸材料均為42CrMo，但由于夾緊筒及十字塊經氮化處理，硬度較高，主軸僅調質處理，且公差配合為H7／f7，因此在卷取帶鋼時，卷筒操作側載荷作用在夾緊筒及十字塊與主軸配合處，會導致主軸磨損，尤其是主軸內孔磨損嚴重。

為解決這一問題，采用在夾緊筒外圓面堆焊鋁青銅并減小十字塊外圓直徑的改造方案；堆焊鋁青銅可減少夾緊筒與主軸內壁摩擦力，十字塊外圓直徑減小，避免與主軸內孔接觸，如此方案可達到避免損傷主軸的目的。

4.2 斜楔底部優化

在本卷筒原設計中，斜楔及主軸材料均為42CrMo，但斜楔經氮化處理，硬度較高，主軸僅調質處理，硬度較低，且斜楔與主軸配合面為承壓滑動面，因此在卷取帶鋼時，斜楔的軸向移動會導致主軸異常磨損。

為解決這一問題，采用在斜楔和主軸摩擦面之間增加自潤滑銅滑板的方案。自潤滑銅滑板可減少斜楔與主軸的摩擦力，避免主軸直接與斜楔接觸，如此方案可達到避免損傷主軸的目的。

4.3 鉗口倒角優化

在本卷筒原設計中，鉗口夾板根部圓角為R20，在卷取剛性較大或厚度較大等難以折彎的帶鋼時，在此圓角處會造成鋼卷凸起、鼓包等缺陷，如圖6（a）所示；這種現象會影響鋼卷最內幾層鋼帶的質量，嚴重時會導致整個鋼卷為橢圓形，卸卷小車無法穩定托舉鋼卷，導致卸卷困難。

為解決這一問題，采用加大此處圓角的優化方案；隨著此圓角的加大，帶鋼的折彎曲率逐漸變小，帶鋼可以更好地貼合卷筒外圓，避免鋼卷凸起、鼓包等現象。實際現場逐漸加大此圓角并試驗，最終確定了將此圓角修改為R40，如圖6（b）所示，有效解決了鋼卷凸起、鼓包的現象。

圖6 鉗口圓角對比示意圖

5 結論

（1）本文所述卷取機卷筒結構緊湊、加工難度大，但具有高效率、高精度、大張力等優勢。

（2）本卷筒的鉗口裝置夾緊均勻、穩定可靠、傳動平穩無沖擊，通過碟簧組件巧妙的實現了有緩沖的、鉗口夾緊力可調的機械鉗口。

（3）采用堆焊鋁青銅和增加自潤滑耐磨銅板的方式，有效避免了主軸的異常磨損，自潤滑耐磨銅板可拆卸更換，維修方便，經濟效益顯著。

（4）加大了鉗口夾板圓角，有效的避免了鋼卷凸起、鼓包影響整卷鋼卷質量的現象。