冷軋帶鋼臥式活套設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)應(yīng)用

王明龍，孟祥東

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

活套是現(xiàn)代冷軋帶鋼連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組中的重要設(shè)備之一，用于儲(chǔ)存帶鋼，通過(guò)活套的“充套”和“放套”動(dòng)作的交替運(yùn)行，保證連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組的連續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。另外，活套可以對(duì)連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行分段，活套前后的生產(chǎn)速度可以根據(jù)工藝需求設(shè)置為不同速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靈活控制。當(dāng)活套出口帶鋼速度小于入口帶鋼速度時(shí)，活套內(nèi)存儲(chǔ)的帶鋼長(zhǎng)度增大，活套即處于“充套”狀態(tài)；當(dāng)活套出口帶鋼速度大于入口帶鋼速度時(shí)，活套內(nèi)存儲(chǔ)的帶鋼長(zhǎng)度減小，活套即處于“放套”狀態(tài)[1]。

冷軋帶鋼連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組中的活套主要分為2種形式：臥式活套（水平活套）和立式活套。前者帶鋼呈水平方向運(yùn)行，后者帶鋼呈垂直方向運(yùn)行。而決定采用哪一種活套形式的因素很多，主要有帶鋼厚度、廠房高度、連續(xù)退火爐形式、生產(chǎn)線長(zhǎng)度及生產(chǎn)線工藝速度等。

臥式活套的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要高大的廠房，但長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般配合連續(xù)酸洗機(jī)組、酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組、連續(xù)酸洗平整機(jī)組及臥式連續(xù)退火爐使用。在設(shè)計(jì)時(shí)，常將入口水平活套放置在酸洗槽或臥式連續(xù)退火爐的下方或地下室里，充分利用酸洗槽或臥式連續(xù)退火爐占用的車間長(zhǎng)度，無(wú)需新增車間長(zhǎng)度。出口水平活套常被放置在酸洗槽和出口段設(shè)備下方的地下室內(nèi)或架設(shè)在出口段設(shè)備上方的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上。

與臥式活套相比，立式活套的特點(diǎn)正好相反，立式活套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較高的車間，但是水平長(zhǎng)度較短，一般配合立式連續(xù)退火爐使用，立式活套與立式連續(xù)退火爐設(shè)計(jì)在同一軌面標(biāo)高的廠房?jī)?nèi)。

本文對(duì)冷軋帶鋼生產(chǎn)機(jī)組中應(yīng)用的典型臥式活套進(jìn)行了分類介紹，內(nèi)容主要包括設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用及主要設(shè)備參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 臥式活套設(shè)備結(jié)構(gòu)及組成

臥式活套設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照不同的分類方式有多鐘結(jié)構(gòu)型式，下面就對(duì)幾種比較典型的分類方式進(jìn)行介紹。

1.1 臥式活套按支撐帶鋼的設(shè)備結(jié)構(gòu)分類

臥式活套按照支撐帶鋼的設(shè)備結(jié)構(gòu)不同分類，可以分為活套托輥車支撐帶鋼式及活套擺動(dòng)門(mén)支撐帶鋼式。

1）活套托輥車支撐帶鋼式。該型式活套設(shè)備主要由活套傳動(dòng)裝置、活套索具、活套車、活套托輥車、牽引鏈、活套軌道及車擋、底層托輥組成[2]，如圖1所示。

圖1 托輥車支撐帶鋼式臥式活套

活套傳動(dòng)裝置用于產(chǎn)生牽引活套車運(yùn)行的動(dòng)力，保證帶鋼張力。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)、卷?yè)P(yáng)、鋼絲繩等機(jī)構(gòu)，拖動(dòng)活套車運(yùn)行，完成“充放套”動(dòng)作。部分活套傳動(dòng)裝置上設(shè)置有鋼絲繩布線裝置，用以保證鋼絲繩進(jìn)入卷?yè)P(yáng)機(jī)時(shí)與繩槽同向，從而保證鋼繩在卷?yè)P(yáng)機(jī)上不會(huì)“跳繩”。

活套索具用于牽引活套車。

活套車車架為帶有4個(gè)車輪的框架機(jī)構(gòu)。活套車上設(shè)有活套輥和支撐輥，用于帶鋼轉(zhuǎn)向和保持各層帶鋼的間距。活套車由鋼絲繩與活套傳動(dòng)裝置的卷?yè)P(yáng)連接。

活套托輥車用于托住活套內(nèi)帶鋼，減少因帶鋼自重下垂引起的額外張力損失，并防止因帶鋼下垂過(guò)大彼此接觸產(chǎn)生擦劃傷。活套托輥車及活套車之間通過(guò)牽引鏈連接，當(dāng)活套車“充套”時(shí)，活套車通過(guò)牽引鏈拖動(dòng)活套托輥車運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到牽引鏈長(zhǎng)度限制時(shí)活套托輥車停止運(yùn)行；當(dāng)活套車“放套”時(shí)，活套車接觸到活套托輥車并推動(dòng)其運(yùn)行。

活套軌道用于支撐活套車及活套托輥車運(yùn)行，在軌道兩端設(shè)有車擋（緩沖器）用于吸收事故狀態(tài)時(shí)活套車及活套托輥車的沖擊能量。

底部托輥用于支撐底部帶鋼，由托輥和支架組成。

托輥車式活套一般應(yīng)用于活套車“充放套”速度較慢的情況，廣泛應(yīng)用于連續(xù)鍍鋅機(jī)組、連續(xù)退火機(jī)組及不銹鋼退火酸洗機(jī)組。

2）活套擺動(dòng)門(mén)支撐帶鋼式。該型式臥式活套設(shè)備主要由活套傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向滑輪組、活套車、活套擺動(dòng)門(mén)、底部托輥、活套軌道及車擋、鋼繩牽引裝置、活套換輥小車組成，如圖2所示。

圖2 擺動(dòng)門(mén)支撐帶鋼式臥式活套

擺動(dòng)門(mén)式活套與托輥車式活套的區(qū)別在于支撐帶鋼所采用的設(shè)備型式不同，其它結(jié)構(gòu)類似。另外，擺動(dòng)門(mén)式活套一般應(yīng)用于活套車“充放套”速度較大的情況，廣泛應(yīng)用于連續(xù)酸洗機(jī)組、酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組及連續(xù)酸洗平整機(jī)組。

1.2 臥式活套按活套車的控制方式分類

臥式活套按照活套車的控制方式不同分類，可以分為單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式及雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式。

1）單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式。該型式的活套車一側(cè)與鋼繩相連，另一側(cè)牽引帶鋼，在鋼繩牽引力與帶鋼張力雙重作用下實(shí)現(xiàn)活套車兩側(cè)的受力平衡。當(dāng)活套“充套”時(shí)，活套車以鋼繩牽引力為主動(dòng)力，帶鋼張力為平衡力；當(dāng)活套“放套”時(shí)，活套車以帶鋼張力為主動(dòng)力，鋼繩牽引力為平衡力。該類活套廣泛應(yīng)用于各種機(jī)組，結(jié)構(gòu)可靠，控制簡(jiǎn)單。設(shè)備組成如圖2所示。

2）雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式。該型式的活套車兩側(cè)皆與鋼繩連接，以實(shí)現(xiàn)活套車始終處于鋼繩的控制下，從而有效降低了在“充放套”換向過(guò)程中產(chǎn)生的張力波動(dòng)，并且可以有效防止帶鋼斷帶時(shí)活套車沖擊活套內(nèi)其它設(shè)備的事故。該型式臥式活套一般應(yīng)用于活套車速度較快，如酸軋機(jī)組。與單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套相比，該類活套結(jié)構(gòu)組成、傳動(dòng)控制都要復(fù)雜。設(shè)備組成如圖3所示。

圖3 雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式臥式活套

雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車式活套的傳動(dòng)裝置有兩種常用的結(jié)構(gòu)，一種為圖3所示的卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，另一種為圖4所示的三滑輪結(jié)構(gòu)。卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)前期投資大，后期維護(hù)成本低，鋼繩壽命長(zhǎng)；三滑輪結(jié)構(gòu)前期投資少，但是后期維護(hù)成本高，需要定期更換輪襯及鋼繩，鋼繩壽命短，設(shè)備維護(hù)工作量大。

圖4 三滑輪結(jié)構(gòu)活套傳動(dòng)裝置

2 臥式活套設(shè)備工作原理

臥式活套在活套傳動(dòng)裝置的牽引力和帶鋼張力雙重作用下，通過(guò)活套車的往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)活套的“充套”和“放套”，如圖5所示。

圖5 臥式活套工作原理圖

3 臥式活套設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 臥式活套傳動(dòng)裝置能力計(jì)算

1）單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車傳動(dòng)裝置能力計(jì)算。活套車在鋼繩牽引力及帶鋼張力雙重作用下在軌道上前后運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)活套的“充套”與“放套”，受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車受力簡(jiǎn)圖

圖6中，活套車的受力情況如下：1）4層帶鋼張力F1、F2、F3、F4。因?yàn)閹т摻?jīng)過(guò)多個(gè)轉(zhuǎn)向輥或糾偏輥而產(chǎn)生了帶鋼張力的損失，導(dǎo)致4層帶鋼張力各不相同，計(jì)算時(shí)一般選取4層帶鋼張力的平均值進(jìn)行計(jì)算，即F帶=（F1+F2+F3+F4）/4。2）活套車傳動(dòng)裝置（即卷?yè)P(yáng)）通過(guò)鋼繩對(duì)活套車的牽引力F牽。3）活套車在軌道上運(yùn)行時(shí)的阻力F阻。F阻的方向只與活套車的運(yùn)行方向有關(guān)，即與活套車運(yùn)行方向相反，因此在“充套”與“放套”時(shí)F阻的方向相反，這將導(dǎo)致F牽的大小發(fā)生變化。4）鋼繩牽引力F牽。根據(jù)F阻在活套“充套”與“放套”時(shí)的方向，“充套”時(shí)F牽=F1+F2+F3+F4+F阻=4×F帶+F阻；“放套”時(shí)F牽=F1+F2+F3+F4-F阻=4×F帶-F阻。實(shí)際生產(chǎn)中活套車總是處于“充套”與“放套”不斷切換，而且在“充套”時(shí)對(duì)傳動(dòng)裝置能力要求更大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮“充套”時(shí)鋼繩牽引力即可，即F牽=F1+F2+F3+F4+F阻=4×F帶+F阻。

傳動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)功率P=F牽×v/η=（4×F帶+F阻）×v/η。其中：v為活套車速度，m/s；η為機(jī)構(gòu)效率（一般取0.85～0.9）；F牽單位為N；P單位為W。

2）雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車傳動(dòng)裝置能力計(jì)算。活套車在兩側(cè)鋼繩及帶鋼雙重作用下在軌道上前后運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)活套的“充套”與“放套”，其受力情況如圖7和圖8所示。與單向鋼繩驅(qū)動(dòng)式的根本區(qū)別在于活套車兩側(cè)皆被鋼繩牽引，即使沒(méi)有帶鋼也可以實(shí)現(xiàn)活套車的前進(jìn)及后退，可以保證活套車始終處于可控狀態(tài)。

圖8 雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車受力簡(jiǎn)圖（三滑輪結(jié)構(gòu)）

如圖7所示，活套車的受力情況如下：1）帶鋼總張力為F帶總。該力與單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車的帶鋼張力和相同，在此不再贅述。2）張緊力F張緊。為了保證活套車時(shí)刻處于受控狀態(tài)，需要在活套車的帶鋼一側(cè)提供一個(gè)張緊力F張緊，該力是由鋼繩張緊液壓缸提供。F張緊對(duì)卷?yè)P(yáng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與F牽對(duì)卷?yè)P(yáng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反，可以相互抵消一部分轉(zhuǎn)矩。3）鋼繩牽引力F牽。根據(jù)F阻在活套“充套”與“放套”時(shí)的方向可知，“充套”時(shí)F牽=（F帶總+2F張緊+F阻）/2，“放套”時(shí)F牽=（F帶總+2F張緊-F阻）/2。設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮“充套”時(shí)鋼繩牽引力，即F牽=（F帶總+2F張緊+F阻）/2。

圖7 雙向可控鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車受力簡(jiǎn)圖（卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)）

傳動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)功率P=（F牽-F張緊）×v×2/η=（F帶總+F阻）×v/η。其中：F帶總、F張緊單位為N。將該式與單向鋼繩驅(qū)動(dòng)活套車傳動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算式比較后可以發(fā)現(xiàn)，鋼繩張緊液壓缸提供的用于張緊鋼繩的力并不會(huì)影響傳動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)功率。但是F張緊會(huì)影響F牽，F(xiàn)張緊越大，F(xiàn)牽也越大，因此F張緊不可選擇太大，否則對(duì)鋼繩承載能力要求太大。

如圖8所示，活套車的受力情況如下：帶鋼總張力F帶總、張緊力F張緊、活套車在軌道上運(yùn)行時(shí)的阻力F阻及活套車牽引力F牽皆與卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)式驅(qū)動(dòng)相同。因此，鋼繩驅(qū)動(dòng)滑輪的總功率也與卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)功率相同。

三滑輪結(jié)構(gòu)活套車傳動(dòng)裝置通過(guò)鋼繩與滑輪輪襯之間的摩擦力為活套車提供牽引力F牽。滑輪的受力規(guī)律符合歐拉定理[3-4]，即滑輪入口與出口之間的張力可以產(chǎn)生一個(gè)放大或縮小效應(yīng)，放大系數(shù)為eμα，其中μ為滑輪與鋼繩之間的摩擦因數(shù)，α為鋼繩在滑輪上的包角。

如圖8所示，三滑輪將鋼繩張力從F張緊提升至F牽需要經(jīng)過(guò)三套獨(dú)立的傳動(dòng)裝置將鋼繩張力逐步增大，增大過(guò)程經(jīng)過(guò)了3次放大，F(xiàn)牽最大可以放大到F張緊的（eμα）3倍，即F牽max=F張緊×（eμα）3。

假設(shè)三滑輪每一個(gè)滑輪的放大倍數(shù)為λ，λ3=F牽/F張緊，且λ＜eμα。鋼繩的牽引力F牽=F張緊×λ3；滑輪1與滑輪2之間的鋼繩張力F12=F張緊×λ2；滑輪2與滑輪3之間的鋼繩張力F23=F張緊×λ。

鋼繩驅(qū)動(dòng)滑輪1傳動(dòng)功率P1=（F牽-F12）×v×2/η=F張緊×（λ-1）×λ2×v/η，鋼繩驅(qū)動(dòng)滑輪2傳動(dòng)功率P2=（F12-F23）×v×2/η=F張緊×（λ-1）×λ×v/η，鋼繩驅(qū)動(dòng)滑輪3傳動(dòng)功率P3=（F23-F張緊）×v×2/η=F張緊×（λ-1）×v/η，鋼繩驅(qū)動(dòng)滑輪總傳動(dòng)功率

通過(guò)以上公式可以發(fā)現(xiàn)，雙向可控活套中傳動(dòng)裝置消耗的總功率僅與作用于活套車上的帶鋼總張力及活套車運(yùn)行過(guò)程中的阻力有關(guān)，而張緊鋼繩的拉力并不影響傳動(dòng)裝置的總功率。但是張緊鋼繩的拉力F張緊越大，所需的鋼繩的牽引力F牽也就越大，所需鋼繩的承載能力也就越大，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中需要合理選擇張緊鋼繩的拉力F張緊。

3.2 臥式活套托輥間帶鋼垂度計(jì)算

冷軋帶鋼連續(xù)線中的活套一般較長(zhǎng)，需要間隔一定距離設(shè)置托輥，用以支撐帶鋼運(yùn)行，防止帶鋼層間接觸摩擦。

帶鋼在臥式活套中運(yùn)行時(shí)，無(wú)論對(duì)活套內(nèi)帶鋼施加多大的張力，在其自重的作用下，在相鄰兩根托輥之間必然產(chǎn)生一定的懸垂度。一旦帶鋼懸垂度過(guò)大，帶鋼就有可能與下方設(shè)備或下層帶鋼接觸，產(chǎn)生擦劃傷，進(jìn)而產(chǎn)生帶鋼表面質(zhì)量缺陷。

而在冷軋帶鋼臥式活套的實(shí)際設(shè)計(jì)及應(yīng)用中，活套內(nèi)的帶鋼張力一般是給定的，這就需要我們根據(jù)給定的帶鋼張力計(jì)算帶鋼懸垂度，從而合理選擇相鄰?fù)休佒g的間距。在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般采用懸鏈線方程求解帶鋼最大懸垂度，帶鋼在相鄰兩托輥之間受力情況如圖9所示。

圖9中：A（x1，y1）為托輥1與帶鋼接觸處坐標(biāo)；B（x2，y2）為托輥2與帶鋼接觸處坐標(biāo)；O（0，a）為最大懸垂點(diǎn)的坐標(biāo)；C（x，y）為任意點(diǎn)帶鋼坐標(biāo)；L為托輥1與托輥2之間距離；T為帶鋼張力。推導(dǎo)得出如下帶鋼懸鏈線方程[5]：

圖9 帶鋼在相鄰兩托輥之間受力簡(jiǎn)圖

式中：a為與方程有關(guān)的常量，且a=T/γ=t/ρ；γ為單位長(zhǎng)度帶鋼質(zhì)量；t為帶鋼單位張力；ρ為帶鋼材料密度。

臥式活套內(nèi)托輥一般設(shè)置在相同標(biāo)高，即y1=y2。

點(diǎn)A與點(diǎn)B之間間距為L(zhǎng)，則x2=L/2，代入懸鏈線方程求得y2，從而可以求得帶鋼最大懸垂量h的計(jì)算公式為

通過(guò)以上公式的推導(dǎo)可知帶鋼的最大懸垂量?jī)H與相鄰?fù)休侀g距L、帶鋼材料密度ρ和帶鋼單位張力t有關(guān)，與帶鋼的厚度和寬度無(wú)關(guān)。實(shí)際工程中帶鋼材料密度ρ一般為定值，而帶鋼單位張力t可以根據(jù)生產(chǎn)工藝確定，進(jìn)而根據(jù)帶鋼的最大懸垂量來(lái)選擇確定相鄰?fù)休侀g距L，為臥式活套設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

臥式活套作為軋鋼生產(chǎn)的一種重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種冷軋連續(xù)生產(chǎn)線，本文按照不同的分類方式分別介紹了幾種典型臥式活套的設(shè)備組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用，為冷軋生產(chǎn)線設(shè)備設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。另外對(duì)臥式活套傳動(dòng)裝置能力及托輥間帶鋼垂度設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的計(jì)算公式，通過(guò)公式可以發(fā)現(xiàn)臥式活套傳動(dòng)裝置消耗的總功率僅與作用于活套車上的帶鋼總張力及活套車運(yùn)行過(guò)程中的阻力有關(guān)，雙向可控活套中張緊鋼繩的拉力不影響傳動(dòng)裝置的總功率；托輥間帶鋼的最大懸垂量?jī)H與相鄰?fù)休侀g距、帶鋼材料密度和帶鋼單位張力有關(guān)，與帶鋼的厚度和寬度無(wú)關(guān)。通過(guò)本文對(duì)冷軋帶鋼臥式活套設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用及主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的介紹，可以為冷軋帶鋼臥式活套設(shè)備設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。