带材精整机组中开卷机的设计与计算

带材精整机组中开卷机的设计与计算

杨文元费玉石

［摘要］这里概述了开卷机的主要结构形式与特点，并推导出开卷机设计计算的公式，并就现代开卷机的设计，进行了初步探讨。可供开卷机设计参考。

关键词：带材精整机组开卷机设计

1 开卷机概述

开卷设备大体可分为：悬臂式开卷机、双圆柱头式开卷机和双锥头式开卷机。

悬臂式开卷机具有刚性大，开卷张力较大等优点，故适用于较薄带材的开卷。

悬臂式开卷机和双圆柱头开卷机，已成功地应用于带材精整机组及冷连轧机组。最近几年，西德和美国一些机械制造公司和生产厂，大力推广双圆柱头开卷机。国外生产实践证明，双圆柱头开卷机上料操作方便，工作平稳可靠，其结构也比悬臂式开卷机简单。其缺点是，由于采用两套传动装置，双圆柱头开卷机设备重量比悬臂式开卷机要大。

由于双锥头开卷机，锥头部分和带内卷圈接触面积太小，带张力操作时，容易损坏带材的头部。目前已不大采用。

图1为某机组悬臂式开卷机的结构形式。

图1 悬臂式开卷机

1 卷筒

2 传动装置

3 减速机

4 电机

5 胀缩油缸

6 对中油缸

2 开卷机结构设计

2.1 卷筒

胀缩式卷筒基本上有以下四种结构形式：弓形板式、平行四连杆式、四棱锥式、四斜楔式。其中平行四连杆式和四棱锥式两种结构比较常见。

平行四连杆式卷筒是用四块结构尺寸基本相同的弧形板组成，每块弧形板和轴上的支撑套筒用四条短连杆相联形成平行四连杆机构，依靠短连杆倾斜角的变化产生筒径的胀缩(图2)。

图2 平行四连杆式卷筒

四棱锥式卷筒的筒体由四块扇形板组成，扇形板的内侧有阶梯形斜面与中心四棱锥的阶梯斜面相配合，利用四棱锥的少量轴向滑动形成外径的胀缩(图3)。

图3 四棱锥式卷筒

2.2开卷机张力的确定与形成

机组张力的选用应十分慎重。采用大张力，使传动设备加大，增加投资。过大的张力还可能拉断带材。小张力可能使带材跑偏。实用上常按生产经验选用。一般可按表1选取单位张力值。

表1 单位张力σ0值

除按表1选用以外，单位张力值σ

0还可以按下列经验公式计算求得：σ

=kσ

s

(MPa)

式中：k-张力系数，可按表2选取；

σ

s

-带材屈服极限，MPa。

表2 张力数k值

注：表中h为带材厚度

开卷张力的形成主要有三种方式：机械抱闸式、磁粉制动器式、直流拖动式。

机械抱闸式的特点是结构简单，投资少，但张力不易控制。通过磁粉制动器形成开卷张力，可以通过调整激磁电流调节系统张力大小，易于实现自动控制，但所能解形成的最大张力受磁粉制动器最大力矩限制，因此适用于小开卷张力机组。大中型带材精整机组一般采用直流拖动方式形成所需的开卷张力。

2.3 开卷机对中调节

对于一般的带材精整机组，都要求开卷机具有对中调整功能，即在上卷时和工作过程中，始终保证带材中心线与机组中心线重合，以保证机组能正常工作。

目前采用的纠偏系统主要有光电液纠偏系统和气电液纠偏系统。但光电液纠偏系统应用比较成熟。

在光电液纠偏系统中，光电头固定在带材的边缘，使带材位于光源的中心线位置，当带材跑偏时，将引起电信号的变化，系统将此变化反馈给液压对中油缸，推动开卷机，实现自动对中。

3 开卷机设计计算

3.1 压辊压紧力计算

一般在开卷机上均设有压辊，用来压紧带材，增加制动力矩，有利于正常开卷。有时还可把压辊做成传动，这样对开卷引料也有一定好处。如图4所示，压紧力P可按下式决定：

图4 压紧力受力分析

式中：R-带卷半径(m)；

a-开卷角(o)；

M

弹.塑-带材在压辊压紧力作用下，带材所产生弹塑弯曲力矩值(Nm)；M

弹.塑

可由下式

决定：

式中：h

1

-带材横截面上弹性区部分高度，

即

-带材屈服限(MPa)；

h-带材厚度(m)；σ

s

E-带材弹性模量(MPa)。

3.2 卷筒径向压力N计算

为了不使带卷内径与卷筒打滑，必须胀紧卷筒，产生足够的摩擦力。使此摩擦力产生的力矩值，与开卷张力所引起力矩值相平衡(如图5)所示。据此可写出平衡方程，从而可决定卷筒径向压紧力N。

图5 带卷力分析

式中：—带卷卷径比，即带卷外径与内径之比；

μ-带卷内径与卷筒的摩擦系数，一般卷筒上刻有刻痕，取μ=0.2～0.3；T—开卷张力(N)。

按上式可计算卷筒径向压紧力，并按此径向压紧力N，设计计算卷筒胀缩机构。实际计算时，考虑受力不均匀，开卷张力一般取1.3～1.5T计算。

3.3 开卷机传动计算

设计时，开卷机传动功率一般按下式计算：N=Tvη

式中：T-开卷张力(N)；

v-机组速度(m/s)；

η-效率(开卷机电机工作时处于制动状态，所以应乘以效率)。

为保证机组速度恒定，电机转速应随卷径变化而变化。一般地，弱磁转速范围小于卷径变化范围，这时应考虑电机功率有所储备。

4前景

随着现代科技进步，尤其是控制技术的进步，带材精整机组技术亦迅速发展。主要表现在高速、高精度带材精整机组的出现，先进的控制思想的运用。如以铝箔纵剪机组为例，机组速度一般在300m/min，最高可达600m/min，剪切精度在±0.01mm。

这就要求开卷机的设计在结构上，运用先进的设计手段，提高整机精度，提高机械强度、刚度，减少重量。控制上，一般都采用进口机芯，如SIEMENS，ABB等。对中系统要求具有高频响应能力，以适应机组高速、高精度的要求。

作者简介：杨文元（1943）男.辽宁省机械研究院室主任,教授级高级工程师.国务院特殊津贴专家及辽宁省科技进步二等奖获得者.

作者单位：辽宁省机械研究院，沈阳110032

参考文献

1 周国盈编著.带钢精整设备.机械工业出版社，1982.

2 李海.关于四斜楔式卷筒设计的初步研讨.重型机械，1979.

3 丛书和.带材卷取机四棱锥卷筒压力计算.钢铁，1980.3

4 刘兆钦.薛宛琴.卷取机卷筒径向压力和胀缩力的确定.重型机械.1980.