铜带卷取机倒四棱锥卷筒主要零部件的分析与计算

孙宗浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)



铜带卷取机倒四棱锥卷筒主要零部件的分析与计算

孙宗浩

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

文章分析了铜带可逆冷轧机卷取机倒四棱锥卷筒的结构特点，对其主要零部件的设计计算进行了探讨，并给出应用实例供同行参考。

卷取机；倒四棱锥卷筒；主轴；扇形板

近年来，随着电子、装饰、交通运输、军工等行业的发展，对铜板带产品的质量提出了越来越高的要求，新材料、高表面质量、高精度成为铜板带产品的发展方向。为了满足冷轧铜板带更高的质量要求，生产出板形更好，卷形更整齐的带卷，铜带冷轧机卷取机卷筒设计优先选用倒四棱锥结构卷筒。本文以我公司设计的一台铜带冷轧机的卷取机为例，对倒四棱锥卷筒的结构特点及主要零部件的强度计算进行分析探讨。

1 倒四棱锥卷筒结构特点

倒四棱锥卷筒(图1)主要由胀缩缸、主轴、扇形板及液压钳口等组成。倒四棱锥卷筒胀径时，由胀缩液压缸拉动主轴，使扇形块产生径向位移，实现卷筒胀大，结构与其它形式的卷筒相比更加简单可靠，刚性大。

图1 卷筒图Fig.1 Mandrel structure diagram

由于主轴与扇形板之间没有其它零件，在外径尺寸相同的情况下，倒四棱锥卷筒主轴相较于其它结构的卷筒截面尺寸可以做得更大，因此强度更高，刚度更大，可承受的卷重和张力更大。倒四棱锥卷筒结构对称，零件简单，动平衡精度高，可提高卷取机启制动、升降速性能，适用于高速冷轧机卷取机，可提高卷取加速度并减少带材变速段的质量问题。倒四棱锥卷筒为开式卷筒，卷筒胀径时，扇形板之间存在缝隙。如果缝隙过大，卷筒卷取时会压伤内层带卷，因此把扇形板之间设计为牙嵌式结构(图2)，卷筒胀大时卷筒外表面形成一个连续的圆柱面，这样就避免了卷筒压伤内层带卷。主轴与扇形板大面积直接接触，中间用键进行连接，相较于闭式三斜楔卷筒空心主轴与扇形板之间由导柱及碟簧连接，能通过装配和修磨得到更高的卷筒外圆精度。卷筒钳口高效可靠，对卷取带材有着非常重要的作用，考虑倒四棱锥卷筒扇形板断面大的特点，采用轴向液压缸钳口夹紧方式，可实现零钳口，有效夹紧薄料。同时在油路设计时，将钳口液压缸与卷筒胀缩缸的油路串联起来，使卷筒胀径时钳口夹紧，卷筒缩径时钳口张开。

图2 扇形板图Fig.2 Jaw structure of segments

2 主要零部件的设计计算与校核

分析卷筒的工作原理及结构特点，在卷筒设计中需要重点考虑卷筒直径、卷筒胀缩缸拉力、主轴和扇形块锥面的挤压应力、钳口液压缸缸径等，现对相关计算进行分析探讨。

以我公司设计的一台铜带冷轧机的卷取机为例，冷轧机主要技术参数：来料厚度0.3～3.0mm，成品厚度0.15～1.5mm，宽度300～450mm，卷材外径1600mm，卷重6000kg，卷取速度528m/min，最大卷取张力56kN。

2.1 卷筒直径的计算与选取

对于冷轧机卷取机，卷筒直径的设计，通常以卷取过程中内层带材不产生塑性变形为设计原则。考虑到冷轧机卷取工艺特点，按照弹塑性弯曲理论，卷筒直径与被卷带材的厚度与机械性能之间应满足：

式中：

D—卷筒直径，mm；

E—带材的弹性模量，MPa，按加工带材，查相关手册E=108000MPa；

hmax—带材的最大厚度，mm，按第一道次轧制后的带厚hmax=2.1mm；

σs—带材的屈服极限，MPa，第一道次轧制后σs=460MPa；

设计时考虑工厂卷材生产，采用统一规格的卷筒直径，在满足强度和刚度情况下尽量选用较小直径的卷筒，我公司设计的这台铜带冷轧机采用直径为500mm的卷筒，大于计算值493mm，可满足设计使用要求。

2.2 胀缩缸的设计计算与分析

胀缩缸的选取对卷取机来说至关重要，卷取机工作时，带卷对卷筒有个径向正压力，这个径向正压力通过胀缩缸的拉力平衡。因此必须先计算出卷筒所受的径向正压力，由力的平衡计算出油缸缸径。

主轴棱锥面与扇形板锥面间静摩擦系数一般取0.12，摩擦角为6°50′，设计中主轴与扇形板棱锥角α采用8°，此棱锥角大于摩擦角不会自锁，卷取过程中卷筒通过胀缩来释放部分层间压力。

以卷筒自动缩径、径向压力可控为条件，单位径向压力经验公式为：

f1—带材层间摩擦系数，对于铜带冷轧机，取f1=0.1；

K—卷筒压力系数，

Rc—最大带卷半径，mm；

r2—卷筒半径(D/2)，D为卷筒直径，mm；

C—卷筒刚性系数。对于铜带冷轧机四棱锥卷筒，由图3查出，当棱锥角α=8°时，C=2.1；

计算求得：p=39.89MPa。

图3 卷筒刚性系数C(棱锥角α=7°～8°)Fig.3 Mandrel rigidity coefficient C (pyramid angle α in the range of 7° to 8°)

图4 单块扇形板径向受力图Fig.4 Radial force diagram of a single segment

卷筒主轴与扇形板锥面受力如图5所示，主轴相对扇形板向右移动，则卷筒胀大，图5中(b)、(c)是卷筒胀大时扇形板和主轴的受力图。

根据其平衡条件，可得：

图5 卷筒主轴与扇形板锥面受力图Fig.5 Force diagrams showing forces acting on mandrel spindle and pyramid surface

由Q值，计算所需胀缩缸最小直径Dg，

式中：p0—胀缩缸工作压力，p0=7MPa；

η—胀缩缸的效率，取η=0.85；

dg—活塞杆直径，dg=130mm；

计算求得：Dg=358mm，圆整后取胀缩缸直径为360mm，可满足使用要求。

2.3 主轴与扇形板锥面的强度校核

2.4 液压钳口油缸缸径的计算

四棱锥卷筒一般采用液压钳口夹紧装置，我公司设计的四棱锥卷筒采用的是轴向液压缸钳口夹紧装置，该装置易于加工、工作条件好且性能可靠，可实现零钳口，对薄料也能加紧。

轴向液压缸钳口夹紧装置在轴向液压缸拉力Pq的作用下，使活动钳口板移动夹紧带卷，其受力分析如图6。

图6 钳口轴向受力图Fig.6 Axial force diagram of jaw

图6-(b)为钳口活动块受力图，图6-(c)为钳口夹紧块受力图，由力的平衡条件，可得：

Pq-N1sinβ-fN1cosβ=0；

Q1-N1cosβ+fN1sinβ=0；

式中，β为活动块斜角，β=16°；f为主轴锥面与扇形板锥面间摩擦系数，取f=0.12。

图7 钳口径向受力图Fig.7 Radial force diagram of jaw

式中：f′—为钳口板与带卷的摩擦系数，一般在钳口板上刻制有花纹槽，此时，f′取0.5～0.8；

σs—带材屈服极限，MPa，σs值取第一道次轧制后的带材的屈服极限；

B，h—带材的宽度及厚度，mm，h值取第一道次轧制后的带厚；

D—卷筒直径，mm；

综上计算可得，液压钳口缸的拉力Pq应大于1199N，设计中钳口缸缸径取50mm，杆径22mm，工作压力7MPa，可供的最大拉力11078N，完全可以满足钳口夹料的要求。

3 结论

通过对可逆铜带冷轧机卷筒主要部件的分析计算，可为相关铜带冷轧机卷筒的设计提供计算依据，优化设计卷取机结构。

[1] 王艳丽.四棱锥卷筒在铜带冷轧机中的应用[J]. 有色金属加工，2008，(2)：

[2] 邹家祥.主编.轧钢机械[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[3] 周国盈.编著.带钢卷取设备(第二版)[M].北京：冶金工业出版社，1992.

Analysis and Calculation of Main Parts of Reverse Pyramid Mandrel of Copper Strip Coiler

SUN Zonghao

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper analyzed the structural features of coiler mandrel in reversing copper cold rolling mill, it discussed the design calculation of main parts of the mandrel and it presented a case study for reference.

coiler; reverse pyramid mandrel; spindle; segment

2014-08-20

孙宗浩(1982-)，男，工程师，主要从事冶金设备设计及研发工作。

TG333.2+4

A

1671-6795(2015)01-0047-04