1、引言
卷取机是带材生产线上的主要设备之一，张力卷取机广泛应用于带钢生产和有色带材生产行业中。单机架可逆式冷轧机组卷取张力大，卷取速度较高，分为入口卷取和出口卷取，其中一侧卷取时，另外一侧处于开卷状态。在第一道次轧制时，带钢厚度厚，卷取张力大，卷取速度低，随着轧制道次的增加，带钢厚度逐渐变薄，卷取张力也逐渐变小，而卷取速度则逐渐升高。为了满足单机架可逆式冷轧机组工艺要求，必须设计一种大张力卷取机，既能满足卷取的张力要求，又能满足卷取的速度要求。本文介绍了一种可机械换档式的张力卷取机的主要结构和参数设计计算过程。
2、卷取机结构和工作原理
单机架可逆式冷轧机组卷取机主要由胀缩卷筒、减速器、传动电机、推卷装置、压辊装置以及活动外支撑等组成，其主要结构如图 1 所示。
胀缩卷筒是卷取机的核心部分，用来承受卷取张力和钢卷自重。由于单机架可逆式冷轧机组卷取张力较大，钢卷自重较重，原料厚度也较厚，因此一般采用倒四棱锥带钳口式卷筒。其主要零件为棱锥主轴、扇形板、钳口斜楔和钳口压板等。工作时通过胀缩液压缸拉动棱锥主轴往后运动，利用棱锥主轴和扇形板的斜面运动实现胀开；夹紧带头时，钳口液压缸推动钳口斜楔往前运动，利用钳口斜楔和钳口压板的斜面运动夹紧带头。同理，胀缩液压缸和钳口液压缸的反向动作，实现卷筒缩回和钳口松开。由于棱锥主轴和扇形板等为整体锻件，刚性好，而且端部容易连接活动外支撑，因此可以满足大张力和较大卷重的要求。减速器是实现动力传输的主要部件，此外还支撑着卷取机的主要结构件，因此必须有足够的强度和刚度。减速器通过联轴器和电机输出轴相连，卷筒轴即是减速器的低速轴，通过几组齿轮的相互啮合传动，输出满足工艺要求的速度和动力。为了满足单机架可逆式冷轧机组卷取速度和张力的要求，减速器需要设计为可换档变速式。传动电机是卷取机动力的来源，通过联轴器和减速器将动力传递给卷筒，传动电机必须满足机组运行的张力和速度要求，同时要具有较好的经济性。
推卷装置是辅助将卷取完成的钢卷从卷筒上卸下，由液压缸驱动沿着两根导向柱进行伸缩运动。
压辊装置用于在卷曲结束时压住带尾，防止带尾松开造成散卷。活动外支撑是在卷取过程中，支撑住卷筒的悬臂外端，以减小带卷重力和张力作用引起的卷筒的挠曲变形。
3、卷取机设计计算
某单机架冷轧机组卷取机相关工艺参数见表 1、
3.1、卷筒胀缩缸参数确定
在带钢卷取过程中，卷筒扇形板受到带钢给它的沿径方向的压力P0，随着卷取的不断进行，径向压力p0也随着正大，当其增大到，当其增大到脏缩缸拉力无法维持时，胀缩缸溢流阀打开，卷筒自动缩径。
同时径向压力P0 也随着减小；当径向压力 P0 减小到胀缩缸拉力能够维持时，溢流阀关闭，自动缩径结束。随着卷取继续，卷径变大，径向压力 P0 再次增大，卷筒再次产生自动缩径，如此往复，卷筒自动缩径是一个动态平衡的过程。
径向压力 P0 的计算不仅是卷筒零件强度和胀缩缸胀缩力计算的先决条件，而且与卷取质量直接相关。一般认为卷筒径向压力与卷取张力和带卷直径、带卷和卷筒的径向刚度、带卷层间介质及表面状态、层间滑动与摩擦及带宽等因素有关。由于这些问题在理论分析和实验研究方面都具有较大难度，多年来国内外学者作了大量研究工作，至今仍不能精确计算卷筒径向压力［1］。文献［2］分析了卷取过程中带钢张力的分布情况，计算了带钢对卷筒的径向压紧力，并以此确定卷取机卷筒胀缩液压缸拉力，该方法经过工程实践验证是可行的。本文采用其计算方法计算卷筒胀缩缸的参数，则卷筒胀缩缸所需的最小拉力可由下式计算：
其中，D 表示钢卷外径，mm；T 表示卷取张力，N；η′表示液压缸机械效率；γ 表示卷筒斜楔角，（°）；μ 表示主轴与斜楔块的摩擦系数；f 表示带钢层间的摩擦系数；d 表示钢卷内径，mm。卷筒的斜楔角 γ＝7°，摩擦系数 f＝0.18，摩擦系数 μ＝0.08，液压缸机械效率 η′＝0.98，则可得液压缸最小拉力 Q＝117kN，设计时考虑一定的安全系数，因此取卷筒胀缩缸直径 D＝250mm。
从式（1）可以看出，液压缸的拉力 Q 和斜楔角 γ 大小紧密相关，当 tanγ<μ 时，斜楔自锁；tanγ>μ 时，斜楔角越大，所需的胀缩缸拉力越大；当 tanγ=μ 时，卷筒的润滑条件对卷筒的工作性能有重要影响。
3.2电机功率确定
卷取机卷取带材时，正常情况下可以认为张力处于恒定，卷取线速度恒定，卷取机功率主要由带钢弯曲功率、卷取张力所需功率、摩擦功率组成，其功率 P 的计算公式为：
式中，M1、M2、M3 分别表示带钢弯曲力矩、张力力矩、摩擦力矩；b 为带钢宽度，mm；h 为带钢厚度，mm；R 为钢卷外径，mm；σs 为带钢屈服强度，MPa；∑F 为卷筒轴承处的合力，N；d0 为卷筒轴承直径，mm；V 为卷取速度，m/s；η 表示
传动效率，一般取值为 0.85~0.9，本文取为 0.88。
实际生产中，张力力矩在总力矩中占主要作用，带钢弯曲力矩和摩擦力矩占的比例很小，电机功率可由下式初步计算
其中 λ 为功率因素，一般可取值 1.10~1.15，对应的 T为卷取最大张力，V 取值为最大张力对应的卷取速度。工程实践表明，式（3）计算的电机功率普遍偏小，可以采取式（4）初步估算电机功率，然后再进行力矩校核确定合适的电机功率，其中 Vmax 表示机组的最大卷取线速度。
P＝TVmax/η（4）
由于冷轧卷取电机功率一般较大，最高转速 nmax 和电机基速 ne 比值一般大于 3，因此大多为非标设计电机，综合考虑经济性，电机最高转速 nmax 和基速 ne 一般由电机厂商给出。由此可得，电机功率初步取值为 2200kW，电机基速 ne 和最高转速 nmax 分别为 300r/min 和 1050r/min， 通过调节电机的输入电流频率和电流，保证机组的恒线速度和恒张力。
3.3减速器设计
减速比的确定是减速器设计中的最重要参数，确定减速比的重要原则是使卷取机的调速范围尽可能处于传动电机的恒功率调速区域或覆盖整个电机的恒功率调速区［4］。由于在轧制开始时，带钢厚度较厚，轧制工艺规程采取较大的卷取张力，较低的卷取速度，随着轧制道次的增加，带钢厚度逐渐变薄，卷取张力逐渐变小，而卷取速度则逐渐升高。从式（5）可以看出，当电机基速 ne 不变时，若为了满足卷取力矩 M 而选用大的减速比，则会使电机的最高转速 nmax 随之增大，导致电机成本增加；而若为了控制卷取机电机最高转速 nmax 而选用较小的减速比，为了满足大的卷取张力矩 M 则必须加大电机功率 P。因此为了在较低的电机最高转速 nmax 下获得较大的卷取力矩， 而在卷取速度高时卷取力矩减小，同时控制电机的最高速度，设计可变减速比的减速器可以极大地节省设备成本。
M=ηi9550P/n（5）
减速机结构示意如图 2 所示，为两档两级减速，可以输出两种不同的速比，见表 2。减速机中共有 8 个齿轮，其中两个双联齿轮上分别带有大、小两副齿轮，内齿轮可通中内齿轮和外齿轮始终保持啮合状态。其传递原理为：
（1）高速档传动：电机带动输入轴，齿轮 2 和双联齿轮 2 的大齿轮啮合，拨叉机构处在内齿轮和双联齿轮 2的小齿轮啮合位，由此传动中间轴，然后通过齿轮 3 和卷筒轴齿轮的啮合，将动力传动到卷筒轴上。
（2）低速档传动：电机带动输入轴，齿轮 1 和双联齿轮 1 的大齿轮啮合，拨叉机构处在内齿轮和双联齿轮 1的小齿轮啮合位，由此传动中间轴，然后通过齿轮 3 和卷筒轴齿轮的啮合，将动力传动到卷筒轴上。
3.4力矩校核
计算电机公称输出力矩 M 和实际卷取力矩 Ms，校核电机的选型以满足工艺和生产实际要求。由式(2)和式(5)可以计算得到电机的公称输出力矩 M 和实际卷取力矩Ms。
（1）以170kN卷取张力卷取时，减速机速比为2.960：卷取开始时，电机所能提供的力矩M=55362N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=51850N·m，电机的实际转速为989r/min。卷取结束时，电机所能提供的力矩M=81513N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=170000N·m， 电机的实际转速为 302r/min。
（2）以103kN卷取张力卷取时，减速机速比为1.788，卷取开始时，电机所能提供的力矩M=33744N·m，带钢张力需要的卷取力矩 Ms=31415N·m，电机的实际转速为 980r/min。卷取结束时，电机所能提供的力矩M=110193N·m，带钢张力需要的卷取力矩Ms=103000N·m， 电机的实际转速为299r/min。计算表明，电机所能提供的力矩大于带钢张力需要的力矩，而且电机的实际工作速度均小电机的最高转速，因此电机选型符合工艺要求。
4、结语
本文基于卷取机的基本原理和结构，从卷取机卷筒胀缩缸参数确定、电机参数确定、减速器设计等方面阐述了一种单机架可逆式冷轧机组卷取机的设计流程，目前本卷取机已应用于工程实践中，运行情况稳定，很好地满足了目前单机架冷轧大张力、高速度卷取的要求，而且节约了项目成本。
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