热轧带钢卷取机卷筒胀缩及旋转装置常用设计形式对比分析

陈伦树

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

卷筒胀缩及旋转装置是热连轧带钢卷取机的关键部件之一，其使用寿命长短影响卷取机的生产效率。热连轧带钢卷取机的卷筒胀缩及旋转装置主要有两类三种结构形式，即胀缩液压缸旋转式和胀缩液压缸固定式。

1 卷筒胀缩及旋转装置的结构形式

1.1 攀钢1450 mm卷取机

1.1.1 攀钢1450 mm卷取机结构

攀钢1450 mm卷取机卷筒胀缩及旋转装置为胀缩液压缸旋转式，其结构形式见图1。从图1可以看出，卷筒装在主传动箱箱内，卷筒空心轴装在主传动箱空心轴内，法兰装在主传动箱空心轴上。中间支架一端把合在法兰上，另一端与胀缩液压缸把合在一起。旋转接头与胀缩液压缸把合成一个整体，位移传感器装在旋转接头内。卷筒芯轴通过哈呋接手与胀缩液压缸的活塞杆联接成一体。

1.1.2 卷筒胀缩及旋转运动

卷筒胀缩运动，当胀缩液压缸活塞杆通过哈呋接手向右拉动芯轴时，卷筒胀大。当胀缩液压缸活塞杆向左顶芯轴时，卷筒缩小，如图2所示。

1.1.3 卷筒旋转运动

主传动箱空心轴带动卷筒旋转和中间支架旋转，中间支架和卷筒分别带动胀缩液压缸缸体和活塞杆旋转。由于中间支架和卷筒均为装配件，装配件间存在同轴度误差。胀缩液压缸旋转时，该同轴度误差使胀缩液压缸缸体相当于活塞杆存在一个摆动量，加速了胀缩液压缸密封件的磨损，缩短了使用寿命。

1.1.4 卷筒销轴受力分析

为了便于分析，此处假定钢卷对卷筒的挤压力为一个集中力，由一个销轴承受。如图2所示，卷筒胀大时，钢卷对扇形板的挤压力为N，扇形板把挤压力N传递给销轴。销轴把压力N传递到芯轴棱锥面上，销轴对棱锥面上的压力设为F。把压力F分解成轴向压力Fa=Fsinα(α为芯轴棱锥斜角)，径向压力Fr=Fcosα。

1.1.5 卷筒芯轴受力分析

由于芯轴棱锥面是对称布置的，各棱锥面间的径向压力Fr相互平衡，不需要外力平衡。而各棱锥面间的轴向压力Fa则叠加在一起，需要外力平衡。在芯轴上施加胀紧力P，若Fa-f≤P≤Fa+f(f为摩擦力)，则卷筒外径处于静止状态；若P>Fa+f，则卷筒外径处于胀大状态；若P

1.1.6 卷筒空心轴受力分析

销轴给芯轴一个压力F，同样芯轴就会给销轴一个反作用力F＇，根据作用力与反作用力的关系，F＇=F。把反作用力F＇分解成轴向分力F＇a和径向分力F＇r，则F＇a=Fa，F＇r=Fr。径向分力F＇r由销轴传递给扇形板，与钢卷的挤压力N平衡，即F＇r=N。轴向分力F＇a由销轴传递给卷筒空心轴，再由卷筒空心轴通过定距套传递给主传动箱空心轴(见图1)，主传动箱空心轴又通过法兰和中间支架传递给胀缩液压缸，与胀缩液压缸的胀紧力P平衡，主传动箱上的滚子轴承就不受胀缩力的作用。

1—卷筒 2—主传动箱 3—空心轴 4—双列圆锥滚子轴承 5—法兰 6—哈呋接手 7—旋转接头 8—位移传感器 9—胀缩液压缸 10—中间支架 11—芯轴 12—卷筒空心轴图1 攀钢1450 mm卷取机结构图Figure 1 Configuration of 1450 mm coiler in Panzhihua Steel

1—芯轴 2—卷筒空心轴 3—销轴 4—扇形板 5—钢卷
图2 攀钢1450 mm卷取机卷筒
Figure 2 Coiling block of 1450 mm coiler in Panzhihua Steel

1—卷筒 2—卷筒支撑箱 3—卷筒空心轴 4—双列圆锥滚子轴承 5—联轴器 6—输出轴 7—主传动箱 8—液压旋转接头 9—干油旋转接头 10—胀缩液压缸 11—位移激光检测器 12—哈呋接手 13—中间支架 14—卷筒芯轴
图3 武钢2250 mm卷取机结构图
Figure 3 Configuration of 2250 mm coiler in Wuhan Steel

1—卷筒 2—主传动箱 3—空心轴 4—调心止推轴承 5—法兰 6—哈呋接手I 7—旋转装置 8—干油旋转接头 9—哈呋接手II 10—位移传感器 11—胀缩液压缸 12—中间轴 13—调心止推轴承 14—旋转装置芯轴 15—导向板 16—中间支架 17—芯轴 18—单列圆柱滚子轴承 19—卷筒空心轴
图4 港陆1500 mm卷取机结构图
Figure 4 Configuration of 1500 mm coiler in Tangshan Ganglu Iron & Steel

旋转接头中的液压和干油接头设计成整体接头，拥有一个整体芯轴和外壳，在芯轴和壳体间装有密封件，旋转时芯轴相对于壳体高速旋转，在壳体上设有冷却水循环装置。

1.1.7 优缺点

该结构的优点是主传动箱轴承不承受胀缩力，使用寿命长；卷筒胀缩及旋转装置结构简单，胀缩液压缸及旋转接头易更换等。

其缺点是胀缩液压缸为特殊液压缸，一般使用期约10个月就需要更换。旋转接头为接触式密封，密封件易磨损，磨损后干油、液压油存在串腔或泄漏的现象，即干油、液压油各自相互串腔，干油或液压油外泄等现象，一般使用约5个月就需要更换。

1.2 武钢2250 mm卷取机

1.2.1 武钢2250 mm卷取机结构

武钢2250 mm卷取机卷筒胀缩及旋转装置为胀缩液压缸旋转式，其结构形式见图3。从图3可以看出，卷筒装在卷筒支撑箱内，滚子轴承和中间支架均装在卷筒上。胀缩液压缸一端固定在中间支架上，另一端与联轴器联接，胀缩液压缸活塞杆通过哈呋接手与卷筒芯轴联接起来，在哈呋接手上装有激光感应片，位移激光检测器装在下端，检测胀缩液压缸的行程。主传动箱输出轴的一端装有联轴器，另一端装有旋转接头。

卷筒的胀缩、旋转运动及受力分析等与上述相同。

旋转接头中的液压和干油接头分别为一个独立接头，即液压和干油接头的壳体分别为一个单独壳体，其芯轴为一个整体芯轴，液压和干油壳体分别装在芯轴上，旋转时芯轴相对于外壳高速旋转，干油壳体上设有冷却水循环装置。密封为机械间隙密封。

1.2.2 优缺点

该结构的优点是卷筒的轴承不承受胀缩力，使用寿命长；卷筒胀缩及旋转装置结构简单，胀缩液压缸及旋转接头易更换等；旋转接头采用机械间隙密封，使用寿命长，旋转接头密封失效后，不会出现液压油和干油相互串腔的现象。

表1 三种卷筒胀缩及旋转装置的对比Table 1 Comparison of three types coiling block expansion and rotary devices

其缺点是胀缩液压缸为特殊液压缸，一般使用约10个月就需要更换维护；旋转接头的装配要求较高，如果装配时壳体与旋转芯轴同轴度太差或管路配置不当等，其使用寿命为半个月左右。

1.3 港陆1500 mm卷取机

1.3.1 港陆1500 mm卷取机结构

港陆1500 mm卷取机卷筒胀缩及旋转装置为胀缩液压缸固定式，其结构形式见图4。从图4可以看出，卷筒装在主传动箱内，卷筒空心轴装在主传动箱空心轴内，法兰装在主传动箱空心轴上。中间支架一端把合在法兰上，另一端装有导向板。卷筒芯轴装在卷筒空心轴内，并通过哈呋接手I与旋转装置芯轴联接在一起。旋转装置芯轴装在导向板内，并随卷筒芯轴旋转。干油旋转接头把合在旋转装置芯轴的尾部。旋转装置的一端与中间轴联接在一起，另一端支撑在支架上，旋转装置的壳体不旋转。中间轴通过哈呋接手II与胀缩液压缸活塞杆联接在一起，并装在导向轴承座内。胀缩液压缸固定在液压缸底座上，固定不动，位移传感器装在胀缩液压缸内。旋转装置由壳体、芯轴和调心止推轴承组成，芯轴通过调心止推轴承装在壳体内。

1.3.2 卷筒胀缩运动

胀缩液压缸通过哈呋接手II向右拉动中间轴，中间轴带动旋转装置向右移动，旋转装置芯轴通过哈呋接手I带动卷筒芯轴向右移动，卷筒胀大。反之，卷筒缩小。

1.3.3 旋转运动

主传动箱空心轴带动卷筒和中间支架旋转，卷筒带动旋转装置芯轴旋转，旋转装置壳体、中间轴和胀缩液压缸不旋转。

1.3.4 受力分析

卷筒及其空心轴的受力分析与上述相同。不同的是胀缩力分别传递给空心轴上和旋转装置上的调心止推轴承承担。

1.3.5 旋转接头的结构及原理

芯轴装在壳体内，在芯轴和壳体间装有密封件，旋转时芯轴相对于壳体高速旋转。密封采用了机械间隙密封和接触式两种密封方式，两种密封间设有减压槽。当润滑从机械间隙密封泄漏后，由减压槽降低压力，最后由密封件密封，降低密封件的密封压力，延长其使用寿命。

1.3.6 优缺点

该结构的优点是胀缩液压缸结构简单，为普通液压缸，使用寿命长，易更换；旋转接头结构简单，易更换等。其缺点是主传动箱空心轴和旋转装置的调心止推轴承要承受胀缩力，使用寿命短；卷筒胀缩及旋转装置机械复杂等。

2 三种卷筒胀缩及旋转装置的比较

三种卷筒胀缩及旋转装置的对比见表1。

3 结论

攀钢1450 mm和武钢2250 mm卷取机的卷筒胀缩及旋转装置属于同一类型，均为胀缩液压缸旋转式结构。优点是胀缩液压缸的胀紧力不传递给滚动轴承。缺点是胀缩液压缸为特殊液压缸，使用寿命短。共同点是胀缩液压缸都把合在中间支架上，随卷筒旋转，旋转接头分为液压和干油接头。不同点是攀钢1450 mm卷取机的胀缩液压缸和旋转接头把合成一个整体部件，武钢2250 mm卷取机的胀缩液压缸和旋转接头为两个独立部件。

港陆1500 mm卷取机的卷筒胀缩液压缸把合在液压缸底座上，为胀缩液压缸固式结构；优点是胀缩液压缸为普通液压缸，使用寿命较长；缺点是胀缩液压缸的胀紧力由滚动轴承承担，轴承使用寿命短。