冷軋帶鋼臥式活套設備結構組成及設計應用

王明龍，孟祥東

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

活套是現代冷軋帶鋼連續生產機組中的重要設備之一，用于儲存帶鋼，通過活套的“充套”和“放套”動作的交替運行，保證連續生產機組的連續生產，提高生產效率。另外，活套可以對連續生產機組進行分段，活套前后的生產速度可以根據工藝需求設置為不同速度，實現機組的靈活控制。當活套出口帶鋼速度小于入口帶鋼速度時，活套內存儲的帶鋼長度增大，活套即處于“充套”狀態；當活套出口帶鋼速度大于入口帶鋼速度時，活套內存儲的帶鋼長度減小，活套即處于“放套”狀態[1]。

冷軋帶鋼連續生產機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行，后者帶鋼呈垂直方向運行。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、連續退火爐形式、生產線長度及生產線工藝速度等。

臥式活套的特點在于結構相對簡單，不需要高大的廠房，但長度較長，一般配合連續酸洗機組、酸洗軋機聯合機組、連續酸洗平整機組及臥式連續退火爐使用。在設計時，常將入口水平活套放置在酸洗槽或臥式連續退火爐的下方或地下室里，充分利用酸洗槽或臥式連續退火爐占用的車間長度，無需新增車間長度。出口水平活套常被放置在酸洗槽和出口段設備下方的地下室內或架設在出口段設備上方的鋼結構平臺上。

與臥式活套相比，立式活套的特點正好相反，立式活套結構復雜，需要較高的車間，但是水平長度較短，一般配合立式連續退火爐使用，立式活套與立式連續退火爐設計在同一軌面標高的廠房內。

本文對冷軋帶鋼生產機組中應用的典型臥式活套進行了分類介紹，內容主要包括設備結構組成、應用及主要設備參數的設計計算。

1 臥式活套設備結構及組成

臥式活套設備結構復雜，按照不同的分類方式有多鐘結構型式，下面就對幾種比較典型的分類方式進行介紹。

1.1 臥式活套按支撐帶鋼的設備結構分類

臥式活套按照支撐帶鋼的設備結構不同分類，可以分為活套托輥車支撐帶鋼式及活套擺動門支撐帶鋼式。

1）活套托輥車支撐帶鋼式。該型式活套設備主要由活套傳動裝置、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

活套傳動裝置用于產生牽引活套車運行的動力，保證帶鋼張力。電動機通過減速機、卷揚、鋼絲繩等機構，拖動活套車運行，完成“充放套”動作。部分活套傳動裝置上設置有鋼絲繩布線裝置，用以保證鋼絲繩進入卷揚機時與繩槽同向，從而保證鋼繩在卷揚機上不會“跳繩”。

活套索具用于牽引活套車。

活套車車架為帶有4個車輪的框架機構?；钐总嚿显O有活套輥和支撐輥，用于帶鋼轉向和保持各層帶鋼的間距?；钐总囉射摻z繩與活套傳動裝置的卷揚連接。

活套托輥車用于托住活套內帶鋼，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大彼此接觸產生擦劃傷?；钐淄休佨嚰盎钐总囍g通過牽引鏈連接，當活套車“充套”時，活套車通過牽引鏈拖動活套托輥車運行，當達到牽引鏈長度限制時活套托輥車停止運行；當活套車“放套”時，活套車接觸到活套托輥車并推動其運行。

活套軌道用于支撐活套車及活套托輥車運行，在軌道兩端設有車擋（緩沖器）用于吸收事故狀態時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用于活套車“充放套”速度較慢的情況，廣泛應用于連續鍍鋅機組、連續退火機組及不銹鋼退火酸洗機組。

2）活套擺動門支撐帶鋼式。該型式臥式活套設備主要由活套傳動裝置、轉向滑輪組、活套車、活套擺動門、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 擺動門支撐帶鋼式臥式活套

擺動門式活套與托輥車式活套的區別在于支撐帶鋼所采用的設備型式不同，其它結構類似。另外，擺動門式活套一般應用于活套車“充放套”速度較大的情況，廣泛應用于連續酸洗機組、酸洗軋機聯合機組及連續酸洗平整機組。

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動活套車式及雙向可控鋼繩驅動活套車式。

1）單向鋼繩驅動活套車式。該型式的活套車一側與鋼繩相連，另一側牽引帶鋼，在鋼繩牽引力與帶鋼張力雙重作用下實現活套車兩側的受力平衡。當活套“充套”時，活套車以鋼繩牽引力為主動力，帶鋼張力為平衡力；當活套“放套”時，活套車以帶鋼張力為主動力，鋼繩牽引力為平衡力。該類活套廣泛應用于各種機組，結構可靠，控制簡單。設備組成如圖2所示。

2）雙向可控鋼繩驅動活套車式。該型式的活套車兩側皆與鋼繩連接，以實現活套車始終處于鋼繩的控制下，從而有效降低了在“充放套”換向過程中產生的張力波動，并且可以有效防止帶鋼斷帶時活套車沖擊活套內其它設備的事故。該型式臥式活套一般應用于活套車速度較快，如酸軋機組。與單向鋼繩驅動活套相比，該類活套結構組成、傳動控制都要復雜。設備組成如圖3所示。

圖3 雙向可控鋼繩驅動活套車式臥式活套

雙向可控鋼繩驅動活套車式活套的傳動裝置有兩種常用的結構，一種為圖3所示的卷揚機結構，另一種為圖4所示的三滑輪結構。卷揚機結構前期投資大，后期維護成本低，鋼繩壽命長；三滑輪結構前期投資少，但是后期維護成本高，需要定期更換輪襯及鋼繩，鋼繩壽命短，設備維護工作量大。

圖4 三滑輪結構活套傳動裝置

2 臥式活套設備工作原理

臥式活套在活套傳動裝置的牽引力和帶鋼張力雙重作用下，通過活套車的往返運動，實現活套的“充套”和“放套”，如圖5所示。

圖5 臥式活套工作原理圖

3 臥式活套設計計算

3.1 臥式活套傳動裝置能力計算

1）單向鋼繩驅動活套車傳動裝置能力計算?；钐总囋阡摾K牽引力及帶鋼張力雙重作用下在軌道上前后運行，從而實現活套的“充套”與“放套”，受力簡圖如圖6所示。

圖6 單向鋼繩驅動活套車受力簡圖

圖6中，活套車的受力情況如下：1）4層帶鋼張力F1、F2、F3、F4。因為帶鋼經過多個轉向輥或糾偏輥而產生了帶鋼張力的損失，導致4層帶鋼張力各不相同，計算時一般選取4層帶鋼張力的平均值進行計算，即F帶=（F1+F2+F3+F4）/4。2）活套車傳動裝置（即卷揚）通過鋼繩對活套車的牽引力F牽。3）活套車在軌道上運行時的阻力F阻。F阻的方向只與活套車的運行方向有關，即與活套車運行方向相反，因此在“充套”與“放套”時F阻的方向相反，這將導致F牽的大小發生變化。4）鋼繩牽引力F牽。根據F阻在活套“充套”與“放套”時的方向，“充套”時F牽=F1+F2+F3+F4+F阻=4×F帶+F阻；“放套”時F牽=F1+F2+F3+F4-F阻=4×F帶-F阻。實際生產中活套車總是處于“充套”與“放套”不斷切換，而且在“充套”時對傳動裝置能力要求更大，因此在設計時僅考慮“充套”時鋼繩牽引力即可，即F牽=F1+F2+F3+F4+F阻=4×F帶+F阻。

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

2）雙向可控鋼繩驅動活套車傳動裝置能力計算?；钐总囋趦蓚蠕摾K及帶鋼雙重作用下在軌道上前后運行，從而實現活套的“充套”與“放套”，其受力情況如圖7和圖8所示。與單向鋼繩驅動式的根本區別在于活套車兩側皆被鋼繩牽引，即使沒有帶鋼也可以實現活套車的前進及后退，可以保證活套車始終處于可控狀態。

圖8 雙向可控鋼繩驅動活套車受力簡圖（三滑輪結構）

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。該力與單向鋼繩驅動活套車的帶鋼張力和相同，在此不再贅述。2）張緊力F張緊。為了保證活套車時刻處于受控狀態，需要在活套車的帶鋼一側提供一個張緊力F張緊，該力是由鋼繩張緊液壓缸提供。F張緊對卷揚產生的轉矩與F牽對卷揚產生的轉矩方向相反，可以相互抵消一部分轉矩。3）鋼繩牽引力F牽。根據F阻在活套“充套”與“放套”時的方向可知，“充套”時F牽=（F帶總+2F張緊+F阻）/2，“放套”時F牽=（F帶總+2F張緊-F阻）/2。設計時僅考慮“充套”時鋼繩牽引力，即F牽=（F帶總+2F張緊+F阻）/2。

圖7 雙向可控鋼繩驅動活套車受力簡圖（卷揚機結構）

傳動裝置電動機功率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動活套車傳動裝置電動機功率計算式比較后可以發現，鋼繩張緊液壓缸提供的用于張緊鋼繩的力并不會影響傳動裝置電動機功率。但是F張緊會影響F牽，F張緊越大，F牽也越大，因此F張緊不可選擇太大，否則對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、活套車在軌道上運行時的阻力F阻及活套車牽引力F牽皆與卷揚機結構式驅動相同。因此，鋼繩驅動滑輪的總功率也與卷揚機結構式驅動傳動功率相同。

三滑輪結構活套車傳動裝置通過鋼繩與滑輪輪襯之間的摩擦力為活套車提供牽引力F牽?；喌氖芰σ幝煞蠚W拉定理[3-4]，即滑輪入口與出口之間的張力可以產生一個放大或縮小效應，放大系數為eμα，其中μ為滑輪與鋼繩之間的摩擦因數，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牽需要經過三套獨立的傳動裝置將鋼繩張力逐步增大，增大過程經過了3次放大，F牽最大可以放大到F張緊的（eμα）3倍，即F牽max=F張緊×（eμα）3。

假設三滑輪每一個滑輪的放大倍數為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。

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

通過以上公式可以發現，雙向可控活套中傳動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行過程中的阻力有關，而張緊鋼繩的拉力并不影響傳動裝置的總功率。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，所以設計過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算

冷軋帶鋼連續線中的活套一般較長，需要間隔一定距離設置托輥，用以支撐帶鋼運行，防止帶鋼層間接觸摩擦。

帶鋼在臥式活套中運行時，無論對活套內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生一定的懸垂度。一旦帶鋼懸垂度過大，帶鋼就有可能與下方設備或下層帶鋼接觸，產生擦劃傷，進而產生帶鋼表面質量缺陷。

而在冷軋帶鋼臥式活套的實際設計及應用中，活套內的帶鋼張力一般是給定的，這就需要我們根據給定的帶鋼張力計算帶鋼懸垂度，從而合理選擇相鄰托輥之間的間距。在設計過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；B（x2，y2）為托輥2與帶鋼接觸處坐標；O（0，a）為最大懸垂點的坐標；C（x，y）為任意點帶鋼坐標；L為托輥1與托輥2之間距離；T為帶鋼張力。推導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圖

式中：a為與方程有關的常量，且a=T/γ=t/ρ；γ為單位長度帶鋼質量；t為帶鋼單位張力；ρ為帶鋼材料密度。

臥式活套內托輥一般設置在相同標高，即y1=y2。

點A與點B之間間距為L，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的計算公式為

通過以上公式的推導可知帶鋼的最大懸垂量僅與相鄰托輥間距L、帶鋼材料密度ρ和帶鋼單位張力t有關，與帶鋼的厚度和寬度無關。實際工程中帶鋼材料密度ρ一般為定值，而帶鋼單位張力t可以根據生產工藝確定，進而根據帶鋼的最大懸垂量來選擇確定相鄰托輥間距L，為臥式活套設計提供依據。

4 結語

臥式活套作為軋鋼生產的一種重要設備，廣泛應用于各種冷軋連續生產線，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備組成、結構特點及應用，為冷軋生產線設備設計選型提供依據。另外對臥式活套傳動裝置能力及托輥間帶鋼垂度設計給出了詳細的計算公式，通過公式可以發現臥式活套傳動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行過程中的阻力有關，雙向可控活套中張緊鋼繩的拉力不影響傳動裝置的總功率；托輥間帶鋼的最大懸垂量僅與相鄰托輥間距、帶鋼材料密度和帶鋼單位張力有關，與帶鋼的厚度和寬度無關。通過本文對冷軋帶鋼臥式活套設備結構組成、應用及主要參數設計計算的介紹，可以為冷軋帶鋼臥式活套設備設計選型提供依據。