四棱锥卷取机设计参数.docx
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四棱锥卷取机设计参数
1.1冷轧在我国的发展
改革开放二十多年来，我国的经济高速发展，取得了令人瞩目的成就。
在国民经济高速增长的推动下，我国的钢铁工业取得了突破性的发展。
目前
作为一个国家钢铁工业发展水平重要标志的冷轧带钢在我国取得了骄人成
绩。
我国已成为全世界冷轧带钢发展最快的国家。
2005年我国的钢铁总产量
已经达到3.71亿吨，然而冷轧宽板的产量仅为2738万吨，仅仅占钢铁总产
量的7.4%，大大的低于美国2002年和日本2003年分别占37.5%和30.3%的
比例。
今后我国冷轧板带生产将是我国钢铁工业调整的重要组成部分，必须
加强冷轧技术的研发和创新。
从长期看，随着我国经济总量的不断增长，产业结构逐步升级，汽车、
家电等制造业产能迅速扩张，国内市场对冷轧产品的需求将长期保持一个增
长的态势。
家电、汽车和建筑业是冷轧以及涂镀产品消费的主要行业，我国
是世界上最大的家电制造国，不仅国内需求巨大，每年还大量出口，这种形
势将长期保持下去；同时汽车业是我国最具发展潜力的制造业，汽车用钢的
需求增长空间也非常巨大；十一五规划中城镇化水平的不断提高保证了涂镀
产品的需求将长期保持增长的态势。
根据中国钢铁工业协会的统计数据，
2006年底我国的冷轧机组将达到4500万吨，将进2000万吨的冷轧产能正在
规划和新建当中，预计2007——2008年我国的冷轧产能将放大1200万吨，
2008年底冷轧总产能将达到5700万吨。
2006年，随着国内武钢2230机组、
鞍钢2130机组、本钢1780机组的陆续投产，由于新建的机组具有后发优
势，先进的装备和优良的工艺设计使得几乎所有的机组都将供应对象瞄准了
汽车、家电和建筑精品。
在热轧产能大规模释放和产品不断成熟后，国内冷
轧市场也从宝钢和国外钢厂之间的竞争转变为国内各大钢厂和国外钢厂之
间的大规模激烈竞争。
虽然国内钢厂还不能生产某些高等级冷轧产品，但随
着钢厂的技术进步和经验积累，进口产品的市场份额正在被国内产品不断替
表。
[1]
由此可见我国的冷轧产能今后几年将会高速发展，这对冷轧机技术和工
艺提出了更高的要求，特别是近来冷轧向着高速化自动化方向发展，这对冷
轧中重要的辅助设备——卷取机提出了更高的要求。
卷取机是在强冲击等很
不利的条件下工作的，其故障发生率很高，据有关统计其事故发生率约占
轧线主要设备的5O%左右。
另外，卷取机的设备精度对产品的表面质量，卷
取形状有很大影响。
卷取机要具有刚性大、耐反复冲击的高强度，始终维持
高机械精度的构造、易维护修理和事故发生率低等特性。
[2]
1
1.2卷取机国内外研究动态
近代轧钢生产中，采用连轧的方式是提高生产率的重要措施之一。
卷取
机是成卷轧制的主轧线中必不可少的设备，轧制出的产品由卷取机卷饶成
卷，尤其是在冷轧生产中，将很长的冷带钢卷成钢卷有利于生产运输和贮存。
特别是近代冷轧向高速化，大卷重方向发展。
卷取机的性能将影响整个机组
的生产效率和产品质量，所以卷取机的重要性日趋明显。
在2O世纪5O年代
和6O年代世界上采取的是气动式卷取机，进入2O世纪7O年代，由于液压
技术和电气控制技
术的发展，才研制开发了液压式卷取机。
气动式卷取机主要存在以下问题：
①使带钢表面产生头部压痕；②钢卷层与层间的热擦伤；③卷取形状不
良，侧导板位置、压力控制不精确；④噪音大；⑤维护性能差。
另外气动式
卷取机冲击、振动大，使机械设备易损坏，增加维护量和维护成本。
鉴于气
动式卷取机有上述缺点，进入20世纪7O年代开始研制液压式卷取机。
液压式
卷取机基本上克服了气动式卷取机的缺点。
[3]
对于单机座可逆式的冷轧机，卷取机安装在轧机前后；而在单机座不可
逆冷轧机或连续式冷轧机组中，卷取机只装在轧机前后。
在其它连续式的机
组中卷取机也装在机组的最后。
目前冷轧生产中绝大多数采用的是卷筒式的
卷取机。
根据不同的用途，采用不同的结构形式。
在不同的卷取速度，卷取
重量和卷取张力条件下，卷筒承受较大的径向压力，并能缩径卸卷。
尤其是
卷筒和轧辊间要产生较大的张力，这样就决定了卷筒结构的复杂性和多样
性。
从卷筒的发展过程来看，先后出现了实心卷筒和弓形板，凸轮式，径向
柱塞式等涨缩式卷筒
以上的各类卷筒均存在一定的问题缺陷。
实心卷筒不能缩径，需要卷取
重卷卸卷，所以效率很低。
凸轮式的卷筒常因径向压力很大，凸轮弯曲变形
导致无法缩径和卸卷。
斜楔式的卷筒的空心轴加工困难，弓形块式的卷筒刚
性很差。
近来普遍采用的是四棱锥带钢卷取机。
近代卷取机向着高速度大卷
轴重和高度的自动化方向发展。
近来的设计普遍采用四棱锥扇形快式的卷
筒。
此卷筒的优点是质量分布比较均匀，结构对称，强度大，刚性大，工作
可靠。
所以广泛应用于冷轧机组中，平整机组，可逆式的冷轧机组中。
这种卷筒的缺点是：
一：
从工艺上看，当卷筒胀开时，扇形块间有缝隙，在卷取薄带时会产生压
痕，影响带钢的表面质量。
为解决此问题有时在卷筒上加套筒的办法，这种
方法在生产上是可行的，但是生产效率影响很大。
在新建的机组中已不在使
用，尤其是近代机组中，此种方法更不合适。
二：
从加工的工艺看，为保证四个棱锥的每个斜面都与扇形快的“T”型建的
斜面保持良好的接触，因此加工的精度比较高，通常采用数控铣床加工后，
2
人工研磨，加工比较困难。
1.3板材生产的一般方法
板带钢的厚度和技术要求不同，生产方法自然不同
1.单张轧制生产：
生产过程在一张一张的状态下进行，用于中厚板的生产。
由于厚度比较大，只能采用单张轧制的方法。
为了减小变形抗力，中厚
板的轧制都采用热轧的方法，用于厚板的轧机形式可分为单机座双机座。
2.成卷轧制生产：
用于薄板生产。
由于薄板的轧后长度很长，通常是几百
米到上千米，甚至是几千米的长带，生产只能在卷成钢带卷的状态下进
行，成卷生产的带钢有冷轧和热轧两种。
（1）.热轧带钢生产：
生产带钢的厚度范围一般为1-20毫米，最薄可达0.8
毫米，最最厚可以超过30mm。
用于热轧带钢的轧机形式用以下三种：
1）.连续式热带钢轧机。
通常称为热带钢连轧机，是生产热带钢卷应用最
广泛的最主要的轧机形式。
2）.带有炉内卷取机的卷炉轧机，是一种可逆式的轧机。
其前后的卷取机
置于加热炉内，在轧制的过程中可以对带钢进行加热和保温，这样就使轧制
变形在一个很窄的温度区间内进行。
用于轧制变形的温度区间要求严格，难
于变形的金属板生产。
目前中小企业仍在使用。
3）.薄板坯连铸连轧机，是近年来发展起来的短流程轧机。
（2）.冷轧带钢生产：
生产带钢的厚度范围为0.01~3.5mm最薄可达
0.001mm，冷轧带钢的轧机机型有下面两种。
1）.连续式的带钢冷轧机，是大规模生产的主要轧机形式。
2）.可逆式带钢冷轧机，一般是单机座的。
在一个工作机座对带钢进行往复
多道次的轧制。
目前可逆式冷轧机也有较多的应用，多应用与多辊轧机的形
式。
3.板带轧机的工作机座的形式
由于板带轧机的轧辊的（
）（辊径）的比值较大。
为了提高轧辊的刚度
-40l辊身长/d
在工作辊的外侧都有支撑辊。
辊的数量不同，带钢轧机分为两大类。
（1）.四辊轧机：
曾经是板带生产的最主要的工作机座形式。
随着板带钢轧
制精度的不断提高，其地位在不断的下降。
目前四辊轧机仍是厚板轧制的最
主要的形式。
而对于薄板生产而言，其将逐步被多辊轧机所替代。
（2）.多辊轧机：
轧辊的数量超过四个的板带轧机成为多辊轧机。
包括六辊
轧机，十二辊轧机，二十辊轧机和复合多辊轧机等，主要用于薄带钢和超薄
3
1.4卷取机的分类及其结构
由文献[5，407~409]可知卷取机的用途是收集超长轧件，将其卷取成卷
以便于贮存和运输。
卷取机是轧钢车间的主要辅助设备，在带材和线材的生
产中被广泛使用。
轧钢生产实践表明，卷取机的工作状态直接影响着轧机，
特别是连轧机生产能力的发挥。
因此对强力和高速卷取设备的研究一直受到
重视。
卷取机的类型很多，按其用途可以分为：
热带材卷取机、冷带材卷取机、
小型线材卷取机。
本节主要介绍冷轧带钢卷取机。
1.4.1热带钢卷取机
1.4.1.1热带钢卷取机的分类
热带钢卷取机是热连轧机，炉卷轧机和行星轧机的配套设备，有多种形
式：
地下式、地上式、有卷同式、无卷筒式等。
由于地下式卷取机具有
生产效率高便于卷取宽而且厚的带钢、卷取速度快而密实的特点、所以现代
热连轧的生产线上主要采用地下式卷取机。
1.4.1.2地下卷取机的分类
地下卷取机形式上的主要差别在于助卷辊的数目、分布情况控制方式
以及卷筒结构的不同。
习惯上就以上的差别进行分类。
按助卷辊的数目，地
下卷取机可以分为八辊式、四辊式、三辊式、滑座四辊式、二辊式；按
助卷棍的移动控制方式可以分为：
各助卷辊连杆联接集体定位控制辊单独
定位控制两种。
按卷筒的结构可以分为连杆涨缩式卷筒卷取机和棱锥斜面柱
塞涨缩卷筒卷取机。
1.4.2冷带钢卷取机
1.4.2.1冷带钢卷取机的类型和工艺特点
目前冷轧带钢的卷取绝大多数采用卷筒式的卷取机，其设备配置较简
单，主要由卷筒及其传递系统，压紧辊，活动支撑和推卷卸卷等装置组成。
卷筒及其传动系统构成卷取机的核心部分，至于是否设置其余装置根据工艺
要求而定。
搞生产率的卷取机往往还设有助卷器。
冷轧带钢卷取机按用途可分为大张力卷取机和精整卷取机两大类。
大张
力卷取机主要用于可逆轧机连轧机单机架轧机和平整机。
精整卷取机则主
要用于连续退火酸洗涂镀层及纵剪重卷等生产机组。
按卷筒的结构特点，
可分为实心卷筒卷取机，四棱锥卷筒卷取机，八棱锥卷筒卷取机及四斜楔和
弓形块卷取机等。
前三种强度好，径向刚度大，常用于轧制线做大张力卷取。
后二种结构简单，易于制造，常用于低张力的各种精整线。
此外大张力卷取
机的卷筒从性能上还有固定刚度卷筒和可控刚度卷筒。
4
在冷轧带钢生产中，采用连轧方式是提高生产率的重要措施。
连轧出来
的冷带钢要由卷取机卷取成卷。
此外在可可逆不可逆单机架冷轧带钢轧机
中，轧件也往往长达十米甚至更长。
为了适应生产运输贮存和用户的需要，
冷带钢也必须用卷取机卷取成卷。
（1）.提供张力实现张力轧制；
张力在冷轧中起着非常重要的作用，张力轧制可以降低轧制力，使带
钢板形平直，提高带钢的表面质量。
同时带张力卷取可以使钢卷紧密整齐。
在连轧时张力还起到自动调节连轧关系的作用。
为此轧制冷带钢时，在保证
带钢正常轧制的前提下，均采用大张力轧制。
根据经验，在可逆式冷轧机上
对于2~4mm厚的带钢张应力⎛
（
）⎛s
⎛
（
）⎛s
0≈0.1~0.2
-40对于0.3~1mm厚的带钢
0≈0.5~0.8（⎛s是考虑加工硬化后的材料的屈服极限）。
在连轧机组中
末架轧机与卷取机之间采用小张力⎛
（
）⎛s
（2）.卷取机的速度必须可调；
0≈0.1~0.15。
在带钢的卷曲过程中，钢卷的直径是变化的。
为了保证钢卷外层线速度
与轧机速度相适应并保证张力的恒定，这就要求卷取机的速度是可调的。
卷
取机调速的范围应满足轧机速度变化和卷径变化两种情况。
卷取机的驱动通常采用直流电动机，在恒张力的范围内，根据张力计发出的
信号调整电机的转速。
有的卷取机采用可自动调节油压的油压马达驱动。
在
小型冷轧机上，卷取机采用交流电动机驱动经过恒力矩摩擦联轴器驱动卷取
机的卷筒，达到与轧机同步的目的，但无法保证恒张力轧制。
（3）.卷取机带钢的边缘控制；
在连续机组中由于种种原因，带钢在轧制中或运行中产生左右偏斜。
为
了是卷取的带钢边部整齐，在卷取机上常设置边缘控制机构，最常用的跑偏
机构是光电仪，或压缩空气式带钢边缘信号发生器。
通过随动阀驱动卷取机
上的移动液压缸，使卷取机可在滑座上左右移动，以保证钢卷的边部整齐。
1.4.2.2冷轧带钢卷取机的结构特点
冷轧带钢的卷取机有实心卷筒式、四棱锥式、八棱锥式、四斜楔式、弓
形板式
（1）.实心卷筒卷取机
实心卷筒卷取机一般为两端支撑，结构简单，具有高的强度和刚度，用
于大张力卷取。
其缺点是卸卷需采用倒卷方法，影响了轧机的生产能力。
为
减少卸卷辅助时间，提高作业率，常采用转盘式双卷筒结构。
实心卷筒在大张力卷取时，带钢对卷筒会产生很高的径向压力。
为防止
卷筒产生塑性变形，卷筒材料一般都采用合金锻钢并经均匀热处理。
（2）.四棱锥卷取机
5
为克服实心卷筒卸卷困难的缺点，设计了四棱锥卷筒。
四棱锥卷筒胀径
时，由胀缩缸直接推动棱锥轴，使扇形块产生径向位移。
由于没有中间零件，
棱锥轴直径大，强度高，可承受较大的张力（可达400～600kN），常用于多辊
可逆式冷轧机的大张力卷取和冷连轧机组的卷取机。
卷筒的棱锥轴有正锥式
和倒锥式。
图1—1为三十辊轧机的正锥式四棱锥卷取机结构，主要由棱锥
轴、扇形块、钳口及胀缩缸等组成，结构比较简单。
四棱锥卷简为开式卷筒。
卷筒胀开时，扇形块间有间隙。
因此，卷筒胀
缩量不宜过大，否则扇形块之间缝隙过大，卷取时会压伤内层带卷。
卷筒为
悬臂结构，外端设有活动支撑。
卷筒上设置钳口，钳口由6个⎫45mm的柱
塞缸夹紧，而由弹簧松开，钳口开口度为5mm。
卷筒棱锥轴锥角为7。
45´，
正常润滑条件下它大于摩擦角．性能上用于自动缩径卷筒。
卷筒的薄弱环节
是扇形块的尾钩，尾钩在棱锥轴向分力的作用下会产生很高的弯曲和剪切应
力，易于疲劳损坏。
同时，正锥结构使主轴和胀缩缸的连接螺栓处于不利的
受力状态。
新设计的四校锥卷取机采用倒锥式，显著地改善了上述零件的受
力情况，扇形块结构也得以简化。
但因胀缩缸的工作面积要减去活塞杆的面
积，胀缩缸直径略有增大。
6
图1—1四棱锥卷筒结构
1—回转接头；2—胀缩液压缸；3—传动空心轴；4—四棱锥轴；5—钳口油缸；6—弹簧；
7—扇形块；8—软管；9—衬板10—“T”型键；11—尾钩；
a、b、c、—油路
（3）.八棱锥卷取机
近年来冷轧机向高速、重卷、自动化方向发展，在卷取机结构上也做了
较大的改进。
首先为减小卷取机转动惯量，改善起动、调速、制动性能，趋
向于采用电动机直接传动卷筒的方式。
其次，为解决胀开时扇形块间的缝隙
对薄带钢表面质量的影响，卷筒采用四棱锥加镶条的结构（即八棱锥），卷筒
胀开后能成为一个完整的圆柱体。
图1—2为冷连轧八梭锥卷取机，它由卷简、胀缩缸、机架、齿形联轴
节、底座、卸卷器等组成。
卷取机卷筒有⎫610和⎫450两种规格，采取整
机更换的快速更换卷筒方式。
7
图1—2八棱锥卷筒结构
a一结构示意图；b—卷筒剖示图；
1—蝶形弹簧；2—扇形块；3—棱锥轴；4—拉杆；5—滚动轴承；6—花键轴；
7—花键；8—胀缩油缸；9—胀缩连杆；10—调节螺栓；11—环形弹簧；
12—胀缩滑套及斜块；13—杠杆拨叉；14—齿形联轴器；15—传动轴；
16—卸卷器导杆；17—卸卷器油缸；18—卸卷器推板；19—镶条；20—头套；
卷筒内扇形块、镶条、八棱锥芯轴、拉杆、花键轴等组成。
胀径时．油
缸8通过杠杆拨叉13推动两个斜块12向左移动，使四个胀缩连杆9伸直并
推动环形弹簧及方形架11，使花键轴6和拉杆4右移（棱锥轴靠轴承支承于
机架上不能左右移动）。
因此，拉杆带动头套20使扇形块2及镶条l9相对棱
锥轴右移胀径。
缩径时，油缸通过杠杆拨叉将斜块拨出，胀缩连杆在弹簧1作用下折曲，
扇形块、花键轴等靠胀径时储存在弹簧l中的压缩变形能这位，使卷筒收缩。
为提高卷取机刚度，卷筒设有活动支承。
八棱锥卷筒除棱锥强度高，扇形块刚度大以外，还具有以下特点：
当卷
筒胀开后，胀缩连杆6压在凸块的顶平面上定位并自锁，卷取时脓缩缸不承
受工作负荷。
扇形块斜楔角120º，镶条斜楔角16︒43′51′′，扇形块与镶条在
胀缩运动中互不干扰，但各斜楔面均保持接触，胀开后镶条正好填补扇形块
缝隙，卷筒成一整圆。
出于斜楔角大于摩擦角，八棱锥卷筒也属于自动缩径
式，但缩径控制不是靠胀缩缸而是靠压缩环形弹簧11而实现的。
由于胀缩
缸避开卷筒轴线位置，其传动采用了电机直接驱动的力式。
传动系统具有较
小的转动惯量。
同时也必须指出，此种卷筒结构比较复杂加工精度要求很高，而且卷筒
刚度无法按工艺要求调整。
（4）．四斜楔卷取机
图1—3为1420四斜楔卷取机的卷简，它由主轴、芯轴、斜楔、扇形块、
胀缩缸等组成。
卷筒的胀缩机构是四对斜楔。
内层斜楔由胀缩缸通过芯轴带动做轴向移
动，外斜楔支持扇形块的两翼，带动扇形块径向胀缩。
胀径时外斜楔径向外
伸，填补扇形块间隙，斜楔顶面与扇形块外表面构成一整圆。
卷取薄带不会
产生压痕。
这种卷筒的最大特点是主轴、扇形块加工方便。
由于斜楔只支持扇形块
的两翼，强度、刚度都有削弱，适用于张力不大的平整机组和精整作业线。
弓形块卷取机多用于宽带钢精整线的卷取。
卷筒的胀缩方式有凸轮式、
轴向缸斜楔胀缩式和径向缸式三种。
凸轮和轴向缸斜楔胀缩式目前基本上已
不再采用，而径向缸式由于结构紧凑，使用可靠，在国内外新设计的精整卷
取机上普遍采用，使用情况良好。
8
弓形块卷筒结构如所示，由主轴和弓形块等部分组成。
在主轴内沿卷简
长度方向布置有5—7组缸体互相套叠的径向活塞缸，用于撑开弓形块和夹
紧钳口。
活塞缸和弓形块上都有碟形弹簧，用来收缩弓形块和放松钳门。
径
向活塞缸与卷筒心部轴向设置的增压缸接通。
增压缸为定容积式，其柱塞由
胀缩缸活塞杆推动。
当压力油（约6．3MPa）经回转接头进入胀缩缸时，胀缩
缸活塞带动增压缸柱塞移动，增压缸内油压逐渐增高，以致胀开径向活塞撑
起弓形块并压紧钳口。
增压缸内最大压力可达25MPa。
卸卷时，胀缩缸反向移动，增压缸内油压降低，借碟形弹簧的作用，使
钳口松开，弓形块收缩。
卷简端部设有平衡缸。
油压增大时，平衡缸活塞外移。
当增压缸因泄漏
等原因油量减少时，平衡缸活塞在弹簧作用下反向移动。
由此可保持增压缸
内油压的正常水平。
因1—5所示的卷取机也可采用⎫450、⎫610两种直径的卷筒，并能实现
快速更换。
弓形块卷简的主要缺点是卷简结构不对称，高速卷取时动平衡性
能较差。
9
图1—3棱锥卷筒结构
1—内层斜楔；2—外层斜楔；3—芯轴；4—主轴；5—扇形块；
图1—5径向活塞弓形块卷筒结构图
1—平衡缸；2—卷筒；3—压盖；4—牙嵌式接手；5—增压缸；6—胀缩缸；
7—回转接头；
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