曹丙起 曹玥（天津天鐵冶金集團天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

鋼坯上料臺架的分析與改造

曹丙起 曹玥（天津天鐵冶金集團天鐵軋二制鋼有限公司，天津300400）

天鐵軋二制鋼有限公司引進(jìn)意大利POMINI公司的棒材生產(chǎn)線，由于加熱爐輸送鋼坯的上料臺架設(shè)計不合理，在運行過程中頻繁損壞，嚴(yán)重地影響了公司的正常生產(chǎn)。通過對上料臺架存在問題進(jìn)行了分析和論證，制定了平移液壓缸位置、改進(jìn)四連桿結(jié)構(gòu)型式、降低升降液壓缸載荷等改造方案并實施，保證了上料臺架的平穩(wěn)運行。

鋼坯上料臺架設(shè)備改造有限元分析

1 引言

天鐵軋二制鋼公司的棒材生產(chǎn)線為立體結(jié)構(gòu)布置，二層是軋制平臺，一層碼放原料、成品、備件，原料經(jīng)由電磁吊、上料臺架進(jìn)入加熱爐，最終進(jìn)入軋制區(qū)。生產(chǎn)線投產(chǎn)一年間，上料臺架的托梁、拉桿、升降液壓缸底座等處頻繁出現(xiàn)開焊、斷裂、高周疲勞等現(xiàn)象，平均每1~2周就會發(fā)生影響生產(chǎn)的設(shè)備故障，而且該設(shè)備機械結(jié)構(gòu)體積龐大，空間布局狹窄，檢修維護(hù)非常不便，為此需徹底解決這一問題。

2 分析與改造

2.1 平移液壓缸安裝位置改造

在原始設(shè)計中用于實現(xiàn)臺架整體進(jìn)退的平移液壓缸安裝于機架中部下方，因其位置特殊，點檢工作很難進(jìn)行，液壓缸密封失效后產(chǎn)生泄漏不易發(fā)現(xiàn)，增加了設(shè)備維護(hù)成本，更換備品備件難度很大。見圖1。

改造后平移液壓缸的安裝位置移動到機架外側(cè)，保持其型號和安裝形式不變。改造后的設(shè)備即使在運行中也能進(jìn)行檢查，而且可以隨時更換損壞零件，節(jié)省了維修時間，消除了設(shè)備隱患，提高了臺時利用率。見圖2。

圖1

2.2 開式四連桿結(jié)構(gòu)與閉式四連桿結(jié)構(gòu)

圖3是改造前的上拖梁結(jié)構(gòu)圖，左側(cè)圈選處為閉式鉸接結(jié)構(gòu)，該梁在使用過程中頻繁出現(xiàn)連桿斷裂、焊縫開裂等事故，見圖4，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是以下三點原因所造成。

2.2.1 由于閉式四連桿機構(gòu)的特性，無法抵消因安裝誤差和制造誤差產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使上拖梁在頻繁的升降過程中承受過高的載荷(相當(dāng)于設(shè)備在裝配后便產(chǎn)生了較大的預(yù)應(yīng)力)。

2.2.2 上拖梁的升降過程受左右兩側(cè)液壓缸控制見圖1，理論上兩個液壓缸的動作周期應(yīng)保持一致，行程應(yīng)保證相反，但在實際的使用過程中，該理想狀態(tài)很難達(dá)成，這是導(dǎo)致連桿斷裂和焊縫開裂的主要成因。

2.2.3 上料臺架上的鋼坯是由電磁吊運輸?shù)模恍┎灰?guī)范的操作或天車故障導(dǎo)致電磁塊吸附的鋼坯直接掉落于拖梁上，瞬間產(chǎn)生的沖擊載荷直接作用于托梁上平面，對于傳動結(jié)構(gòu)為閉式的四連桿機構(gòu)，該載荷無法被卸載，最后作用于拉桿或液壓缸的鉸接處，導(dǎo)致受力處頻繁開焊或斷裂。

圖3

圖4

2.2.4 圖5是改造后的上拖梁結(jié)構(gòu)圖，其鋼結(jié)構(gòu)形式基本形式保持不變，將左側(cè)閉式鉸接結(jié)構(gòu)改為開式滑塊結(jié)構(gòu)，見圖6。從其詳圖可見，銷軸安裝于一矩形滑塊中央，滑塊左右各有10 mm的滑動空間(實際滑動量遠(yuǎn)小于該值)，滑塊由下方安裝的壓板固定，在上拖梁在升降過程，銷軸會帶動滑塊按箭頭方向往復(fù)運動，抵消由于撓曲變形、安裝誤差、制造誤差、液壓系統(tǒng)誤差以及落物造成的大應(yīng)力或沖擊載荷。

圖5

圖6

2.2.5 在改造方案確定之前，技術(shù)人員已對該處結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析計算，并使用Pro/E的結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行了有限元分析，分析過程不做贅述，僅敘述流程，并對結(jié)構(gòu)分析在設(shè)備改造中的進(jìn)行可行性進(jìn)行研究。

（1）首先確定使用理想化梁模型模擬出上拖梁結(jié)構(gòu)，其簡化表示見圖7。

（2）建立Beam截面，使用軟件給定的標(biāo)準(zhǔn)梁截面并賦值(注意：軟件中的H型鋼并不符合GB標(biāo)準(zhǔn)，若對工字鋼進(jìn)行模擬，需要自行建立Beam截面)。

（3）設(shè)置材料，可先借用材料庫中的STEEL，根據(jù)自己選定的材料參數(shù)稍做修改即可，設(shè)置結(jié)束后將材料應(yīng)用在零件整體上。

（4）設(shè)置約束條件，改造前的左右兩個鉸接點約束全部六個自由度；改造后的左端釋放一個平移自由度(其坐標(biāo)軸視模型坐標(biāo)系給定即可)，右端約束全部六個自由度。

（5）添加載荷，根據(jù)工況為P點設(shè)置一個垂直向下的載荷值。

（6）運行靜力分析，對兩種結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比評估見圖8。左上為舊結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖，左下為舊結(jié)構(gòu)變形圖；右上為新結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖，右下為新結(jié)構(gòu)變形圖。

2.2.6 通過圖8對比發(fā)現(xiàn)，舊結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中較明顯(紅色區(qū)域位于梁中部，面域很長)，結(jié)構(gòu)變形較大；新結(jié)構(gòu)載荷集中不明顯，結(jié)構(gòu)變形較小。從數(shù)值上對比，老結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約為新結(jié)構(gòu)的10倍，而最大撓度也在新結(jié)構(gòu)的兩倍以上，可見新結(jié)構(gòu)基本滿足預(yù)期的設(shè)計要求，可以按照該方案進(jìn)行改造。

圖7

圖8

2.2.7 設(shè)備投產(chǎn)以后，上拖梁及其拉桿均未出現(xiàn)過開焊和斷裂等情況。

2.3 滑動軸承的改進(jìn)

圖號2455-02576是材料為G-CUSN10PB10的銅套，在使用過程中，因無法加油潤滑并且承受較高的應(yīng)力集中，在短期內(nèi)（通常為1~2周）便會嚴(yán)重磨損。圖9是已廢止的改造前的臺架運動副，可以看到銅套磨損相當(dāng)嚴(yán)重，特別是右側(cè)銅套已完全磨透。由于設(shè)備空間布局限制，更換銅套十分困難，維修上料臺架期間只能使用天車吊送料坯，給周邊作業(yè)工人造成很大的安全隱患。

改造后，該處采用嘉善雙飛的JDB系列無油潤滑軸承，投產(chǎn)至今已近5年，從未更換過備件。去年大修中，技術(shù)人員對無油潤滑軸承的磨損情況進(jìn)行了測繪，其最大磨損不足0.03 mm，一般控制在0.01 mm~0.02 mm之間。

圖9

2.4 升降液壓缸的改造

2.4.1 原始設(shè)計中，升降平臺液壓缸設(shè)計不理想,見圖1，液壓缸負(fù)載等于上料臺架所承受的鋼坯重量和臺架自身重量之和，使液壓系統(tǒng)壓力增大，造成系統(tǒng)元件壽命縮短。改造的目的是將液壓系統(tǒng)載荷控制在之前的50%~70%，降低液壓系統(tǒng)壓力，保證設(shè)備長時間正常工作，從而做到順利投達(dá)產(chǎn)。

2.4.2 在設(shè)計方案敲定之前，技術(shù)人員同樣對新老兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和評估，圖10是進(jìn)行有限元分析前制定的流程圖。

圖10

從設(shè)備的復(fù)雜程度和功能上分析，對整體進(jìn)行分析是沒有必要的；從軟件解算時間考慮，對整體進(jìn)行分析勢必會造成計算機資源浪費，也是不可行的。所以，找到能反映設(shè)備整體受載情況的“有限元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)”是分析的重點。圖1和圖2中的連桿，既有銷釘固定結(jié)構(gòu)，又連接著液壓缸和上拖梁，通過它，我們可以分析出液壓缸的實際受力情況，而無須對整體進(jìn)行模擬，既可節(jié)省解算時間又能降低仿真難度。圖11為理想化的零件示意，添加載荷、約束和材料特性參數(shù)的方法在2.2節(jié)內(nèi)已經(jīng)闡述過了，不再贅述。

圖11

2.4.3 需要指出的是，該方案實施之初，Pro/E的版本還較低，通常使用Pro/MECHANICA 2001進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，Pro/MECHANICA 2001軟件功能并不完善，而且沒有整合在Pro/E的安裝文件內(nèi)，是作為獨立軟件或插件形式授權(quán)和使用的。軟件版本發(fā)展到了野火5.0，Pro/MECHANICA不僅完成了和Pro/E的整合，其功能也在很大程度上得到了擴充和完善，比如在寫論文時，我們就使用“銷釘約束”對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新分析，并就兩次分析的結(jié)果進(jìn)行了對比。該約束類型是野火5.0新增加的邊界條件，它可以很方便地釋放旋轉(zhuǎn)自由度，而無須設(shè)置圓柱坐標(biāo)系。通過云圖（略）的分布情況和解算數(shù)值對比可以看出，原設(shè)計的載荷是現(xiàn)行設(shè)計載荷的2倍左右，可以驗證改造思路是正確的，改造方案可行。

3 結(jié)論

3.1 在原設(shè)計基礎(chǔ)上改進(jìn)后的上料液壓系統(tǒng)載力只是鋼坯重量的二分之一，降低了液壓系統(tǒng)壓力；平移液壓缸安裝在橫梁的末位端，易于維修；運動副處銅瓦改為無油潤滑軸承，從安裝至今未發(fā)生損壞；四連桿機構(gòu)采用了開放式結(jié)構(gòu)，消除了安裝誤差和制造誤差所造成的應(yīng)力集中。

3.2 在原設(shè)計基礎(chǔ)上改進(jìn)后的上料臺架使用后節(jié)省了大量人力及備件，保證了長時間正常工作。節(jié)省了臺時，提高了臺時利用率，對生產(chǎn)上能夠順利投達(dá)產(chǎn)起到了重要作用。

（收稿2010－03－20責(zé)編崔建華）

[1]方建軍，劉任良．機械動態(tài)仿真與工程分析一Pro/E Wildfire工程應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]孫江宏，黃小龍，高宏．Pro／E Wildfire／2001結(jié)構(gòu)分析與運動仿真[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．

Analysis and modification of Billet Skid

Cao Bingqi,Cao Yue

Due to the unreasonable design of billet skid of reheat furnace,the bar mill of Second Rolling Mill,TIANTIE,imported from Italian POMINI Company,suffers frequent damage during running,which seriously affects the normal production.Through analysis and demonstration on the existing problems of billet skid,modification plans of horizontally moving hydraulic cylinder position,improving tie rod structure and reducing the load for lifting cylinder are formulated and executed.As a result,the stable running of the billet skid is ensured.

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曹丙起，工程師，1983年畢業(yè)于天津大學(xué)機電分校機械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)任天津軋二制鋼有限公司副總經(jīng)理，主管設(shè)備工作。