楊國(guó)良 康曉鵬

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

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一種新型臥式活套設(shè)計(jì)與分析

楊國(guó)良①康曉鵬

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

介紹一種新型的卷?yè)P(yáng)式臥式活套，其主要由活套車(chē)、支撐車(chē)、力矩卷筒及傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，使用可靠且設(shè)備投資少的特點(diǎn)。另外基于力矩卷筒的力學(xué)特性，建立了活套的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了力矩卷筒鋼絲繩強(qiáng)度校核時(shí)需注意的事項(xiàng)。

活套 力矩卷筒 鋼絲繩 強(qiáng)度校核

1 前言

冷軋?zhí)幚砭€上活套結(jié)構(gòu)形式可分為立式活套及臥式活套兩種，立式活套主要用于對(duì)帶鋼表面質(zhì)量要求較高的精整機(jī)組[1]，如連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組、碳鋼連續(xù)退火機(jī)組及彩色涂層機(jī)組等，臥式活套主要用在酸洗機(jī)組及硅鋼連續(xù)退火機(jī)組中。臥式活套一般由活套車(chē)、活套門(mén)及傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)構(gòu)成，其中活套車(chē)上的仿形軌道加工較為困難[2]，而且活套門(mén)安裝時(shí)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)多，安裝難度高[3]。鑒于此，本文介紹一種新型的臥式活套，該新型活套采用支撐車(chē)代替活套門(mén)，利用力矩卷筒的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐車(chē)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)活套的充放套。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，大大減小了設(shè)備投資。

2 力矩卷筒式臥式活套結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

某機(jī)組中采用的力矩卷筒式臥式活套主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳動(dòng)卷?yè)P(yáng)、活套車(chē)、支撐車(chē)、軌道組成，每個(gè)支撐車(chē)上固定有一個(gè)力矩卷筒，通過(guò)卷筒上的鋼絲繩與其前面的車(chē)體連接?；钐总?chē)通過(guò)鋼絲繩與No.1支撐車(chē)的力矩卷筒連接。在空套狀態(tài)下，支撐車(chē)能交錯(cuò)重疊，從而實(shí)現(xiàn)在保證套量的情況下，最大限度的減少活套長(zhǎng)度。

3 力矩卷筒的理論力學(xué)模型

3.1 力矩卷筒的結(jié)構(gòu)組成

力矩卷筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由繞滿鋼絲繩的卷筒、軸承座、芯軸、彈簧內(nèi)套、蝸卷彈簧、發(fā)條盒及預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置組成，彈簧內(nèi)套與芯軸，卷筒與芯軸都采用鍵聯(lián)接。平面蝸卷彈簧即發(fā)條彈簧的內(nèi)端采用彎鉤固定法卡在彈簧內(nèi)套的槽內(nèi)，與彈簧內(nèi)套一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外端與發(fā)條盒采用襯片固定。當(dāng)鋼絲繩帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，芯軸、彈簧內(nèi)套及發(fā)條彈簧一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

圖1 力矩卷筒式臥式活套結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 力矩卷筒結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 發(fā)條彈簧的工作特性

發(fā)條彈簧的工作特性如圖3所示，A點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)條彈簧置于發(fā)條盒后完全放松的狀態(tài)，此時(shí)發(fā)條各圈壓到盒壁上，由于受到發(fā)條盒的限制，實(shí)際能輸出的力矩為零，當(dāng)發(fā)條逐漸旋緊時(shí)，壓到發(fā)條盒內(nèi)壁的各圈上的發(fā)條將逐漸離開(kāi)內(nèi)壁并彼此分開(kāi)，B點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)條各圈已分布在條盒內(nèi)，但最外一圈尚未離開(kāi)發(fā)條盒壁的時(shí)刻，此時(shí)發(fā)條彈簧各圈處于同心狀態(tài)。繼續(xù)上緊到最外一圈也離開(kāi)發(fā)條盒后，C點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)條彈簧完全上緊的時(shí)刻，這時(shí)發(fā)條彈簧緊繞在彈簧內(nèi)套上。發(fā)條盒各圈的同心狀態(tài)與發(fā)條彈簧外端的固定方法有關(guān)，如果彼此不同心，會(huì)產(chǎn)生圈間摩擦，影響其輸出轉(zhuǎn)矩。

曲線BCD表示發(fā)條彈簧輸出力矩與發(fā)條彈簧圈數(shù)的關(guān)系，曲線BC段力矩變化非線性，n0表示此段彈簧的轉(zhuǎn)數(shù)，稱(chēng)為空圈數(shù)，其值一般取1～3.5。曲線CD段近似線性，一般將此段作為發(fā)條彈簧的工作段，ng表示此段彈簧的轉(zhuǎn)數(shù)，稱(chēng)為工作圈數(shù)。初始狀態(tài)時(shí)發(fā)條彈簧產(chǎn)生塑性變形及彈性變形，由于發(fā)條盒的作用，此部分彈性變形能無(wú)法有效輸出，在外力作用下，發(fā)條彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，各圈逐漸趨于同心且圈層之間距離減小，發(fā)條彈簧的彈性變形能增加[4]。

圖3 發(fā)條彈簧的工作特性

3.3 力矩卷筒的力學(xué)模型

力矩卷筒上的預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置的作用有兩點(diǎn)，其一是保證力矩卷筒的實(shí)際工作段與發(fā)條彈簧的工作圈數(shù)一致，使力矩卷筒提供線性彈簧剛度；其二，通過(guò)改變預(yù)緊力來(lái)調(diào)整力矩卷筒的初始輸出力矩。設(shè)力矩卷筒的線性彈簧剛度為k，最大輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)max，彈簧工作圈數(shù)為ng，則k=Tmax/ng[4]。因此可將力矩卷筒等效為圖4所示的彈簧阻尼模型，其中阻尼c表示發(fā)條彈簧的圈間摩擦。

圖4 力矩卷筒的力學(xué)模型

4 活套充放套運(yùn)動(dòng)分析

4.1 活套充放套運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型

以某機(jī)組的活套為例，為便于分析，可忽略帶鋼與支撐車(chē)托輥之間的摩擦及車(chē)輪、托輥等處滾動(dòng)軸承的摩擦，另外不考慮車(chē)體前后拉力不同造成的傾翻力矩。車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可將前后車(chē)體間帶鋼重量疊加到前面一個(gè)車(chē)體上。將活套的充放套運(yùn)動(dòng)受力模型簡(jiǎn)化為如圖5所示。

圖5 活套運(yùn)動(dòng)受力模型

相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 活套主要力學(xué)參數(shù)

4.2 活套充套運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

根據(jù)受力模型，有：

F5=k×x5+c

F4=k×x4+c=μ×(G+G1)/R+F5

F3=k×x3+c=μ×(G+G1)/R+F4

F2=k×x2+c=μ×(G+G1)/R+F3

F1=k×x1+c=μ×(G+G1)/R+F2

F0=μ×(G0+G1)/R+F1+T

折算到活套車(chē)或支撐車(chē)上的帶鋼重量G1為一變量，其值與鋼絲繩伸長(zhǎng)量總和,即套量，呈線性關(guān)系，滿套時(shí)，重量達(dá)到最大值(4.3kN)，空套時(shí)，重量為最小值(1.8kN)。由于帶鋼重量相較支撐車(chē)及活套車(chē)重量較小，可以將帶鋼重量造成的摩擦力忽略不計(jì)，另外忽略發(fā)條彈簧圈間摩擦。各車(chē)體間鋼絲繩長(zhǎng)度在分析過(guò)程中近似認(rèn)為等于各車(chē)體間距離，以便于描述活套運(yùn)動(dòng)過(guò)程?；钐壮涮讜r(shí)，活套卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)活套車(chē)向左運(yùn)動(dòng)，活套車(chē)帶動(dòng)No.1支撐車(chē)力矩卷筒上的鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，隨著活套車(chē)與No.1支撐車(chē)之間鋼絲繩長(zhǎng)度x1的增長(zhǎng)，F(xiàn)1逐漸增加，當(dāng)F1能克服No.1支撐車(chē)車(chē)輪與軌道間的摩擦力時(shí)，No.1支撐車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，依次類(lèi)推可知，No.i支撐車(chē)由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)時(shí)需滿足以下條件：

Fi≥μ×G/R=0.14kN

(i=1～4)

由前述分析可知，No.1支撐車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)1=0.14kN，此時(shí)x1=0.7m，No.1支撐車(chē)?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩長(zhǎng)度x2增加，當(dāng)滿足F2=k×x2=0.14kN時(shí)，No.2支撐車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)x2=0.7m，F(xiàn)1=k×x1=μ×G/R+F2，因此x1=1.4m，依次類(lèi)推，最后No.4支撐車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，x4=0.7m，x3=1.4m，x2=2.1m，x1=2.8m，之后活套車(chē)及No.1～No.4支撐車(chē)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，No.5～No.6支撐車(chē)之間間距逐漸加大，有：

x1=x2+0.7=x3+1.4=x4+2.1=x5+2.8

即此時(shí)活套各車(chē)體間距離等值同步增大，前后車(chē)體間相對(duì)速度不變，各支撐車(chē)運(yùn)動(dòng)速度Vi(i=1～4)及活套車(chē)運(yùn)動(dòng)速度V0滿足以下關(guān)系式：

V0-V1=V1-V2=V2-V3=V3-V4=V4

因此活套在充套過(guò)程中，各支撐車(chē)是順序運(yùn)動(dòng)，之后再同時(shí)等距離展開(kāi)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果某前后車(chē)體間鋼絲繩長(zhǎng)度已達(dá)到理論最大值，即鋼絲繩長(zhǎng)度不再變化。那么此前后兩車(chē)體之間間距不變，視為整體與其余支撐車(chē)做等距離展開(kāi)運(yùn)動(dòng)，直到活套處于滿套位。由上述分析可知，在活套長(zhǎng)度一定的條件下，各支撐車(chē)在活套處于滿套位時(shí)的理論停止位置與相應(yīng)力矩卷筒鋼絲繩長(zhǎng)度的選取有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)各支撐車(chē)在滿套位時(shí)等間距分布，在不計(jì)及各力矩卷筒鋼絲繩初始長(zhǎng)度的條件下(空套位)，各力矩卷筒鋼絲繩選型長(zhǎng)度應(yīng)滿足下述公式，其中L為活套總長(zhǎng)度。

x1-x2=x2-x3=x3-x4=x4-x5=0.7m

x5=(L-14)/5

為了使鋼絲繩一直工作在力矩卷筒的有效工作圈數(shù)內(nèi)，因此力矩卷筒的鋼絲繩選型長(zhǎng)度一般都留有余量，因此活套在滿套位時(shí)，活套各車(chē)體間距離為等差分布，活套充套過(guò)程如圖6所示。

圖6 活套車(chē)及支撐車(chē)充套運(yùn)動(dòng)過(guò)程

4.3 活套放套運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

根據(jù)受力模型，有

F1=k×x1-c=F0+μ×(G0+G1)/R-T

F2=k×x2-c=μ×(G+G1)/R+F1

F3=k×x3-c=μ×(G+G1)/R+F2

F4=k×x4-c=μ×(G+G1)/R+F3

F5=k×x5-c=μ×(G+G1)/R+F4

求解得：

x5=x4+0.7=x3+1.4=x2+2.1=x1+2.8

活套放套時(shí)，根據(jù)充套運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程同理可知，活套車(chē)首先開(kāi)始向右移動(dòng)，活套車(chē)與No.1支撐車(chē)之間間距減小，即鋼絲繩長(zhǎng)度x1減小，兩者之間的鋼絲繩拉力F1減小，當(dāng)F1減小到一定值后，No.1支撐車(chē)開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，計(jì)算可得當(dāng)x1減小0.7m時(shí)，No.2支撐車(chē)開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)x2減小0.7m時(shí)，No.3支撐車(chē)開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)x1減小1.4m，依次類(lèi)推，當(dāng)最后No.4支撐車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，各車(chē)體間距離(即鋼絲繩長(zhǎng)度)x1減小了3.5m，x2減小了2.8m，x3減小2.1m，x4減小1.4m，x5減小0.7m，x1也就是各支撐車(chē)的絕對(duì)位移。之后活套車(chē)及No.1～No.4支撐車(chē)同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，各車(chē)體之間間距等值減小，各支撐車(chē)運(yùn)動(dòng)速度Vi(i=1～4)及活套車(chē)運(yùn)動(dòng)速度V0同樣滿足以下關(guān)系式：

V0-V1=V1-V2=V2-V3=V3-V4=V4

放套過(guò)程中各車(chē)體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是從活套車(chē)開(kāi)始順序縮回，直到全部車(chē)體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，之后同時(shí)運(yùn)動(dòng)但保持前后兩車(chē)距離同值減小，直到活套處于空套狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果某前后車(chē)體間鋼絲繩長(zhǎng)度已達(dá)到理論最小值，即兩車(chē)相遇，那么此兩車(chē)將作為整體一起運(yùn)動(dòng)。最后活套車(chē)停在預(yù)定位置時(shí)，各支撐車(chē)與活套車(chē)的距離呈等差分布，其中No.1支撐車(chē)與活套車(chē)的距離最小。活套放套過(guò)程如圖7所示。

圖7 活套車(chē)及支撐車(chē)放套運(yùn)動(dòng)過(guò)程

5 力矩卷筒鋼絲繩強(qiáng)度校核

由前述分析可知，充套時(shí)，No.1支撐車(chē)力矩卷筒鋼絲繩受到的拉力最大，放套時(shí)，No.5支撐車(chē)力矩卷筒鋼絲繩受到的拉力最大，計(jì)及帶鋼重量對(duì)車(chē)體與車(chē)輪間摩擦力的影響，其拉力大小為：

Fmax=μ×(4×G+G3)/R+k×x

其中x為No.1或No.6支撐車(chē)力矩卷筒鋼絲繩的有效卷取長(zhǎng)度，G3為滿套位時(shí)，活套內(nèi)帶鋼的最大重量。在校核鋼絲繩的直徑時(shí)，設(shè)選用的鋼絲繩的最小破斷拉力為T(mén)/kN，有：

n=Fmax/T[4]

其中n為安全系數(shù)，需根據(jù)鋼絲繩所在機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別合理的選取，根據(jù)活套的工作特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別選取M5或M6較為合適。由于分析過(guò)程中假定了發(fā)條彈簧各圈呈同心分布而忽略了圈間摩擦，因此鋼絲繩實(shí)際拉力會(huì)較計(jì)算值大，應(yīng)選取較大的安全系數(shù)，推薦n≥5。實(shí)際工程中，導(dǎo)致鋼絲繩斷裂的另一個(gè)因素就是繩頭與力矩卷筒的刮擦，因此鋼絲繩出繩口必須做護(hù)邊處理，避免割斷鋼絲繩。

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種新型臥式活套的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)，并對(duì)其充放套的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，揭示了各支撐車(chē)在活套充放套過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)工程實(shí)例，提出了影響力矩卷筒鋼絲繩強(qiáng)度的因素及改進(jìn)措施，文中的分析界定了一些前提條件，如各力矩卷筒的預(yù)緊力一樣，如果改變預(yù)緊力的值，活套車(chē)及支撐車(chē)的初始運(yùn)動(dòng)位置會(huì)改變，活套處于滿套位時(shí)各車(chē)的相對(duì)位置也會(huì)相應(yīng)有所改變，但活套各車(chē)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致。

[1]劉剛.活套的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].梅山科技，2013(3):48～51.

[2]王革勛,張中華.冷軋活套擺動(dòng)門(mén)安裝技術(shù)[J].天津冶金，2010(5):44～47.

[3]張慶華.熱鍍鋅機(jī)組活套小車(chē)左右導(dǎo)向板異型曲面的加工[J].重型機(jī)械科技,2003(2):28～30.

[4]北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版第3卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

Design and Analysis of a Kind of Original Horizontal Looper

Yang Guoliang Kang Xiaopeng

(WISDRI Engineering & Research Incorpration Limited，Wuhan 430223)

A kind of original windlass horizontal looper is introduced which contains looper car, a set of support cars, moment mandrel and drive winch. The structure of the looper is very simple, it can be installed simply and used reliably while investment of the looper is reduced greatly. The kinematics model of the looper is designed based on the mechanics characteristic of the moment mandrel. Movement process of the looper is analyzed in detail, and suggestion is proposed in strength checking of rope enlaced on moment mandrel.

Looper Moment mandrel Rope Strength checking

楊國(guó)良，男，1984年出生，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，研究生，工程師，主要從事冷軋?zhí)幚砭€設(shè)備設(shè)計(jì)與研究

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.004

2013-09-18)