詹雪雄

(中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖北武漢430080)

1 前言

熱軋帶鋼卷取就是將帶鋼卷成整齊、緊密的鋼卷，以解決帶鋼的存放和運(yùn)輸問題。塔形是在鋼卷頭部或尾部幾圈或幾十圈偏向一側(cè)，造成成品卷外觀不好，并且在運(yùn)輸和吊運(yùn)過程中，容易損壞鋼卷的邊部質(zhì)量。塔形分為外塔和內(nèi)塔，以內(nèi)塔居多，典型的內(nèi)塔塔形如圖1。塔形卷在運(yùn)輸及吊運(yùn)時(shí)極易壓折、損傷，直接影響到鋼材的成材率，從而影響到產(chǎn)權(quán)廠的效益。

熱軋線鋼卷塔形現(xiàn)象較為多見［1］，塔形產(chǎn)生有設(shè)備方面原因，如卷取機(jī)前側(cè)導(dǎo)板擺動(dòng)、卷取機(jī)芯軸的擴(kuò)張時(shí)序不合理等，也有工藝方面原因，如卷取初期張力變化、側(cè)導(dǎo)板開口度設(shè)定過大等。針對(duì)鋼卷塔形現(xiàn)象，產(chǎn)權(quán)廠通常采取綜合控制策略，改善卷取時(shí)的卷形，減少或避免塔形卷。但是，塔形產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，難以徹底根除，所以塔形卷在熱軋線仍然時(shí)有發(fā)生。

圖1 鋼卷頭部塔形

對(duì)于塔形卷，可以依靠人工進(jìn)行塔形消除，但是對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏有影響，并且浪費(fèi)人力和物力?，F(xiàn)有技術(shù)中，可以使用塔形消除裝置，進(jìn)行鋼卷塔形消除。塔形消除裝置根據(jù)裝設(shè)位置，分為在線和離線兩種方式;根據(jù)采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有液壓和氣動(dòng)兩種方式。

2 1700 熱軋線基本參數(shù)

1700 熱軋線建成于1978 年，全套引進(jìn)日本的設(shè)備和工藝技術(shù)。多年運(yùn)行后，粗軋區(qū)由于設(shè)備間隙及對(duì)中性的問題，板形和卷形情況不太理想，于2009 年改造后，卷形質(zhì)量有明顯提高。但是仍然存在一定數(shù)量的塔形卷，以立卷上部?jī)?nèi)塔塔形為主。

經(jīng)分析論證后，決定在1700 熱軋線卷取區(qū)域采用塔形消除裝置，對(duì)塔形卷進(jìn)行塔形消除操作，保證鋼卷卷形質(zhì)量，提高成材率。

2.1 基本參數(shù)

卷取帶鋼厚度:1. 2 ～12. 7mm;卷取帶鋼寬度:850 ～1550mm;卷取鋼卷最大外徑:Φ2200mm;卷取鋼卷最小外徑:Φ1600mm;卷重:max.30t;塔形量:0 ～150mm;鋼卷輸送形式:立卷;軋線軋制節(jié)奏:105s/塊鋼。

2.2 設(shè)計(jì)條件

1700 熱軋線有3 臺(tái)三助卷輥式地下卷取機(jī)，軋線上的帶鋼由其中一臺(tái)卷取機(jī)卷取后，經(jīng)翻鋼機(jī)翻轉(zhuǎn)90°后，立卷存放于輸送鏈上進(jìn)行運(yùn)輸。氣壓驅(qū)動(dòng)的裝置設(shè)備剛度小、作用力小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差［2］;離線式塔形消除裝置將裝設(shè)于精軋區(qū)，需要進(jìn)行鋼卷吊轉(zhuǎn)和旁站操作，增加精軋區(qū)吊車的使用率以及操作人員的工作量;若考慮在輸送鏈上裝設(shè)塔形消除裝置，需要增加塔形消除工作時(shí)間，將對(duì)軋制節(jié)奏有較大影響。因此，考慮在線、液壓、前工序(進(jìn)入輸送鏈前)進(jìn)行塔形消除操作。據(jù)此，需要在卷取機(jī)區(qū)域裝設(shè)塔形消除裝置?？梢钥紤]在翻鋼機(jī)上或打捆鞍座上裝設(shè)塔形消除裝置，經(jīng)過分析、比較，最終確定在打捆機(jī)側(cè)鞍座上進(jìn)行裝設(shè)。該區(qū)域空間較小，極易與卷取機(jī)、翻鋼機(jī)、運(yùn)卷小車等發(fā)生干涉，對(duì)結(jié)構(gòu)要求很高。塔形消除裝置裝設(shè)位置見圖2。

2.3 負(fù)荷條件

圖2 1700 熱軋線卷取機(jī)區(qū)

為保證塔形消除裝置實(shí)現(xiàn)拍打操作，順利將塔形消除到要求范圍，并且不導(dǎo)致鋼卷在鞍座上滑移，需要選擇合適的拍打力和控制方式。為保證拍打操作過程中鋼卷不發(fā)生滑移，一般采取兩側(cè)同時(shí)拍打;在控制方式上，要求兩側(cè)拍打板受力均衡，即兩側(cè)拍打板的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由同一個(gè)管路接入后分兩支供壓;在拍打力上，需要足夠大以便順利將塔形卷壓回到鋼卷內(nèi)，同時(shí)不能過大，使鋼卷本體受到壓迫而變形、損傷。根據(jù)工藝要求的參數(shù)，設(shè)定拍打力為55kN。裝置系統(tǒng)油源取自熱軋線卷取機(jī)區(qū)域檢修坑道靠近1#卷取機(jī)側(cè)，系統(tǒng)最大油壓為13MPa。

3 塔形消除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作過程

根據(jù)裝設(shè)的環(huán)境和工藝要求，設(shè)計(jì)塔形消除裝置，如圖3。該裝置主要由壓板、左右轉(zhuǎn)臂、右鞍座、旋轉(zhuǎn)油缸、右底座、壓緊油缸、導(dǎo)桿、轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)軸承及連接盤等組成。其中，右鞍座、右底座參考現(xiàn)有鞍座及底座進(jìn)行改造設(shè)計(jì);左右轉(zhuǎn)臂采用連接板等連接在轉(zhuǎn)軸上，用鍵傳動(dòng);轉(zhuǎn)軸采用連接盤連接在右鞍座上，采用滑動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng);左右轉(zhuǎn)臂上采用壓板、導(dǎo)桿及壓緊油缸等，實(shí)現(xiàn)拍打;采用旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)左右轉(zhuǎn)臂，實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)臂的旋入、旋出;采用安全銷，實(shí)現(xiàn)在檢修或調(diào)試狀態(tài)下，插入安全銷，防止裝置的誤動(dòng)作。

塔形消除裝置工作過程如下:系統(tǒng)檢測(cè)到塔形卷(內(nèi)塔，塔形量＜150mm)→鋼卷按要求在鞍座上存放→打捆機(jī)完成打捆操作→啟動(dòng)裝置→轉(zhuǎn)臂旋入(旋轉(zhuǎn)油缸推出)→轉(zhuǎn)臂到位后，壓板壓緊(壓緊油缸推出)→壓板壓力達(dá)到設(shè)定壓力值后，壓板退回(壓緊油缸收回)→壓板退回到位后，轉(zhuǎn)臂旋出(旋轉(zhuǎn)油缸收回)→轉(zhuǎn)臂旋出到位后，裝置停止。

本次設(shè)計(jì)中，考慮機(jī)旁和集中操作兩種方式，可以進(jìn)行一鍵操作，也可點(diǎn)動(dòng)操作。并考慮機(jī)旁優(yōu)先級(jí)，以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)，機(jī)旁箱能完全控制裝置的操作，避免誤操作。同時(shí)，為避免在拍打過程中兩端拍打板動(dòng)作不一致，在液壓系統(tǒng)中采用一套進(jìn)油路，分兩路分別引入到拍打板油缸，實(shí)現(xiàn)拍打時(shí)受力均衡。并嚴(yán)格根據(jù)實(shí)際使用情況，設(shè)定最大拍打力，防止裝置使用時(shí)對(duì)鋼卷造成不必要的損傷。

圖3 熱軋線塔形卷塔形消除裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 受力分析及計(jì)算

塔形消除裝置中活動(dòng)部件主要受到壓緊工作時(shí)塔形卷給予的拍打反力，轉(zhuǎn)臂旋入、旋出時(shí)轉(zhuǎn)臂重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。分三種狀態(tài)進(jìn)行分析。

1)待令位，受到轉(zhuǎn)臂部件重力的轉(zhuǎn)矩作用(受力簡(jiǎn)圖見圖4)

圖4 待令位受力簡(jiǎn)圖(單位:kN，mm)

此時(shí)，左右轉(zhuǎn)臂部件的重力產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樽筠D(zhuǎn)臂部件由旋轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行支撐，所以，右轉(zhuǎn)臂部件的重力對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭矩T12。

式中 T12—待令位轉(zhuǎn)軸的扭矩，N·m;

F12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的力臂，m。

同時(shí)，要驅(qū)動(dòng)裝置中的轉(zhuǎn)臂部件實(shí)現(xiàn)旋入，旋轉(zhuǎn)油缸要產(chǎn)生推力F1q來克服轉(zhuǎn)臂部件重力產(chǎn)生的力矩M1b。

式中 M1b—待令位轉(zhuǎn)臂部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩，N·m;

F11—待令位左轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L11—待令位左轉(zhuǎn)臂部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的力臂，m;

F12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L12—待令位右轉(zhuǎn)臂對(duì)轉(zhuǎn)軸部件的力臂，m;

μ—滑動(dòng)軸承半干摩擦系數(shù)，取為0.25。

式中 M1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩，N·m;

F1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸產(chǎn)生的推力，N;

L1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸推力的力臂，m;

Px—旋轉(zhuǎn)油缸工作油壓，MPa;

d1—旋轉(zhuǎn)油缸的油缸直徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，M1q＞M1b，所以，旋轉(zhuǎn)油缸缸徑滿足要求。

2)壓緊工作位，鋼卷給予的壓緊反力以及轉(zhuǎn)臂部件的轉(zhuǎn)矩(受力簡(jiǎn)圖見圖5)。

圖5 壓緊工作位受力簡(jiǎn)圖(單位:kN，mm)

此時(shí)，壓板受到鋼卷給予的壓緊反力，最大壓緊反力按55kN 進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)臂受到的壓緊反力F2b的作用，由壓緊油缸傳遞到轉(zhuǎn)臂上，使轉(zhuǎn)臂承受彎扭。

轉(zhuǎn)軸在壓緊反力的作用下，受到拉力F21和彎矩M21;同時(shí)，由于右轉(zhuǎn)臂的重力作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的扭矩T22。此時(shí)，轉(zhuǎn)軸的受力，既有彎矩又有扭矩;并且還有拉力，該拉力作用在轉(zhuǎn)軸與鞍座連接的滑動(dòng)軸承軸肩上。

3)壓緊結(jié)束后，油缸桿收回驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂部件旋出工作位(受力簡(jiǎn)圖見圖6)。

此時(shí)，油缸要產(chǎn)生拉力F2q，克服轉(zhuǎn)臂部件重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)臂部件回位。

其中:M2b=1.3×(F21×L21+F22×L22)×(1+μ);

式中代號(hào)參照公式(2)、(3)。

算得，M2q＞M2b，所以，旋轉(zhuǎn)油缸桿徑滿足要求。

圖6 轉(zhuǎn)臂部件旋出工作位受力簡(jiǎn)圖(單位:kN，mm)

5 主要零件強(qiáng)度校核

5.1 轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核

裝置在不同狀態(tài)下，轉(zhuǎn)軸的受力不同。

1)在待令位時(shí)

轉(zhuǎn)軸主要受到右轉(zhuǎn)臂部件的重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T12?？梢允褂门まD(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行直徑核算［3］。

式中 d—軸端直徑，mm;

T—轉(zhuǎn)軸承受的轉(zhuǎn)矩，N·m;

τp—許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，按手冊(cè)取為45MPa。

算得d=105mm，即最小軸徑為105mm。

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸中最小軸段直徑為140mm，在該截面計(jì)算所得最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τmax=17MPa，計(jì)算安全系數(shù)S=2.65 ＞Sp=2.5，故滿足要求。

2)在工作位時(shí)

轉(zhuǎn)軸受到拉伸、彎矩和扭矩的作用，其中拉伸力對(duì)軸強(qiáng)度影響較小，可不考慮，所以使用彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行核算。

(1)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算

式中 M—軸在計(jì)算截面所受彎矩，N·m;

T—軸在計(jì)算截面所受扭矩，N·m;

ψ—校正系數(shù)，單向旋轉(zhuǎn)，取為0.6;

σ－1p—軸的許用完全壓力，按手冊(cè)選取。

計(jì)算d =167mm，即在與轉(zhuǎn)臂部件聯(lián)接段最小軸徑為167mm。設(shè)計(jì)中取該段軸徑為200mm，采用圓形平鍵鍵45 ×25 ×250 進(jìn)行聯(lián)接傳動(dòng)。

(2)按靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核

運(yùn)用該方法校驗(yàn)軸對(duì)塑性變形的抵抗能力，即校核危險(xiǎn)截面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)。通過分析得出危險(xiǎn)截面，并分別進(jìn)行校核，經(jīng)計(jì)算，危險(xiǎn)截面靜強(qiáng)度滿足要求。

由以上計(jì)算可知，轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)滿足要求。

5.2 滑動(dòng)軸承校核

轉(zhuǎn)軸與鞍座間的聯(lián)接由滑動(dòng)軸承來完成，轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速較低，通過對(duì)裝置的受力分析，應(yīng)對(duì)壓緊工作狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)軸承的壓力強(qiáng)度及軸肩的載荷進(jìn)行校核。

1)壓緊工作狀態(tài)下，滑動(dòng)軸承的壓力強(qiáng)度校核

通過受力分析，在壓緊工作狀態(tài)下，滑動(dòng)軸承的受力為彎矩作用，經(jīng)簡(jiǎn)化，可以視為在滑動(dòng)軸承上承受P，受力簡(jiǎn)圖見圖7。

圖7 滑動(dòng)軸承在壓緊工作狀態(tài)的受力簡(jiǎn)圖

滑動(dòng)軸承的壓力強(qiáng)度按以下公式計(jì)算。

式中 p—軸承壓強(qiáng)，MPa;

P—軸承徑向載荷，N;

d、B—軸頸的直徑和工作寬度，mm;

pp—許用壓強(qiáng)，MPa，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得。

算得，p =7. 9MPa ＜pp=8MPa，故軸承選用合理。

2)壓緊工作狀態(tài)下，滑動(dòng)軸承軸肩承受的軸向荷載校核

在該狀態(tài)下，軸承承受的最大徑向載荷P =322162N，經(jīng)計(jì)算軸承承受的軸向載荷為Pz=55000N，Pz=0.17P ＜0.3P，所以軸向荷載在安全范圍內(nèi)。

6 有限元分析

6.1 分析模型的建立

根據(jù)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，采用SolidWorks 軟件對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，裝置模型如圖8。

6.2 材料數(shù)據(jù)

材料模型類型:線性彈性同向性。根據(jù)零件的具體普通碳素鋼、合金鋼等材料進(jìn)行加載。

圖8 塔形消除裝置實(shí)體模型

6.3 仿真分析

在前處理軟件中，將材料特性、邊界約束條件進(jìn)行定義，再用FEE 結(jié)算器(迭代)求解，將求解結(jié)構(gòu)再調(diào)入前處理軟件進(jìn)行結(jié)果后處理。

6.3.1 鞍座

鞍座采用普通碳素鋼，底板添加固定約束，斜面添加載荷壓力150kN，即最大鋼卷重量30t，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，仿真分析鞍座應(yīng)力分布。見圖9。

圖9 鞍座應(yīng)力分布

6.3.2 底座

在底板添加固定約束，在上聯(lián)接面添加載荷壓力200kN，即最大鋼卷重量30t，并且計(jì)算鞍座及轉(zhuǎn)軸等重量，劃分網(wǎng)格后，仿真分析應(yīng)力分布。見圖10。

6.3.3 轉(zhuǎn)臂

轉(zhuǎn)臂油缸聯(lián)接面施加壓力55kN，即最大壓緊反力55kN，在聯(lián)接面添加固定約束，劃分網(wǎng)格后，仿真分析應(yīng)力分布。見圖11。

圖10 底座應(yīng)力分布

圖11 轉(zhuǎn)臂應(yīng)力分布

通過對(duì)原鞍座等部位在增加消除塔形裝置后的應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，表明強(qiáng)度沒有問題。

7 裝置特點(diǎn)

1)該設(shè)計(jì)方案充分考慮生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏，在卷取機(jī)末、運(yùn)輸鏈前的工藝環(huán)節(jié)裝設(shè)，對(duì)整個(gè)工藝節(jié)奏的影響降到最小。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮環(huán)境的要求，利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件做載體進(jìn)行裝設(shè)，克服空間狹小的難題，采用簡(jiǎn)單有效的結(jié)構(gòu)型式完成既定的功能設(shè)計(jì)。

3)該裝置制作簡(jiǎn)單，操作便利，后期檢修維護(hù)方便。

4)因?yàn)榭梢越梃b的資料少，本著扎實(shí)耐用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在裝置設(shè)計(jì)上偏保守，有待深入研究分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際情況，在后期推廣中進(jìn)行優(yōu)化。

8 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)中，結(jié)合產(chǎn)權(quán)廠的工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)要求，在卷取機(jī)后打捆機(jī)鞍座上進(jìn)行裝設(shè)，存在空間狹小、難以布置的困難，通過利用已有的底座、鞍座，完成裝置的固定、聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的要求，具有較好的創(chuàng)新性。該裝置研制完成后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試，能順利完成拍打操作，能有效消除塔形卷的內(nèi)塔形，對(duì)鋼卷不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，使用效果良好。

［1］于千，楊健，余威，王倫，李瑞恒. 熱軋帶鋼卷取塔形產(chǎn)生原因及防范措施［J］.軋鋼，2007(3):59－60.

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