金 枝

(北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司 北京102200)

推鋼式分鋼機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

金 枝①

(北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司 北京102200)

推鋼式分鋼機(jī)應(yīng)用在冶金行業(yè)上，是連續(xù)性生產(chǎn)線上重要的機(jī)械設(shè)備。以設(shè)計(jì)實(shí)例情況為背景，對推鋼式分鋼機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，非標(biāo)件的設(shè)計(jì)研究，標(biāo)準(zhǔn)件的選型，重要零部件的強(qiáng)度校核，進(jìn)行了詳細(xì)闡述。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，提出了分鋼機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用過程中應(yīng)該注意的問題。設(shè)計(jì)的推鋼式分鋼機(jī)已經(jīng)投產(chǎn)使用，運(yùn)行狀況良好，證明了設(shè)計(jì)的合理性。對同類設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

推鋼式分鋼機(jī) 齒條式 推桿 傳動裝置

隨著冶金行業(yè)的快速發(fā)展，及生產(chǎn)的自動化，以及生產(chǎn)線的連續(xù)性，推鋼式分鋼機(jī)的作用尤為重要。它主要用于坯料的橫向運(yùn)送，適用于各種形式的坯料。本設(shè)計(jì)的推鋼式分鋼機(jī)用于連鑄連軋生產(chǎn)線上，主要實(shí)現(xiàn)的功能是把熱送輥道上由連鑄來的熱坯料推至存料臺架上，然后分批次推至鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)的受料位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了存料臺架上鋼坯的分鋼。再由鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)提升至平臺上的輥道上，繼續(xù)坯料的輸送，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。

推鋼式分鋼機(jī)的結(jié)構(gòu)類型類似于連續(xù)式爐用推鋼機(jī)，目前研究連續(xù)式爐用推鋼機(jī)的較多，也比較成熟。但對于本設(shè)備的設(shè)計(jì)，連續(xù)式爐用推鋼機(jī)的推力很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。參考連續(xù)式爐用推鋼機(jī)，結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了本推鋼式分鋼機(jī)。

1 推鋼式分鋼機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

連續(xù)式爐用推鋼機(jī)常用的形式有齒條式和液壓式兩種，由于液壓式的液壓系統(tǒng)投資大，占地面積大，使用維護(hù)費(fèi)用高，行程小，所以結(jié)合工藝要求及工作情況，此設(shè)計(jì)的推鋼式分鋼機(jī)采用電機(jī)—減速機(jī)驅(qū)動的齒條式結(jié)構(gòu)。

此設(shè)計(jì)的推鋼式分鋼機(jī)采用一臺傳動裝置，利用同步軸帶動四組推桿裝配，總體平面布置圖如圖1所示。

圖1 推鋼式分鋼機(jī)總體平面布置圖

齒條式推鋼式分鋼機(jī)主要由行程控制裝置、齒條、推桿裝配、傳動裝置、傳動箱、導(dǎo)輪箱和推頭等組成，如圖2所示，圖中熱送輥道、存料臺架和鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)是生產(chǎn)線上和推鋼式分鋼機(jī)配套的設(shè)備。

2 推鋼式分鋼機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

以下是推鋼式分鋼機(jī)設(shè)計(jì)與研究和幾個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算與分析，其中有些計(jì)算過程中需根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定某些系數(shù)。

2.1 推鋼式分鋼機(jī)的推力計(jì)算

P=GgfK1(N)

(1)

式中G—被推鋼坯的最大重量(kg)；坯料：150mm×150mm×12000mm，最大推20根，重量G=41580kg；

g—重力加速度，g=9.81m/s2；

K1—考慮輥道不平、受熱變形等因素的影響系數(shù)，可取K1=1.1～1.3，取K1=1.2；

f—滑動摩擦系數(shù)，常溫時(shí)f=0.2；300℃時(shí)f=0.3；400℃～500℃時(shí)f=0.4～0.5；600℃～800℃時(shí)f=0.6～0.8；大于800℃時(shí)f=0.8～1.0；考慮到熱送輥道上的坯料不超過400℃，選取f=0.4。

通過上述公式計(jì)算，推鋼式分鋼機(jī)的推力P≈196kN，所以確定P為210kN。

圖2 齒條式推鋼式分鋼機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 推鋼式分鋼機(jī)的推鋼速度

推鋼速度v取決于鋼坯斷面形狀、尺寸、工藝生產(chǎn)率及生產(chǎn)周期，它對電機(jī)功率、零部件強(qiáng)度、被推鋼坯運(yùn)動的狀況有一定的影響，在電機(jī)正常的負(fù)荷情況下，通常采用的推速為：斷面為30mm～60mm的方坯，取v=0.05m/s～0.1m/s；斷面為100mm～300mm的方坯，取v=0.1m/s～0.12m/s；寬度為500mm或更寬的板坯v=0.15m/s。

最終選取還要根據(jù)工藝要求。一般來說，影響生產(chǎn)率的主要原因是推桿返回時(shí)空載時(shí)間長。為提高生產(chǎn)率,可選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的雙速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)推桿返回速度大于推速；若為了獲得更廣的調(diào)速范圍，可采用變頻調(diào)速電機(jī)。

最終選取推速0.1m/s，返回速度0.2m/s，選用變頻調(diào)速電機(jī)。

2.3 推鋼式分鋼機(jī)的推程

推程根據(jù)工藝要求確定，但本設(shè)計(jì)采用輥道上料，還要根據(jù)檢修要求(推頭要退到輥道外側(cè))所需長度來確定, 最終確定推程s=4.6m。齒條前后齒總長要能充分保證在推鋼式分鋼機(jī)最大推程時(shí)，齒輪齒條不會發(fā)生“吊齒”現(xiàn)象,最終確定齒條前后齒總長5m左右。

2.4 傳動裝置

2.4.1 傳動裝置的布置

齒條式推鋼式分鋼機(jī)的傳動裝置通常采用兩種布置方式(見圖3)。兩者的區(qū)別，在于選用了不同的減速機(jī)。圖3a)布置方式采用圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是傳動效率高，易加工制造，缺點(diǎn)是布置不緊湊，橫向占地大。圖3b)布置方式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是橫向尺寸緊湊，其減速機(jī)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式:蝸輪—圓柱齒輪減速機(jī)和圓錐齒輪—圓柱齒輪減速機(jī)。其中，蝸輪—圓柱齒輪減速機(jī)上軸承的受力較好，但傳動效率很低；圓錐齒輪—圓柱齒輪減速機(jī)的傳動效率高，正好彌補(bǔ)了蝸輪—圓柱齒輪減速機(jī)的不足。此設(shè)計(jì)采用圖3b)布置方式，采用的圓錐齒輪—圓柱齒輪減速機(jī)。

圖3 傳動裝置的布置圖

2.4.2 電機(jī)功率的計(jì)算

傳動裝置是推鋼式分鋼機(jī)的主要部分，設(shè)計(jì)的好壞直接影響推鋼式分鋼機(jī)的使用，相關(guān)的計(jì)算非常重要。電機(jī)的功率計(jì)算公式為：

(2)

式中P—推力,P=210kN；v—推速,v=0.1m/s；η—由電動機(jī)至推桿的總的機(jī)械傳動效率(一般來說，齒條式推鋼式分鋼機(jī)η=0.85～0.95)，取η=0.85；

k—電機(jī)允許過載系數(shù)，k=1.5。

考慮到修整系數(shù)以及與減速機(jī)的匹配，選取電機(jī)：YZPB250M2-6(帶編碼器)，電機(jī)功率N=45kW，轉(zhuǎn)速n=975r/min，輸出扭矩441N·m，工作制S3-40%。

2.5 齒輪—齒條與壓輥裝置

2.5.1 齒輪—齒條的傳動位置分析

齒條式推鋼式分鋼機(jī)的齒輪與壓輪的受力分析如圖4所示，在傳動齒輪前后各有一對壓輥。由靜力學(xué)條件得推桿對前后壓輥的作用力為：

(3)

(4)

式中G—推頭重量；q—推桿單位長度重量(自重)；P—推鋼式分鋼機(jī)推力；N—齒輪與齒條間的嚙合力，Nx和Ny為N力的分力。忽略壓輥對推桿的摩擦阻力，則Nx=P；一般齒輪的壓力角為20°，則Ny=Nxtan20°=0.364P。

圖4 齒輪與壓輪的受力分析

從上述公式可看出各類載荷G，q，P，N對壓輥的影響，其中載荷Ny和齒輪位置相關(guān)，由公式可計(jì)算出齒輪在不同位置R1N和R2N值的變化，如圖5所示。

圖5 齒輪在不同位置時(shí)R1N和R2N值的變化

結(jié)合圖5，考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、齒輪齒條正常嚙合及推鋼式分鋼機(jī)的其他實(shí)際工作等因素分析可知，傳動裝置可根據(jù)推力噸位大小確定。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡化，通常將齒輪置于后輥處(即Lx=L2)，此時(shí)前后輥的壓力R1和R2為最大(見圖5中的CD線)。本設(shè)計(jì)采用將齒輪置于后輥處的結(jié)構(gòu)。

此受力分析的研究不僅確定了齒輪的位置，還可用于其他重要零件的常規(guī)校核計(jì)算。

2.5.2 齒輪—齒條的設(shè)計(jì)

齒輪和齒條是推鋼式分鋼機(jī)中重要的零部件，承受低速重載，且使用頻繁，為避免出現(xiàn)膠合、點(diǎn)蝕、斷齒等現(xiàn)象，需正確選定齒條的傳動參數(shù)，合理選擇齒輪模數(shù)和材質(zhì)，并進(jìn)行合理的熱處理等。

可根據(jù)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，齒輪齒條的模數(shù)計(jì)算公式如下：

(5)

式中Am—系數(shù)，直齒輪Am=12.6；K—載荷系數(shù)，常用值K=1.2～2，取K=1.4；T1—減速機(jī)輸出扭矩，T1=P×d1/2=P×mnz1/2=2415mn(N·m)；

YFs—復(fù)合齒形系數(shù)，YFs=YFaYSa=2.7×1.57=4.239；

ψd—齒寬系數(shù)，ψd=0.8；

z1—齒輪齒數(shù)，z1=23；

σFP—齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值，σFP=280MPa。

將數(shù)據(jù)代入公式，求得mn=15.55mm，取mn=16mm。所以，齒輪分度圓直徑d1=mnz1=368mm，齒寬B=0.8×368≈290mm，取B=240mm。

齒輪參數(shù)：mn=16mm，B=240mm，z1=23，x=0，d1=368mm，材質(zhì)：42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度：HB241～286。

齒條參數(shù)：mn=16mm，B=240mm，z2=98，x=0，材質(zhì)：35CrMo，調(diào)質(zhì)硬度：HB=220～269。

這些計(jì)算結(jié)果為計(jì)算齒輪齒條的彎曲應(yīng)力和彎曲疲勞極限提供了基礎(chǔ)，根據(jù)筆者的進(jìn)一步驗(yàn)算，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，證明此設(shè)計(jì)的齒輪齒條滿足使用要求。

2.5.3 齒輪軸的軸承和側(cè)向?qū)l(wèi)裝置

壓輥兩端通常是采用滾動軸承，也可以采用單列滾柱軸承或滾珠軸承；齒輪軸兩端也宜采用滾動軸承。為了保證使用效果，壓輥兩端采用調(diào)心滾子軸承，齒輪軸和托輥兩端采用雙列圓錐滾子軸承。

為了保證齒輪齒條的嚙合良好、運(yùn)行平穩(wěn)、減小齒條與齒輪的磨損，齒輪軸和托輥都采用了帶有側(cè)向?qū)l(wèi)的凸緣；以保證推桿不致產(chǎn)生側(cè)向移動(見圖6)。

2.6 推桿的設(shè)計(jì)

齒條式推鋼式分鋼機(jī)的推桿，通常采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。推桿斷面形狀(如圖7)。從剛度和強(qiáng)度觀點(diǎn)來看，圖7a)的箱形結(jié)構(gòu)最為合理，本設(shè)計(jì)采用此結(jié)構(gòu)。在大型推鋼式分鋼機(jī)中，由于齒寬需要，推桿寬度也要相應(yīng)加大，如圖7b)所示結(jié)構(gòu)形狀。圖7c)所示形狀為特殊需要時(shí)才采用。推桿是推鋼式分鋼機(jī)重要的部件，且由于推桿較長，推力較大，屬于中柔度桿件，在設(shè)計(jì)時(shí)要驗(yàn)算推桿強(qiáng)度。

圖6 側(cè)向?qū)l(wèi)凸緣

圖7 推桿斷面形狀

推桿的設(shè)計(jì)如下：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求初定推桿截面尺寸。

2)按推桿行程確定推桿伸出前夾持輥的最大長度l，l=2050mm。

3)根據(jù)推桿截面的慣性矩I及截面積A按下式計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑r：

(6)

計(jì)算得r=136.1mm。

4)按下式計(jì)算推桿的長細(xì)比λ：

(7)

取μ=2,得λ=30.1。

5)推桿強(qiáng)度驗(yàn)算：

當(dāng)λ≤40時(shí)，按下式驗(yàn)算推桿強(qiáng)度。

(8)

式中σs—材料的屈服強(qiáng)度(MPa)；F—最大推力(N)；A—推桿截面的面積(mm2)；e—推力中心對傳動齒輪與齒條嚙合線節(jié)線的偏心距離(mm)；

W—推桿截面的抵抗矩(m3)。

當(dāng)λ>40時(shí)，按穩(wěn)定性驗(yàn)算推桿推力F′為：

(9)

式中K—安全系數(shù)，K=3～5；E—材料的彈性模量。

此外，要按下式驗(yàn)算壓折彎曲應(yīng)力。

(10)

式中φ—決定于推桿長細(xì)比λ的應(yīng)力折算系數(shù)。

由4)的結(jié)果知應(yīng)該利用式(10)校核強(qiáng)度：

推桿采用普碳鋼Q235，所以σs=235MPa

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，推桿最大推力按只有一根推桿接觸計(jì)算。

根據(jù)公式，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的推桿滿足使用要求。

2.7 行程控制裝置

行程控制裝置安裝在推鋼式分鋼機(jī)行程的前后極限位。行程的控制是靠電機(jī)尾部的編碼器和外裝的行程控制裝置實(shí)現(xiàn)。編碼器是實(shí)現(xiàn)行程控制的主體，外裝的行程控制裝置是為了保證在編碼器失靈時(shí)，推鋼式分鋼機(jī)不發(fā)生“吊齒”現(xiàn)象。

3 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1)機(jī)架結(jié)構(gòu)新穎、制作簡單、重量輕：本設(shè)計(jì)的機(jī)架做成兩個(gè)分體的箱體，制作用板坯焊接而成，重量輕。每個(gè)箱體又做成上下分體式，上下箱體由螺栓連接，加工面少，制作簡單，容易拆卸。

2)采用一組傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了總體費(fèi)用。

3)采用圓錐—圓柱齒輪減速機(jī)，橫向尺寸緊湊，節(jié)省了橫向占地面積。

4)推桿上設(shè)計(jì)上、下軌板，經(jīng)濟(jì)合理。

4 應(yīng)注意的問題

1)推鋼式分鋼機(jī)的齒條：齒條用螺栓固定在推桿上，方便齒條的拆卸和檢修更換；齒條采用35CrMo鍛鋼，按8級精度制造。鍛件必須進(jìn)行探傷檢查不得存在任何缺陷，應(yīng)滿足通用技術(shù)條件的規(guī)定，保證齒條齒面調(diào)質(zhì)硬度不得低于220HBS。

2)推桿裝配：推桿工作中會受到齒條推力、坯料阻力、壓輥壓力等復(fù)雜力系的作用，強(qiáng)度、剛度要高，結(jié)構(gòu)要可靠。推桿與齒條裝配好后，推桿和齒條必須滿足圖紙上形位公差要求，不得產(chǎn)生變形。吊裝和運(yùn)輸中，該推料桿組件要輕裝輕放，吊裝和放置時(shí)用枕木墊平，以防推料桿變形。

3)其它：推鋼式分鋼機(jī)制造完后在制造廠進(jìn)行裝配，保證各緊固件、聯(lián)接件應(yīng)保持牢固不松動，保證各安裝尺寸和間隙。確保裝配后所有轉(zhuǎn)動部件應(yīng)轉(zhuǎn)動靈活，移動部件應(yīng)移動平穩(wěn)，無異常噪音和振動，不允許有卡阻現(xiàn)象。設(shè)備裝配后在制造廠必須進(jìn)行空負(fù)荷試運(yùn)轉(zhuǎn)，一切正常后，再進(jìn)行帶負(fù)荷試車。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的齒條式推鋼式分鋼機(jī)，采用的齒條式傳動效率高，工作穩(wěn)定可靠，整個(gè)結(jié)構(gòu)的布置緊湊，經(jīng)濟(jì)合理，主要參數(shù)均能滿足使用要求，投產(chǎn)使用近一年來，使用效果良好，很好的實(shí)現(xiàn)了推速0.1m/s，返回速度0.2m/s的效果，齒條沒有卡阻現(xiàn)象，重要零部件沒有損壞現(xiàn)象，有力地保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。生產(chǎn)實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)是合理的，對相似設(shè)備的設(shè)計(jì)制造有一定的借鑒意義。

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊[M](第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]馬鞍山鋼鐵設(shè)計(jì)院.中小型軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:冶金工業(yè)出版社出版,1979.

[3]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M](第5版).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]陳維新.重鋼中板廠85t推鋼機(jī)設(shè)計(jì)[J].重型機(jī)械科技，2007(3)：7-11.

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Design and Development of Pusher Type Splitting Steel Machine

Jin Zhi

(Beijing Shenwu Environment & Energy Technology Co., Ltd, Beijing 102200)

Pusher type splitting machine applied in metallurgical industry, is the important equipment on the continuous production line. To design instance as the background, overall structure design, the design of non-standard parts, standard parts selection, checking the strength of important components, are described in detail. Combined with design cases, this paper puts forward the issues which should be paid attention to during the design, manufacturing, installation and application. The splitting machine has been put into production use, running in good condition, proves the rationality of design. To provide a certain reference value for the design of similar products design.

Pusher type splitting machine Rack type Push rod Transmission

金枝，女，1980年出生，畢業(yè)于東北大學(xué)，碩士，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及研發(fā)工作

TG333.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.03.007

2015-01-07)