魏 昊，王 成，張本彤，馬然然

（湖北新冶鋼特種鋼管有限公司，湖北 黃石 435001）

齒條步進式冷床近年來在熱軋無縫鋼管生產中應用較多。這種類型的冷床由定齒梁和動齒梁等組成，通過動齒梁的上升和平移運動，將定齒梁上的鋼管步進式地向前移送，鋼管在這個過程中由流動空氣或強制通風進行冷卻。如果合理地設計定齒梁、動齒梁的齒形以及二者的相對運動軌跡，鋼管可在移送過程中實現(xiàn)滾動，使鋼管在圓周方向上均勻冷卻，避免發(fā)生彎曲。

由于冷床工作負載大，帶載啟動頻繁，傳動系統(tǒng)參數(shù)的正確計算是設備正常運行的前提條件。本文著重探討冷床升降傳動裝置及橫移傳動裝置的設計計算方法，以對同類型冷床的設計提供參考［1-3］。

1 冷床結構組成

齒條步進式冷床一般由定齒梁、動齒梁、升降傳動裝置及橫移傳動裝置4個部分組成，結構如圖1所示。定齒梁對鋼管起靜支撐作用，升降傳動與橫移傳動裝置用于驅動動齒梁分別產生升降及橫移運動，從而使鋼管在前進過程中滾動并均勻冷卻。

升降傳動裝置由變頻電機驅動，帶動曲柄搖桿機構，搖桿的上下擺動帶動動齒梁升降。搖桿的結構設計為直角T型擺軸，擺軸底部由數(shù)組拉桿沿冷床長度方向（即料流方向）首尾串聯(lián)起來，擺軸的另一端安裝有滾輪，動齒梁底部的楔形滑塊在滾輪上能橫向移動。升降傳動裝置的變頻電機是雙出軸形式，連接若干臺減速器沿冷床寬度方向串聯(lián)布置（減速器數(shù)量由冷床寬度確定），減速器輸出軸與充當曲柄的偏心軸相連，偏心軸與T型擺軸通過連桿連接。升降過程中整個床面負荷由升降裝置承擔，升降過程是靠相互串聯(lián)的拉桿將升降裝置的動力傳動到整個床面；因此，升降傳動裝置一般位于冷床入口處。升降傳動裝置結構如圖2所示。

圖1 齒條步進式冷床的結構示意

圖2 升降傳動裝置結構示意

橫移傳動裝置與升降傳動裝置類似，也是曲柄搖桿機構，減速器輸出軸（偏心軸式的曲柄）驅動連桿通過搖桿（直角L型擺軸）兩直角邊長放大關系推（拉）著動齒梁產生橫移，橫移傳動裝置電機及減速器的排列形式與升降傳動裝置一樣，都是沿冷床寬度方向排列。橫移傳動裝置結構如圖3所示。

圖3 橫移傳動裝置結構示意

齒條步進式冷床有兩種工作模式：一種是步進模式，另一種是踏步模式。步進模式就是每一個動作周期冷床都將鋼管沿料流方向向前傳遞一個（或者兩個）工位；而踏步模式就是鋼管被動齒梁抬起后動齒梁后退一小段距離將鋼管又放在原定齒梁齒槽中，鋼管在原地踏步過程中發(fā)生兩次滾動并得到均勻冷卻。在正常連續(xù)軋制過程中為步進模式，在軋管機長時間不來料時，可采用踏步模式。

由此可見，齒條步進式冷床的每一個工作周期都是由兩個升降動作及兩個橫移動作間隔排序組成的。在冷床傳動計算時，冷床的動作周期不得大于軋管機的軋制周期。

2 傳動系統(tǒng)力能參數(shù)計算

冷床傳動系統(tǒng)的設計計算主要包括升降傳動裝置計算和橫移傳動裝置計算兩部分。從上述工作原理可知，升降傳動裝置和橫移傳動裝置類似，因此以下詳細介紹升降傳動裝置計算，橫移傳動裝置的計算可與之對照進行。

要確定冷床升降傳動和橫移傳動裝置的電機功率，首先必須確定負載軸功率（即電機輸出軸處的負載功率）。負載軸功率是通過負載總轉矩計算出來，對于冷床來說，負載總轉矩T總從性質上可以分為重力矩TG、摩擦力矩Tf和慣性力矩Ta，即：

2.1 重力矩TG的計算

冷床在運轉過程中，傳動裝置要克服與設備自身質量及鋼管質量相關的阻力矩，在此可以理解為冷床在任意位置保持靜止時電機的輸出力矩。

由于T型擺軸的擺動特性，在一個回轉周期內，冷床的重力矩是隨時間變化的，為確定電機的功率，一般取最大值進行估算，即取力臂為最大時的力矩值作為重力矩的計算力矩。

式中Gg——冷床上盛放鋼管的總重量，N；

Gd——動齒梁的自重，N；

LT——T型擺軸負載側的最大力矩長度，m；

i——減速機傳動比。

2.2 摩擦力矩Tf的計算

在冷床的傳動裝置中，存在較多的轉動或擺動摩擦副，會產生相對于傳動軸旋轉中心的摩擦力矩，而且由于在空轉和帶載運轉時的負載不同，所以摩擦力矩也是變化的，這里同樣取其最大值作為計算用的摩擦力矩。

在冷床的升降傳動系統(tǒng)中，主要的轉動或擺動副有曲柄-大連桿處和T型擺軸的4處鉸接點，最大摩擦力矩可按公式（3）～（4）計算［4］：

式中Tq——曲柄-大連桿處的最大摩擦力矩，N·m；

TTx——T型擺軸上4處鉸接點處的最大摩擦力矩，N·m；x=1，2，3，4；

k——系數(shù)，對于跑合過的軸徑，k=1.27；

μ——運動副元素是平面時的摩擦因數(shù)；

G——各運動副處沿軸的直徑方向上作用的最大載荷重量，N；

R——運動副處軸徑的半徑值，m。

考慮所有的摩擦力矩比較繁瑣，工程計算時，摩擦力矩也可以根據(jù)裝置的工作效率整體考慮。

2.3 慣性力矩Ta 的計算

冷床在運行過程要頻繁帶載啟動，因此除了重力矩和摩擦力矩，在計算時還要考慮在加速過程中鋼管和動齒梁等的慣性力矩。在升降機構傳動裝置中，為了克服設備自身的慣性所需要的力矩為［5］：

式中Jg，Jl，Js，Jz——轉化到電機輸出軸的鋼管、動齒梁、減速器、聯(lián)軸器的轉動慣量，kg·m2；

Jj——電機自身的轉動慣量，kg·m2；

ε——冷床啟動時電機的角加速度，rad/s。

上述計算方法為工程上常用的簡便方法，可以初步快速地估計傳動系統(tǒng)的總功率。如果要較精確地計算，根據(jù)冷床的傳動特性，可以采用等效轉矩法［6］：在冷床的動作周期內，隨著曲柄轉動位置的不同，整個床面負荷產生的靜轉矩是不同的，為了準確地計算其數(shù)值，可以將曲柄轉過的角度等距平分，取一系列的點，計算出每點位置對應的重力矩、摩擦力矩和慣性力矩，最后匯總出每個位置點的合力矩，按照公式（6）計算出當量負載轉矩 Te［3］：

式中T1，T2，...，Tm——各分段轉矩值，N·m；

t1，t2，...，tm——各分段負載持續(xù)時間，s。

3 電機功率計算

因為冷床的運轉速度相對較慢，為了更好地發(fā)揮電機的效能，一般選擇8級交流變頻調速電機，電機的額定轉速n為750 r/min。至此，根據(jù)公式（7）即可計算出升降機構驅動電機的總功率P［7］：

式中z——驅動電機的個數(shù)；

η——系統(tǒng)的傳動效率。

減速機的傳動比是根據(jù)軋制節(jié)奏來推導，升降傳動裝置提升/下降的時間tv可以先按照公式（8）進行初步計算：

式中t——每支鋼管的軋制周期，s；

Sv，SH——升降、橫移行程，m。

公式（8）只是初步計算時用來粗略估計提升或下降過程所需要的時間，且是假設升降速度等于橫移速度的條件下進行計算的。于是，升降減速機輸出軸轉動一圈完成一次升降所需的時間為2tv，減速機輸出轉速n1=30/tv，減速機傳動比為：

4 結 語

在分析冷床運動過程的基礎上，討論冷床升降傳動及橫移傳動裝置的設計計算方法。需要說明的是，為了實現(xiàn)鋼管輕拿輕放，減小設備的沖擊載荷，并保證鋼管表面質量，還需要在此基礎上合理設定升降和橫移傳動裝置的運動位置和速度。