石恩斌 路曉彬

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 天津 300301)

1 前言

在軋鋼機(jī)械設(shè)備中，軋輥裝置為軋機(jī)主機(jī)的核心零部件，同時(shí)也是易損件。軋鋼設(shè)備每軋一定數(shù)量的鋼材，軋輥由于磨損需要更換下來進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)軋輥修復(fù)一定次數(shù)后，軋輥便沒有修磨量，此時(shí)軋輥將會(huì)報(bào)廢。因此在軋鋼設(shè)備維護(hù)使用過程中，軋輥更換是一項(xiàng)較頻繁的工作。

軋輥裝置通常本身重量均比較大，另一方面，其安裝在軋機(jī)的中心位置，更換起來是比較困難的，尤其對(duì)于大規(guī)格軋機(jī)軋輥裝置其更換難度是顯而易見的。

軋輥裝置更換往往需要專用吊具進(jìn)行吊裝，吊具的合理設(shè)計(jì)將會(huì)給設(shè)備維護(hù)人員帶來極大的方便。它不僅可以縮短作業(yè)人員的工作時(shí)間，減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率。否則，維護(hù)人員在軋輥更換將會(huì)很困難，甚至有可能造成設(shè)備和人員的安全事故。因此，這類吊具的設(shè)計(jì)是十分重要的。

2 吊具的選型

受某軋鋼廠的委托，為其設(shè)計(jì)軋輥裝置吊具，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，軋輥裝置在軋機(jī)中部，只有設(shè)備左側(cè)有一部分空檔位置可以對(duì)軋輥裝置進(jìn)行吊運(yùn)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況決定采用帶配重平衡C形吊具的結(jié)構(gòu)形式[1]。C型吊具可以跨越軋機(jī)上部設(shè)備，將軋輥裝置送入安裝位置。采用配重可以實(shí)現(xiàn)起吊中心線與C型吊具重心重合。

如圖1所示，C型鉤由上梁、下梁和立柱三部分組成。在上梁上設(shè)置起吊點(diǎn)與配重，配重與立柱分別位于起吊點(diǎn)的兩側(cè)，軋輥裝置將被固定在下橫梁上。

圖1 帶配重平衡的C型吊具

3 吊具的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[2]

在本吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素：

(1)吊具重心及軋輥裝置重心與起吊中心線重合。這樣吊具在運(yùn)行過程中運(yùn)行平穩(wěn)、可靠；

(2)吊具上有可靠的連接點(diǎn)，可以與軋輥裝置牢固連接。避免在吊運(yùn)過程中滑脫，造成事故；

(3)吊具要有足夠的強(qiáng)度、剛度，滿足工件起吊安全要求；

(4)吊具在滿足安全使用的前提下，盡量結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；

(5)吊具要符合使用要求。

4 吊具的初步設(shè)計(jì)

4.1 有足夠的強(qiáng)度與剛度

吊具設(shè)計(jì)時(shí)取合理的安全系數(shù)，既要吊保證吊具本身足夠的強(qiáng)度與剛度，又不要設(shè)計(jì)成傻大笨粗。本設(shè)計(jì)考慮吊具頻繁使用，并且在使用過程難免有輕微的磕碰或撞擊，取安全系數(shù)取3～4。

4.2吊具的大致尺寸初定

首先，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軋輥裝置相對(duì)軋機(jī)位置進(jìn)行測(cè)量。軋輥中心線距軋機(jī)頂部距離約5.1m，軋制中心線距軋機(jī)左側(cè)邊緣距離約2.5m。軋輥裝置參數(shù)為：長(zhǎng)度4.2m，軋輥直徑730，重量13.2t。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，初步確定吊具外形尺寸見圖2。

4.3 吊具的起吊中心線研討

吊具設(shè)計(jì)過程中采用有限元受力分析[3]可以直觀地看出吊具應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。方便對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使吊具以最小的成本滿足使用要求。

圖2 C型吊具外型圖(初步)

C型吊具起吊中心線距吊具立柱部分的遠(yuǎn)近將直接影響吊具的強(qiáng)度和吊具自重及配重的大小。圖3是吊具力學(xué)模型及模型4的受力分析圖。

a)吊具力學(xué)模型 b)模型四受力分析圖圖3 吊具力學(xué)模型及模型四受力分析圖

假定吊具采用實(shí)心鋼板厚度取80mm，配重厚度取500mm。對(duì)吊具進(jìn)行建模，添加約束，在吊具下橫梁上與起吊中心線對(duì)稱兩處加載軋輥裝置起吊引起的負(fù)荷，添加吊具自重力，對(duì)其進(jìn)行有限元應(yīng)力分析計(jì)算。結(jié)果見表1。

從表1可以看出：隨著起吊中心線至吊具立柱距離L的減小，吊具自重、配重、最大應(yīng)力均減小。

上述結(jié)果與圖2比較可以看出，模型一尺寸符合現(xiàn)場(chǎng)情況，但配重過大，吊具既不協(xié)調(diào)、也不經(jīng)濟(jì)。模型三配重大小適當(dāng)，吊具形狀協(xié)調(diào)，當(dāng)L尺寸不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。現(xiàn)將軋輥裝置進(jìn)行擴(kuò)展，即原軋輥裝置與其左端過渡連接桿、半聯(lián)軸器合并。擴(kuò)展后的軋輥裝置長(zhǎng)度7.2m，重量為20t，重心左移1.5m。模型四就是依據(jù)擴(kuò)展后的軋輥裝置載荷建立的，與模型三比較，其L尺寸符合現(xiàn)場(chǎng)情況，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

表1 起吊中心線不同位置比較表

4.4吊具結(jié)構(gòu)的可行性的研判

將吊具與擴(kuò)展后的軋輥裝置綁定在一起，在圖紙上用電腦模擬其吊運(yùn)安裝過程。發(fā)現(xiàn)：軋輥裝置不僅需要平移，還需要傾斜角度調(diào)整(角度調(diào)整范圍是0～15°)。這樣，其運(yùn)行過程中不與其他設(shè)備干涉，軋輥裝置順利移入安裝位置。因此，C型吊具設(shè)計(jì)時(shí)，其立柱與下橫梁需采用鉸鏈連接方式。

5 吊具的詳細(xì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

5.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，方便實(shí)用

本吊具在高度方向尺寸大，已超過6m。起吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)天車雙鉤吊鉤設(shè)計(jì)成雙吊桿結(jié)構(gòu)。如圖4所示，兩吊桿設(shè)置在C型吊具的上橫梁上，并與上橫梁鉸接。在吊具進(jìn)行掛、卸鉤時(shí)，只要操作人員用一長(zhǎng)桿拔動(dòng)吊桿便可完成。

圖4 吊具上橫梁部分示意圖1-吊具上橫梁；2-配重；3-擋塊；4-吊桿；5-銷軸

配重在上橫梁上可以橫向移動(dòng)調(diào)整，配重位置調(diào)整合適后用擋塊固定。通過對(duì)配重進(jìn)行小范圍調(diào)整，可以平衡掉這焊接鋼板理論厚度與實(shí)際厚度差異以及焊縫質(zhì)量等引起的吊具重心偏移，使C型吊具在空載吊起時(shí)，其上橫梁處于水平位置。

5.2 吊具下橫梁采用馬鞍型結(jié)構(gòu)

由于軋輥裝置基本形狀屬于長(zhǎng)圓柱類型，為了將其牢固、可靠固定在下橫梁上，下橫梁設(shè)計(jì)成馬鞍型結(jié)構(gòu)詳見圖5。用固定鏈條將軋輥裝置與下橫梁牢固連接。

圖5 下橫梁部分示意圖1-下橫梁；2-軋輥裝置；3-固定鏈

5.3 吊具各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C型吊具尺寸大、重量重，屬于大規(guī)格工裝，本設(shè)計(jì)采用分體設(shè)計(jì)[4]。吊具采用分體結(jié)構(gòu)的形式，制作時(shí)可利用部分邊角料，加工制作也變得容易，可以節(jié)約制造成本和縮短制作周期。

圖6 軋輥裝置用吊具圖

在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，吊具上橫梁、立柱部分采用焊接方管結(jié)構(gòu)，下橫梁采用馬鞍型結(jié)構(gòu)。上橫梁與立柱之間用鍵定位，緊固件把合的連接方式，立柱與下橫梁之間用鉸鏈連接方式。在立柱上設(shè)置推桿機(jī)機(jī)構(gòu)用于下橫梁傾斜角度的調(diào)整。推桿機(jī)構(gòu)主要由鉸接座與螺旋升降機(jī)組成。推桿機(jī)構(gòu)與下橫梁鉸接。

詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其建模，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，驗(yàn)證其安全性，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的尺寸，使其安全、可靠、尺寸合理，外形美觀。然后，在圖紙上用電腦模擬其吊運(yùn)軋輥裝置運(yùn)行軌跡，進(jìn)一步驗(yàn)證其是否滿足使用要求。圖6是本設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)圖。

6 結(jié)束語

吊具設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用有限元受力分析，使所設(shè)計(jì)的工具結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，美觀大方。采用電腦模擬軋輥裝置更換的運(yùn)行軌跡方法，可以驗(yàn)證吊具能否滿足使用要求。吊具起吊點(diǎn)采用雙吊桿結(jié)構(gòu)，下橫梁采用馬鞍型結(jié)構(gòu)，使吊具使用方便，進(jìn)一步提高了安全性能。

吊具應(yīng)用帶鉸接座的螺旋升降機(jī)推桿機(jī)構(gòu)，使軋輥裝置在吊運(yùn)過程可方便地實(shí)現(xiàn)傾斜角度的調(diào)整。