板坯橫移機(jī)設(shè)計(jì)及研究

金洪廉，裘 喆，白 斌，吳 鐵，陳瑩瑩

(1．鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114051;2．中鋼設(shè)備有限公司，北京 100080)

1 概述

鞍鋼2150ASP(連鑄連軋)工程為國(guó)內(nèi)首次自主集成的雙機(jī)四流中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線。該工程布置有3臺(tái)板坯橫移機(jī)，其中2臺(tái)小橫移機(jī)用于每臺(tái)鑄機(jī)兩流之間的鑄坯運(yùn)輸及存放，另1臺(tái)大橫移機(jī)則是連接鑄機(jī)與軋線的橋梁，擔(dān)負(fù)合理調(diào)配運(yùn)送鑄坯給軋線的任務(wù)。這里介紹的板坯橫移機(jī)是指大橫移機(jī)，它是解決鑄機(jī)與軋線合理銜接的關(guān)鍵設(shè)備。它不僅具有小橫移機(jī)的鑄流間運(yùn)輸存放鑄坯的功能，而且具有鑄機(jī)與鑄機(jī)間、鑄機(jī)與鑄流間、鑄機(jī)與緩沖存放臺(tái)間運(yùn)輸存放鑄坯的功能，最重要的是它使四流鑄坯“合四為一”輸送給軋線、最大限度滿足軋線的原料供給。

2 幾種橫移設(shè)備的比較及方案確定

鑄坯橫移設(shè)備主要有移送臺(tái)車、轉(zhuǎn)盤(pán)拉鋼機(jī)、推鋼機(jī)及橫移機(jī)等，都能用來(lái)橫向移動(dòng)鑄坯，完成工藝要求。

2.1 移送臺(tái)車

移送臺(tái)車將切成定尺的鑄坯直接輸送到臺(tái)車的輥道上，臺(tái)車橫移，將其輥道與精整設(shè)備的受料輥道對(duì)齊，然后臺(tái)車上輥道轉(zhuǎn)動(dòng)，把坯子輸送到受料輥道上。這種方式各流間干擾較大，必須嚴(yán)格控制臺(tái)車的工作節(jié)奏，否則會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)混亂。移送臺(tái)車由輥道、車體、走行裝置、軌道、滑線接電裝置等組成。

2.2 轉(zhuǎn)盤(pán)拉鋼機(jī)

轉(zhuǎn)盤(pán)拉鋼機(jī)的工作原理是將切割成定尺的鑄坯經(jīng)出坯輥道輸送到轉(zhuǎn)盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)90°將鑄坯輸送到過(guò)渡輥道上，然后由拉鋼機(jī)將鑄坯移送到精整設(shè)備的受料輥道上。這種銜接方式，各流間相互干擾較少，控制比較簡(jiǎn)單，但設(shè)備重量約為移送臺(tái)車式的兩倍。

2.3 橫移機(jī)

橫移機(jī)多用于較長(zhǎng)距離鑄坯的橫向搬運(yùn)，如換線及往其他設(shè)備上輸送等。與轉(zhuǎn)盤(pán)拉鋼機(jī)相比，橫移機(jī)具有運(yùn)行阻力小、磨損小、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活等特點(diǎn)。橫移機(jī)主要由小車牽引裝置、小車、升降框架及升降用油缸、滾輪支承等構(gòu)成。其工作原理是小車運(yùn)送到鑄坯接受位置后，油缸使升降框架上升，由升降框架上的小車接受鑄坯，然后小車牽引裝置驅(qū)動(dòng)小車走行到鑄坯輸出位置停止，升降框架下降，使鑄坯落在受料位置上，小車再返回到接受位置。

鞍鋼2150工程連鑄機(jī)為雙機(jī)四流，兩臺(tái)鑄機(jī)間距離為42 m，距離較長(zhǎng)，而且兩臺(tái)鑄機(jī)間要求不能互相干擾。通過(guò)以上幾種橫移設(shè)備的比較，選用橫移機(jī)這種結(jié)構(gòu)型式。考慮運(yùn)輸距離長(zhǎng)、升降軌道梁鋼結(jié)構(gòu)跨度不易過(guò)大等因素，采用“接力”式傳遞板坯的結(jié)構(gòu)型式，即采用2臺(tái)結(jié)構(gòu)基本相同的橫移機(jī)相互傳遞板坯在中間交接位，如圖1所示。

圖1 板坯橫移機(jī)

3 主要設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容

3.1 技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)型式 升降軌道小車托運(yùn)式

設(shè)計(jì)能力 用于運(yùn)輸Max.170×2 000×18 000鋼坯

小車數(shù)量 1#鑄機(jī)側(cè)6臺(tái)，2#鑄機(jī)側(cè)5臺(tái)

運(yùn)行速度 60 m/min

最大橫移距離 61 m

小車驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)集中傳動(dòng)

升降行程 以輥道面為中心±75 mm

3.2 工作原理

板坯橫移機(jī)的工作原理:2#鑄機(jī)側(cè)軌道梁降到最低點(diǎn)，使在其上的托運(yùn)小車上表面降到2#鑄機(jī)(3流或4流)的輸出輥道面以下進(jìn)入輥道間，軌道梁升起，托起運(yùn)送的板坯，5臺(tái)小車同時(shí)在卷?yè)P(yáng)的驅(qū)動(dòng)下把板坯運(yùn)到中間交接位的緩沖臺(tái)架上方，軌道梁下降，把板坯放到緩沖臺(tái)架上，小車返回，完成一個(gè)運(yùn)行流程(圖2)。接著1#鑄機(jī)側(cè)的軌道梁降到最低點(diǎn)，其上的6臺(tái)小車在卷?yè)P(yáng)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行到中間交接位的緩沖臺(tái)架下方，軌道梁升起，托起緩沖臺(tái)架上的板坯，小車把板坯“接回”到1#鑄機(jī)，軌道梁下降，把板坯放在1#鑄機(jī)(2流)的輸出輥道上，完成一個(gè)工作周期。

如檢測(cè)的1#鑄機(jī)輥道上將有坯子通過(guò)時(shí)，則小車可先把板坯放到1#鑄機(jī)側(cè)的存放臺(tái)架上;如檢測(cè)無(wú)坯子通過(guò)時(shí)，可把存放臺(tái)架上板坯優(yōu)先運(yùn)到1#鑄機(jī)(2流)生產(chǎn)線，通過(guò)合理調(diào)度，2#、1#鑄機(jī)的坯子可在無(wú)干涉情況下連續(xù)不斷進(jìn)入軋線的加熱爐，充分發(fā)揮1#、2#鑄機(jī)的生產(chǎn)能力。整個(gè)過(guò)程是通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的，也可手動(dòng)控制。

圖2 運(yùn)行流程圖

3.3 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

以1#鑄機(jī)側(cè)板坯橫移機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由卷?yè)P(yáng)裝配、升降框架、小車、升降裝置、滾輪支承、張緊裝置、存放臺(tái)架、自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。

根據(jù)鑄坯的長(zhǎng)度和重量，既要使較短鑄坯能由兩臺(tái)小車支承，又要保證各小車的受力比較均勻。因此確定小車數(shù)量為6個(gè)(2#鑄機(jī)側(cè)為5個(gè))，則軌道梁也相應(yīng)為6個(gè)。每個(gè)軌道梁長(zhǎng)33 m，由三段梁鉚接組成，每段梁由工字鋼等焊接而成，軌道通過(guò)螺栓連接在梁上。6個(gè)軌道梁通過(guò)前后、中間共3個(gè)連接梁連接而成為一個(gè)整體——升降框架。前后的連接梁帶有導(dǎo)向滑輪，用于鋼繩的導(dǎo)向;中間的連接梁與兩個(gè)升降缸連接。

小車由卷?yè)P(yáng)裝配來(lái)驅(qū)動(dòng)。卷?yè)P(yáng)裝配如圖3所示，由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、卷筒軸和卷筒、軸承座等組成，由鋼絲繩牽引小車沿軌道梁上的軌道來(lái)回走行。

圖3 卷?yè)P(yáng)裝配

傳動(dòng)為集中傳動(dòng)，減速機(jī)的雙出軸通過(guò)聯(lián)軸器直接與卷筒軸連接。卷筒軸由三段組成，中間用聯(lián)軸器連接，組成一個(gè)大長(zhǎng)軸，其上均布裝有6個(gè)卷筒。每段軸由兩個(gè)軸承座支承，軸承為SKF雙列調(diào)心輥?zhàn)虞S承，承載能力大、壽命長(zhǎng)。卷筒為焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)鍵和可拆卸擋塊固定在卷筒軸上，鋼絲繩壓板為新型的弧形壓板，壓緊力大、不滑傷鋼繩。

小車如圖4所示，由車體、車輪、鋼繩壓板等組成。車體為焊接結(jié)構(gòu)，與板坯接觸處按一定間隔焊有支撐塊，支撐塊材質(zhì)為耐熱鋼，每個(gè)支撐塊帶有凹槽便于散熱。車輪的材質(zhì)為45號(hào)鋼，軸承為SKF雙列調(diào)心輥?zhàn)虞S承。鋼繩壓板為蛇形布置，壓緊力大。小車帶有“雨搭”形防護(hù)板，以防止氧化鐵皮等雜物落下?lián)p壞鋼繩和軌道。

升降裝置及滾輪支承如圖5所示，由升降缸、鉸支座、滾輪支承、底座等組成。升降框架的每個(gè)軌道梁下連接有斜楔，斜楔落在相應(yīng)的滾輪支承上，通過(guò)升降缸的水平運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)升降框架及斜楔沿滾輪支承水平運(yùn)動(dòng)，由于斜楔的斜導(dǎo)軌作用，整個(gè)升降框架同時(shí)也就完成了升降運(yùn)動(dòng)。升降缸為頭部鉸接、尾部耳軸式水平安裝。底座為焊接鋼結(jié)構(gòu)，帶有擋塊防止連接螺栓受剪。滾輪支承為心軸滑動(dòng)軸承式。中間軌道梁下的一排滾輪支承的滾輪帶有輪緣，防止升降框架左右擺動(dòng)。

斜楔如圖6所示，由底板、斜塊、止動(dòng)塊等焊接而成。底板上帶有螺栓孔，用于與軌道梁的連接。斜塊本身分為兩段斜率，斜率緩的主要用于帶負(fù)荷上升，斜率陡的主要用于空載下降。止動(dòng)擋塊用于下降時(shí)與滾輪支承的支座接觸而止動(dòng)。斜塊和滾輪經(jīng)熱處理以增加表面的耐磨性。

圖6 斜楔

張緊裝置如圖7所示，由滑輪、連接板、豎連桿、塔簧等組成。鋼繩的水平張力通過(guò)滑輪、連接板傳遞給豎連桿，使豎連桿繞鉸軸擺動(dòng)，豎連桿上裝有壓板、塔簧等。連接板和豎連桿共同作用使塔簧受壓，吸收能量，起到張緊和緩沖作用。塔簧的預(yù)緊力由豎連桿上的螺母調(diào)整。滑輪的軸承為調(diào)心輥?zhàn)虞S承，其它鉸接點(diǎn)為滑動(dòng)軸承，軌道梁里的鋼繩由托輥支承。

圖7 張緊裝置

存放臺(tái)架起緩沖和存儲(chǔ)作用。當(dāng)1#鑄機(jī)2流的輥道上有坯子通過(guò)時(shí)，1#鑄機(jī)1流生產(chǎn)的鑄坯可暫時(shí)存放在1#鑄機(jī)側(cè)的存放臺(tái)架上;當(dāng)把2#鑄機(jī)的板坯輸往中間交接位而中間交接位上存有坯子時(shí)，小車可把2#鑄機(jī)(3流和4流)生產(chǎn)的板坯運(yùn)到2#鑄機(jī)側(cè)的存放臺(tái)架上。存放臺(tái)架為焊接鋼結(jié)構(gòu)，由多組上表面標(biāo)高一致的立柱、橫梁組成，分別安裝在基礎(chǔ)上。

自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)由車行程編碼器、走行極限和升降極限、中間交接位接地開(kāi)關(guān)、PLC控制柜等組成。車行程編碼器安裝在傳動(dòng)電機(jī)上，傳動(dòng)電機(jī)同時(shí)自帶制動(dòng)器、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、限溫元件。走行極限3個(gè)，其中包括1個(gè)同步極限用于調(diào)行程零位;升降極限2個(gè)，用于檢測(cè)軌道梁升降框架的上下標(biāo)高。中間交接位接地開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)中間交接位存放臺(tái)架上有無(wú)板坯。

潤(rùn)滑系統(tǒng)采用集中干油潤(rùn)滑。小車的軸承及導(dǎo)向滑輪等運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑采用定期注油潤(rùn)滑。

3.4 主要計(jì)算

由于1#鑄機(jī)側(cè)橫移機(jī)設(shè)備本身自重較2#鑄機(jī)側(cè)橫移機(jī)大，下面就以1#鑄機(jī)側(cè)板坯橫移機(jī)的計(jì)算為準(zhǔn)。

3.4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算

已知參數(shù):最大板坯重35.6 t，運(yùn)行速度60 m/min，每臺(tái)小車自重1.2 t，車輪直徑D=300，小車軸承內(nèi)徑d=140。

(1)最大運(yùn)行阻力

根據(jù)工況要求，最大運(yùn)行阻力即為6臺(tái)小車運(yùn)輸最大板坯時(shí)的摩擦阻力，可按式(1)計(jì)算:

式中，Q為最大載荷N;G為6個(gè)小車自重，N;f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，mm，由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)查取;μ為車輪軸承摩擦系數(shù)，由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)查取;ω為摩擦阻力系數(shù)，由起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)查取。

(2)電動(dòng)機(jī)的選擇

電動(dòng)機(jī)的靜功率:

式中，v為運(yùn)行速度，m/s;η為機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，取η=0.85;m為電機(jī)個(gè)數(shù)。

考慮動(dòng)負(fù)荷的電機(jī)功率:

P=kd·Pj=2 ×9.1≈18 kW

根據(jù)計(jì)算并考慮國(guó)外計(jì)算方法選電機(jī)為:

SIEMENS電機(jī)，型號(hào)1LA5 220－4AA－ZH64，N=37 kW，n=1 470 r/min。

(3)減速機(jī)的選擇

由于運(yùn)行速度v=60 m/min，卷筒直徑為0.8 m，則卷筒轉(zhuǎn)數(shù)為:

則減速機(jī)速比為:

根據(jù)電機(jī)功率和速比選減速機(jī)為:

三環(huán)減速機(jī)，型號(hào)TRCI400－62.3－120a，i=62.3，a=120 mm。

則實(shí)際卷筒轉(zhuǎn)數(shù)為:

實(shí)際運(yùn)行速度為:

v=πDn=3.14×0.8×23.6≈59.3 r/min，滿足要求。

3.4.2 升降機(jī)構(gòu)計(jì)算

升降框架的升降采用2個(gè)液壓缸水平推動(dòng)與升降框架連在一起的斜楔沿滾輪支承運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)水平力推動(dòng)滑塊沿斜面運(yùn)動(dòng)，因此可簡(jiǎn)化為滑塊斜面式受力模型。

由于斜楔由兩段斜率組成，因此升降過(guò)程分為四種情況。如圖2和圖6所示，無(wú)負(fù)荷快速上升(斜率大時(shí))、有負(fù)荷慢速上升(斜率小時(shí))、有負(fù)荷慢速下降(斜率小時(shí))、無(wú)負(fù)荷快速下降(斜率大時(shí))。當(dāng)滾輪支承處在兩段斜率的交點(diǎn)處時(shí)，升降框架處在整個(gè)升降行程150 mm的中點(diǎn)(零位)，也就是有、無(wú)負(fù)荷的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。同樣對(duì)應(yīng)升降行程±75 mm液壓缸的行程400 mm也分為232 mm和168 mm兩段。

根據(jù)以上分析選擇兩種情況進(jìn)行計(jì)算，一是有負(fù)荷慢速上升，此時(shí)所需液壓缸推力為最大，行程232 mm;二是無(wú)負(fù)荷快速下降，此時(shí)需要驗(yàn)算一下液壓缸是否需要拉力。

(1)有負(fù)荷慢速上升時(shí)的受力分析

已知最大垂直負(fù)荷為428 000 N、升降框架自重為697 544 N，即圖8中P=428 000 N+697 544 N=1 125 544 N，上升時(shí)傾斜角為α=18°。

圖8 有負(fù)荷慢速上升時(shí)受力

所需液壓缸的總推力F可按下列平衡方程組求解。

每個(gè)液壓缸的推力為280 968 N。

(2)無(wú)負(fù)荷快速下降時(shí)的受力分析

已知垂直力為升降框架自重G=697 544 N，下降時(shí)傾斜角為α=27.5°，如圖9所示。設(shè)液壓缸產(chǎn)生拉力F，列平衡方程組:

三式聯(lián)立，可解得:F=－239 765 N

圖9 無(wú)負(fù)荷快速下降時(shí)的受力

得負(fù)值說(shuō)明:在無(wú)負(fù)荷快速下降時(shí)，液壓缸也不需要產(chǎn)生拉力，反而需要推力，此推力大小為239 765 N，可靠液壓缸的背壓實(shí)現(xiàn)。

因此在上述四種情況下，液壓缸均需產(chǎn)生推力，需要每個(gè)液壓缸產(chǎn)生的最大推力為280 968 N。

故選液壓缸為:力士樂(lè)產(chǎn)品型號(hào)CD251B160/100－400A1X102CHDMA，其推力為502.50 kN=502 500 N＞280 968 N。

4 主要特點(diǎn)

4.1 運(yùn)輸量大

鞍鋼2150ASP工程2臺(tái)鑄機(jī)年產(chǎn)500萬(wàn)t板坯，產(chǎn)量目前為國(guó)內(nèi)之最。而承載給連軋線自動(dòng)供料的板坯橫移機(jī)的運(yùn)輸能力也是目前運(yùn)輸量最大的板坯橫移機(jī)，它可把雙機(jī)四流生產(chǎn)的鑄坯調(diào)度到一條運(yùn)輸輥道上，以滿足年產(chǎn)500萬(wàn)t熱軋板的軋線需要。

4.2 橫移距離長(zhǎng)

板坯橫移機(jī)橫移距離最長(zhǎng)為61 m，每組軌道梁長(zhǎng)35.24 m，由三段梁鉚接而成，其中最長(zhǎng)一段為17.645 m。

4.3 橫移機(jī)寬度大

橫移機(jī)的寬度大，可運(yùn)載較長(zhǎng)定尺的坯子，相應(yīng)小車、軌道梁及卷筒的數(shù)量要求多。1#鑄機(jī)側(cè)的橫移小車、軌道梁的數(shù)量多達(dá)6個(gè)，橫移機(jī)最大寬度達(dá)15 m，目前為國(guó)內(nèi)之最。

4.4 具有緩沖功能

整個(gè)板坯橫移機(jī)有3個(gè)緩沖存放臺(tái)架，分別位于1#鑄機(jī)側(cè)、2#鑄機(jī)側(cè)和中間交接位，在托運(yùn)過(guò)程中起到緩沖和存儲(chǔ)作用。

4.5 傳動(dòng)布置緊湊

由于卷筒數(shù)量多，相應(yīng)卷筒軸分段多、軸承座多，減速機(jī)軸又在中間，這樣就要求傳動(dòng)裝置布置緊湊。

4.6 升降裝置結(jié)構(gòu)新穎

升降采用斜楔滾輪支承結(jié)構(gòu)，斜楔分兩段斜率，合理利用摩擦力學(xué)原理，省力省功，結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特。

4.7 運(yùn)行安全可靠

主要傳動(dòng)部件電機(jī)、液壓缸、軸承等采用進(jìn)口件，增加了使用壽命和安全性。小車與鋼坯接觸處采用耐熱鋼，兩側(cè)帶有防護(hù)板以防止氧化鐵皮等雜物落下?lián)p壞小車牽引用鋼絲繩和軌道。

此外，該板坯橫移機(jī)還在一些具體結(jié)構(gòu)上采用了一些國(guó)內(nèi)不常見(jiàn)的新設(shè)計(jì)，如卷筒的鋼繩壓板采用弧形壓板、張緊裝置采用塔簧等。

5 結(jié)束語(yǔ)

鞍鋼2150ASP工程板坯橫移機(jī)的研制成功，使得鑄機(jī)向軋線“四流合一”供坯的工藝流程成為可能。該設(shè)備具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、托運(yùn)能力強(qiáng)、傳動(dòng)布置緊湊、升降裝置新穎獨(dú)特、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。同時(shí)由于是自行設(shè)計(jì)、制造，可為國(guó)家節(jié)省大量投資。

該板坯橫移機(jī)總重約250 t，原計(jì)劃準(zhǔn)備全套從奧鋼聯(lián)引進(jìn)，需400多萬(wàn)歐元，而現(xiàn)在我們自行設(shè)計(jì)研制成功，包括進(jìn)口配套件也僅需350多萬(wàn)人民幣(相當(dāng)于43萬(wàn)歐元)，僅此一項(xiàng)就可為國(guó)家節(jié)省357萬(wàn)歐元。而且通過(guò)自行設(shè)計(jì)還提高了設(shè)計(jì)能力，為今后再設(shè)計(jì)同類設(shè)備積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

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

［2］ 張質(zhì)文主編．起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2001．

［3］ 哈工大力學(xué)教研組編．理論力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［4］ 劉明延，李平，欒興家．板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990．