基于換輥小車推拉車脫鉤的原因分析及結構改進研究

李志星

摘 要：針對換輥小車推拉車掛鉤在更換軋輥時產生的脫鉤現象，闡明了引起脫鉤的原因，據此對掛鉤結構作出相應的改進。利用SolidWorks軟件建立推拉車的三維模型，通過與ANSYS軟件的接口，將模型調入ANSYS中，對掛鉤進行有限元分析，得出掛鉤在工作時的變形及應力分布，結果表明此結構的掛鉤容易脫鉤。最后對換輥小車的推拉車掛鉤進行了改進。

關鍵詞：換輥小車；推拉車；脫鉤原因；有限元分析

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）03-0010-02

冷連軋六輥軋機軋制速度高，軋輥在運行一段時間后要及時更換，以保證薄板的質量要求，現代化的鋼廠采用換輥小車更換軋輥，大大縮短了換輥時間。某廠冷連軋六輥軋機換輥小車，由于長時間使用，換輥時換輥小車掛鉤與軋輥部件出現脫鉤現象，嚴重影響生產的正常進行。通過對換輥小車掛鉤進行有限元分析，找出了脫鉤的原因，并改進掛鉤的結構。

1 推拉車的工作原理及脫鉤原因分析

1.1 推拉車結構及工作原理

推拉車是換輥小車的非常重要機構之一，推拉車的工作狀況好壞直接影響換輥小車的正常運行同時影響生產效率。當換輥小車更換軋輥時，通過齒輪的傳動使換輥小車推拉車行至軋機最前端，由于曲柄受電機驅動將掛鉤頂起，另外連桿機構向下將掛鉤抬起，且電機通過驅動上下工作軋輥的掛鉤使其落下，將軋輥軸頸掛住，從而實現軋輥在軋機內的往復運動。

1.2 造成脫鉤的原因

換輥小車推拉車在運轉過程中，由于設計原因或者長時間損耗容易造成脫鉤，將會增大更換軋輥時間，根據現場實際狀況分析，掛鉤存在以下幾個問題：

①由于換輥小車在運行過程中的運轉偏差等原因，從而使得軸頸與掛鉤不能對中，即使對中也無法有力使其嚙合；②由于電機使用同一電機驅動，存在力度不均狀況，容易產生一端掛鉤力較大，另一端掛鉤力較小的狀況，因此，當更換軋輥時容易產生掛鉤脫鉤的現象；③由于驅動掛鉤的電機功率較小，從而使掛鉤無法大幅度張開，使軋輥軸頸與掛鉤產生碰撞力，使曲柄與連桿機構在碰撞力的作用下產生損壞；④由于軋輥軸頸與掛鉤之間的撞擊，使得連桿機構、電機與曲柄系統之間的運動副間隙較大，從而使得運動副之間的傳力效果較差，影響換輥小車的順利運行；⑤由于采用電機驅動，存在夾緊力不足的狀況。

由于以上幾種原因的同時存在作用，使換輥小車在運行過程中產生推拉車掛鉤脫鉤的現象，使維修成本增加，生產效率降低，影響了企業的正常生產運行。

2 推拉車掛鉤的靜力分析

由于推拉車在工作過程中，軋輥對推拉車的作用力施加在掛鉤上，其余所受的力可忽略不計，因此只需要用SolidWorks對掛鉤以及與其相連接的掛鉤架進行建模，然后保存IGS格式，通過ANSYS Workbench打開文件。設置材料為Q345鋼，彈性模量為2.06e11，泊松比為0.3，設置模型網格邊界為10，劃分后單元總數為35 876個，節點總數為50 835個，對車架A面進行全自由度約束，掛鉤與掛鉤架采用鉸鏈連接。

已知工作輥質量為3 500 kg，中間輥質量為5 000 kg，根據驅動電機圖紙所提供的數據，在不考慮摩擦情況下，在推拉車啟動的瞬間加速度為9.7 m/s2，在此取加速度值為10 m/s2，從而由：

F=ma

得出：FC=50 kN，FF=50 kN，FD=35 kN，FE=35 kN。

利用ANSYS Workbench分析得出掛鉤的等效變形云圖如圖1所示，等效應力云圖如圖2所示。

通過分析可知，在掛鉤受到拉力的時候，由圖1得出平均最大位移是0.35248 mm，由圖2得出最大應力是45.632 MPa，最大位移和最大應力均產生于掛鉤的頂端處。在拉出軋輥部件的過程中，掛鉤頂端向上張開，與軋輥部件的接觸面積減少，從而使掛鉤更容易脫落，這與實際情況相符。為了改善以上狀況，使換輥車能夠正常工作，現將掛鉤改進，以使其結構更加優化。

3 推拉車的改進設計

推拉車結構復雜，要求精度高，對換輥小車推拉車進行改進時，首先要滿足工作要求，提高工作效率，在此前提下提高推拉車的質量，減少維修次數，并根據故障原因分析，提出改進方案。

為了改善電機驅動掛鉤對軸頸的夾緊力不夠大的問題，將電機驅動改為液壓驅動，如圖3所示，同時由于推拉車的拉緊力大，用兩個掛鉤代替一個掛鉤共同承受拉力作用，并設計緩沖塊，當推拉車瞬間力過大時，防止軋輥將推拉車車架撞壞。改進后的掛鉤圖如圖4所示。

換輥小車推拉車通過改進將掛鉤分成上下兩部分，通過上下掛鉤的同時作用，夾緊力有效提高，為了增加驅動連桿機構的剛度和強度，將電機驅動改為液壓驅動，其中液壓缸固定于換輥小車推拉車車架上，驅動液壓缸使夾緊力有效增加，防止了推拉車的脫鉤現象，另外，由于電機更換為液壓缸，可通過調節液壓缸的形成來調節掛鉤的張合，避免掛鉤與軋輥的碰撞，防止掛鉤的磨損，同時在掛鉤中間增加了防碰撞系統，當軋輥的軸頸與推拉車發生碰撞時，可有效保護軋輥不受損害。

4 結 語

改進后的模型最大變形和最大應力均大大減小。由于將電機驅動改為液壓驅動，掛鉤張口角度增大，防止了軋輥對掛鉤的撞擊，在閉合時，對軋輥部件的夾緊力大，有效防止了運行過程中的脫鉤現象，并且改善了掛鉤的受力狀況。在實際生產應用中降低了維修成本，節省換輥時間。采用三維建模后的有限元分析，為推拉小車的設計、制造、檢修維護提供了科學的理論依據。

參考文獻：

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