步進梁中活動梁的結構設計①

李海磊

(常州寶菱重工機械有限公司， 江蘇 常州　213019)

引　言

步進梁是軋鋼廠最常用的鋼卷運輸設備之一，鍍鋅、連退線的出、入口也都用步進梁來運輸鋼卷。根據(jù)工藝的要求，步進梁可以與其周圍有關的設備協(xié)同工作，完成鋼卷的寬度和直徑測量、拆捆帶、對中、稱重、打捆等任務，而活動梁是步進梁起承載和運輸功能的主要機構。

1　活動梁的結構設計

1.1　運動機構和工況條件

圖1是防城港市某PL-TCM酸洗連軋機組出口步進梁機構簡圖。該步進梁運載鋼卷最大卷重38 t，鋼卷寬度800～1880 mm，鋼卷內(nèi)徑610 mm，鋼卷外徑900～2100 mm，運送速度最大約150 mm/s，提升速度最大約15 mm/s。步進梁的活動梁通過“上升—前進—下降—后退”的周期性動作，將鋼卷從一個固定鞍座移動到下一個固定鞍座上，以此實現(xiàn)步進式搬運。

1.車輪；2.活動梁；3.鉸點；4.擺臂；5.平移液壓缸；6.同步桿；7.升降液壓缸圖1　步進梁機構簡圖

1.2　活動梁的受力分析

將活動梁的受力簡化成外伸梁的形式。設計兩鉸支座位于兩個鋼卷中間，活動梁同時搬運四個鋼卷，則受力簡圖如圖2所示(可忽略梁自身重力)。

圖2　活動梁受力簡圖(單位：mm)

活動梁在升降液壓缸的驅(qū)動下，進行抬升，受到上部4個鋼卷的重力(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4)，又受到鉸支座的支撐力(F5，F(xiàn)6)，由此構成平衡狀態(tài)。

根據(jù)平衡方程，可求得支座反力，所有外力均求出后，進一步研究各橫截面上的內(nèi)力。

由已設計數(shù)據(jù)：

L1=900 mm,L2=1500 mm,L3=1500 mm，

L4=3000 mm,L5=1500 mm,

L6=1500 mm,L7=900 mm

卷重：

F1=F2=F3=F4=38×1000≈3.8×104N

由靜力平衡方程

∑F=0， ∑MA=0， ∑MB=0

求得支座反力

由各外力求各截面剪力：

Q1=-F1=-3.8×104N

Q2=F5-F1=3.8×104N

Q3=F5-F1-F2=0

Q4=F5-F1-F2-F3=-3.8×104N

Q5=F5-F1-F2-F3+F6=3.8×104N

根據(jù)剪力和各點距離，求得各點彎矩：

M1=Q1×L2=-5.7×107N·mm

M2=F5×L3-F1×(L2+L3)=0

M3=F5×(L3+L4)-F1×(L2+L3+L4)-

F2×L4=0

M4=F5×(L3+L4+L5)-F1×(L2+L3+

L4+L5)-F2×(L4+L5)-F3×L5

=-5.7×107N·mm

M5=F5×(L3+L4+L5+L6)-F1×(L2+

L3+L4+L5+L6)-F2×(L4+L5+L6)-

F3×(L5+L6)+F6×L6=0

根據(jù)所求結果，繪制活動梁的剪力及彎矩圖，如圖3，4所示。

圖3　活動梁剪力圖(單位：N)

圖4　活動梁彎矩圖(單位：N·mm)

1.3　活動梁的截面設計

焊接梁的截面設計包括：確定梁高h，翼緣板寬度b及厚度t，腹板高度h0及厚度δ，如圖5所示。

圖5　活動梁的截面圖

1)梁的最小高度通常根據(jù)剛度條件和工藝設計中布局規(guī)定確定，而梁的經(jīng)濟高度，如無其他條件限制，一般根據(jù)焊接梁最小自重要求確定。

外伸梁彎曲程度如圖6所示。

初步可知C點撓度最大，則需滿足條件：wc≤[w]。

對于外伸梁求C點撓度，采用逐段剛化法。

再剛化BC段，由于BC段為剛體，可將力F4平移到B，得到力F'及力偶M=F4L6。F'直接作用于支座B上，對梁的變形無影響，力偶引起簡支段AB變形，使B處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角θB1，而θB1引起剛化的BC段旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和位移。由于θB1很小，有：

圖6　梁的撓度圖

同樣，F(xiàn)2,F3引起AB段變形，使C點產(chǎn)生轉(zhuǎn)角和位移，查機械設計手冊公式：

將上述變形相加，得到C點變形

wc=wc1+wc2+wc3=

由于F1=F2=F3=F4,L5=L6,可將上式簡化為

最終求得：h≥720 mm，取：h=895 mm。

2)腹板的尺寸確定可作如下考慮：

腹板高度h0可近似地取為梁的高度h，此處，取h0=827 mm。

此處取b=500 mm，翼緣板厚度t=34 mm，取b0=356 mm。

2　活動梁的截面校核

利用通用有限元軟件對上述設計的活動梁進行強度校核，結果如圖7所示。

從變形圖可以看出：最大變形沿Z方向，為0.675 mm，位于活動梁兩端，與計算值0.126 mm相差不大；活動梁容許撓度為10 mm，活動梁設計滿足剛度要求。從應力圖可以看出：活動梁最大等效應力為30.444 MPa，位于活動梁與擺臂的鉸接處，屬于局部應力集中，小于局部容許應力[σ]=160 MPa，并且與計算值30.4 MPa接近吻合，說明活動梁設計滿足強度要求。

圖7　活動梁變形圖

3　結束語

本文提出了一種活動梁的設計計算方法，并利用有限元分析軟件對設計結構進行驗證分析，保證了設計的安全性和可靠性；希望這種方法能為設計人員在今后步進梁的設計中提供一些有益的借鑒。

參考文獻：

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[2]張質(zhì)文．起重機設計手冊[M]．北京：中國鐵道部出版社，1998．

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