小方坯翻鋼機改造

廖朝霞

（福建三安鋼鐵有限公司，福建泉州362411）

0 引言

小方坯翻鋼機是連鑄機生產中的常用設備，三安公司的該設備是2003年設計安裝的，原采用固定式撥爪機構，由液壓缸推動轉軸翻轉帶動方坯實現翻轉。生產中，方坯在由運輸輥輸送到翻鋼機區域的過程中，易碰撞翻鋼機撥爪造成頂坯；焊接式液壓缸底座經檢修過程中的多次拆裝后，焊接面模糊，易出現兩臺液壓缸安裝時無法定位在同一平面上，造成翻轉不同步、受力不均、翻不到位等現象。本文通過對翻鋼機撥爪機構、液壓缸及其底座等的優化設計，改善了這一現象。

1 改造前翻鋼機的狀況及原因分析

1.1 改造前翻鋼機的狀況

如圖1所示，改造前翻鋼機撥爪為呈L型的一體式機構，每流共9根撥爪和兩臺液壓缸。液壓缸行程300 mm，缸筒直徑100 mm，活塞直徑70 mm，其一端固定在撥爪上，一端固定在橫梁上；翻轉長軸由6個軸承座固定在立柱上，鋼坯處于撥爪右下角，由油缸推動固定撥爪沿著弧形的翻轉軌跡運動，直至將斷面為160 mm×160 mm，長度為12 m、溫度約750℃的小方坯鋼坯翻轉至立柱頂端。所對應的液壓系統壓力為10 MPa。

圖1 翻鋼機改造前結構圖

生產中存在的問題有：方坯經運輸輥道輸送進入翻鋼機區域時，坯頭易碰撞撥爪，造成生產停頓，嚴重時會頂壞長軸和液壓缸；其次經常出現方坯翻不到立柱上方，隨著撥爪返回，方坯滑下等現象。

1.2 原因分析

針對頂坯的故障分析：每根方坯并非筆直，當鋼坯的變形率＞2.16‰（即變形量＞26 mm）時，前進中的方坯就會撞到撥爪的A面或B面，如圖2所示。

為了避免方坯頂撞到撥爪A面后，造成生產停頓，雖臨時為撥爪A面制作了導向板，如圖3的圓圈處，頂坯的根本原因卻沒有得到消除。

（1）現有的液壓系統正常工作壓力為10 MPa，方坯能否在新的安裝尺寸下正常翻轉，需對其在現有受力條件下進行受力分析，受力分析點為液壓缸轉臂旋轉30°，開始翻坯時計算，具體受力尺寸如圖6所示。

（2）翻轉長軸采用雙液壓缸同步推動，如求單個液壓缸的

圖2 改造前故障分析圖

圖3 現場實物圖

針對方坯翻不到位的分析：由于翻鋼機液壓缸的耳軸是通過固定座和螺栓固定在橫梁上，因底座靠近紅熱的鋼坯，螺栓常年受高溫輻射易產生拉伸變形，從而出現螺栓松動甚至斷裂現象。為了避免此故障的發生，檢修工在液壓缸的安裝過程中，將固定液壓缸耳軸的固定座焊接在橫梁上。但是這樣又引發了新的故障，即固定座經過多次的焊接、割除后尺寸會發生變化，使得液壓缸無法準確定位，易出現兩臺液壓缸安裝時無法定位在同一平面上，液壓缸行程的最低點和最高點位置發生變化，因此造成液壓缸運動不同步、受力不均、翻不到位的故障。

2 改造方案設計

通過對這套翻鋼機的工作原理、安裝尺寸、工作壓力方面的分析，發現如果要減少頂坯故障，則需要將易被撞擊的A、B面降低至水平面下，即原撥爪的A面如圖4所示向下旋轉30°。為方便撥爪磨損后的更換，將撥爪設置為分體式。由于現場固定長軸的立柱、軸承座位置及尺寸、輥道位置及尺寸等不變，因此方坯的旋轉軌跡不變，則液壓缸的轉臂長度不得超出方坯的旋轉軌跡，但盡量設計為最大值，以減少液壓缸的推力力矩。

為了保證備件的通用性，采用我廠現有的液壓缸型號，其行程為580 mm，缸筒直徑80 mm，活塞直徑56 mm，并為該液壓缸設計獨立的鋼構底座。鋼構底座設計在翻鋼機正下方的水泥基礎上，增加與鋼坯的間距。

結合現場利舊設備的實際尺寸和選配的液壓缸型號，依據翻鋼機工作原理進行優化設計，改造圖如圖4、圖5所示。

3 改造方案的可行性分析

圖4 撥爪結構圖

圖5 液壓缸結構圖

圖6 改造后的受力分析圖

啟動推力，則計算如下：

列平衡方程，求未知量T。

式中，Mz為鋼坯的慣性力矩；P1為鋼坯的重力；P2為翻轉長軸的重力；P3為銅瓦的摩擦力；T為液壓缸的推力；X0為長軸受到的X方向的力；Y0為長軸受到的Y方向的力；f為翻轉長軸與銅瓦的摩擦系數，取0.1。

由上述公式（2）、公式（4）可得出：

因液壓缸的全行程L=580 mm，查該設備的液壓系統原理圖可知液壓缸的運行速度V=60 mm/s，則全行程時間t=L/V=9.67s；在該行程內，方坯的平均角速度

另設轉軸的角速度為ω，角加速度為ε，全行程時間為t，Iz為轉動慣量，則鋼坯的慣性力矩為：

另由計算可知：方坯的質量m=2 411 kg；由設計圖測量可知：r1=500 mm，r2=325 mm，r3=55 mm，α=87°，θ=63°，β=10°，g為重力常數。

由公式（1）可得出：

經計算可知：液壓缸的推力T≈20 414 N。

（3）符合性計算。

因本次改造液壓系統及管路不變，即液壓系統工作壓力10 MPa，但液壓缸規格改為了缸筒半徑R1=40 mm，活塞半徑R2=28 mm，行程580 mm。

已知液壓缸所需要的壓力為T，設P為液壓缸的工作壓力。T的計算公式為：

如液壓系統局部壓力損失及沿途壓力損失按系統的10%考慮，則翻鋼機液壓缸的理論工作壓力為：4.06÷0.9=4.51 MPa，其值小于液壓系統的正常工作壓力10 MPa。因此，根據理論計算，液壓缸的選型及位置和撥爪的設計滿足生產需要。

4 結語

我公司利用年度檢修時間改造了一個流試用，試用一年內頂坯和翻不到位現象不復存在。后一年又對翻轉頻率比較高的四個流進行了同樣的改造，使用效果依然良好。因此可知，該優化設計可行。