軋輥裝置吊具的設計

石恩斌 路曉彬

(天津賽瑞機器設備有限公司 天津 300301)

1 前言

在軋鋼機械設備中，軋輥裝置為軋機主機的核心零部件，同時也是易損件。軋鋼設備每軋一定數量的鋼材，軋輥由于磨損需要更換下來進行修復。當軋輥修復一定次數后，軋輥便沒有修磨量，此時軋輥將會報廢。因此在軋鋼設備維護使用過程中，軋輥更換是一項較頻繁的工作。

軋輥裝置通常本身重量均比較大，另一方面，其安裝在軋機的中心位置，更換起來是比較困難的，尤其對于大規格軋機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行吊裝，吊具的合理設計將會給設備維護人員帶來極大的方便。它不僅可以縮短作業人員的工作時間，減輕作業人員的勞動強度，還可以提高設備的生產效率。否則，維護人員在軋輥更換將會很困難，甚至有可能造成設備和人員的安全事故。因此，這類吊具的設計是十分重要的。

2 吊具的選型

受某軋鋼廠的委托，為其設計軋輥裝置吊具，根據現場情況，軋輥裝置在軋機中部，只有設備左側有一部分空檔位置可以對軋輥裝置進行吊運。針對現場情況決定采用帶配重平衡C形吊具的結構形式[1]。C型吊具可以跨越軋機上部設備，將軋輥裝置送入安裝位置。采用配重可以實現起吊中心線與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。在上梁上設置起吊點與配重，配重與立柱分別位于起吊點的兩側，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 吊具的設計準則[2]

在本吊具結構設計時需考慮以下因素：

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

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

(3)吊具要有足夠的強度、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，盡量結構緊湊，重量輕；

(5)吊具要符合使用要求。

4 吊具的初步設計

4.1 有足夠的強度與剛度

吊具設計時取合理的安全系數，既要吊保證吊具本身足夠的強度與剛度，又不要設計成傻大笨粗。本設計考慮吊具頻繁使用，并且在使用過程難免有輕微的磕碰或撞擊，取安全系數取3～4。

4.2吊具的大致尺寸初定

首先，在現場對軋輥裝置相對軋機位置進行測量。軋輥中心線距軋機頂部距離約5.1m，軋制中心線距軋機左側邊緣距離約2.5m。軋輥裝置參數為：長度4.2m，軋輥直徑730，重量13.2t。根據以上數據，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

吊具設計過程中采用有限元受力分析[3]可以直觀地看出吊具應力、應變分布情況。方便對其結構優化設計，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近將直接影響吊具的強度和吊具自重及配重的大小。圖3是吊具力學模型及模型4的受力分析圖。

a)吊具力學模型 b)模型四受力分析圖圖3 吊具力學模型及模型四受力分析圖

假定吊具采用實心鋼板厚度取80mm，配重厚度取500mm。對吊具進行建模，添加約束，在吊具下橫梁上與起吊中心線對稱兩處加載軋輥裝置起吊引起的負荷，添加吊具自重力，對其進行有限元應力分析計算。結果見表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、最大應力均減小。

上述結果與圖2比較可以看出，模型一尺寸符合現場情況，但配重過大，吊具既不協調、也不經濟。模型三配重大小適當，吊具形狀協調，當L尺寸不能滿足現場使用要求。現將軋輥裝置進行擴展，即原軋輥裝置與其左端過渡連接桿、半聯軸器合并。擴展后的軋輥裝置長度7.2m，重量為20t，重心左移1.5m。模型四就是依據擴展后的軋輥裝置載荷建立的，與模型三比較，其L尺寸符合現場情況，強度符合設計要求。

表1 起吊中心線不同位置比較表

4.4吊具結構的可行性的研判

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

5 吊具的詳細的詳細設計

5.1結構簡單、合理，方便實用

本吊具在高度方向尺寸大，已超過6m。起吊點對應天車雙鉤吊鉤設計成雙吊桿結構。如圖4所示，兩吊桿設置在C型吊具的上橫梁上，并與上橫梁鉸接。在吊具進行掛、卸鉤時，只要操作人員用一長桿拔動吊桿便可完成。

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調整，配重位置調整合適后用擋塊固定。通過對配重進行小范圍調整，可以平衡掉這焊接鋼板理論厚度與實際厚度差異以及焊縫質量等引起的吊具重心偏移，使C型吊具在空載吊起時，其上橫梁處于水平位置。

5.2 吊具下橫梁采用馬鞍型結構

由于軋輥裝置基本形狀屬于長圓柱類型，為了將其牢固、可靠固定在下橫梁上，下橫梁設計成馬鞍型結構詳見圖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 吊具各部分結構設計

C型吊具尺寸大、重量重，屬于大規格工裝，本設計采用分體設計[4]。吊具采用分體結構的形式，制作時可利用部分邊角料，加工制作也變得容易，可以節約制造成本和縮短制作周期。

圖6 軋輥裝置用吊具圖

在詳細設計過程中，吊具上橫梁、立柱部分采用焊接方管結構，下橫梁采用馬鞍型結構。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。在立柱上設置推桿機機構用于下橫梁傾斜角度的調整。推桿機構主要由鉸接座與螺旋升降機組成。推桿機構與下橫梁鉸接。

詳細設計完成后，對其建模，進行有限元應力分析，驗證其安全性，進一步優化結構件的尺寸，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軋輥裝置運行軌跡，進一步驗證其是否滿足使用要求。圖6是本設計的最終設計圖。

6 結束語

吊具設計過程中應用有限元受力分析，使所設計的工具結構合理，安全可靠，美觀大方。采用電腦模擬軋輥裝置更換的運行軌跡方法，可以驗證吊具能否滿足使用要求。吊具起吊點采用雙吊桿結構，下橫梁采用馬鞍型結構，使吊具使用方便，進一步提高了安全性能。

吊具應用帶鉸接座的螺旋升降機推桿機構，使軋輥裝置在吊運過程可方便地實現傾斜角度的調整。