離線式冷床高速上鋼裝置有限元分析

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(中冶華天工程技術(shù)有限公司 江蘇南京 210019)

1 前言

對(duì)于高速棒材生產(chǎn)線而言，冷床高速上鋼裝置是關(guān)鍵設(shè)備。正常生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)線上的轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)配需要保持轉(zhuǎn)轂通道的同軸度，傳統(tǒng)固定式橫梁采用墊片組調(diào)節(jié)[1]。墊片組調(diào)節(jié)的精度不高且常常受制于設(shè)備空間的限制調(diào)節(jié)并不方便。

當(dāng)轉(zhuǎn)轂裝配需要更換零部件時(shí)更是受制于空間的限制，常常需要將轉(zhuǎn)轂裝配橫移出固定式橫梁區(qū)域后再吊出，極易造成上鋼系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備轉(zhuǎn)轂的損壞，直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。現(xiàn)介紹一種可離線式冷床高速上鋼裝置，如圖1所示。

1-轉(zhuǎn)轂裝配；2-傳動(dòng)轉(zhuǎn)轂裝配；3-轉(zhuǎn)轂離線裝置；4-導(dǎo)板裝配；5-事故收集裝置；6-減速箱；7-傳動(dòng)裝置 圖1 離線式冷床高速上鋼裝置

2 離線式冷床高速上鋼裝置介紹

2.1 設(shè)備組成

離線式冷床高速上鋼裝置主要有轉(zhuǎn)轂裝配、傳動(dòng)轉(zhuǎn)轂裝配、轉(zhuǎn)轂離線裝置、導(dǎo)板裝配、事故收集裝置、傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)電機(jī)裝配以及位置控制及隨機(jī)配管組成。

2.2 設(shè)備功能

轉(zhuǎn)轂裝配由橫梁、傳動(dòng)軸、軸承座、內(nèi)側(cè)擋板、轉(zhuǎn)轂組成。轉(zhuǎn)轂安裝于傳動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)轂與內(nèi)側(cè)擋板形成封閉空腔供軋件通過(guò)，當(dāng)軋件完全進(jìn)入上鋼裝置時(shí)，傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)動(dòng)90°，軋件脫離封閉空腔落入固定其下方的導(dǎo)板裝配，通過(guò)導(dǎo)板角度的調(diào)節(jié)將軋件引入冷床[2]。轉(zhuǎn)轂裝配可根據(jù)工藝需要制作成為若干標(biāo)準(zhǔn)段，首尾通過(guò)轉(zhuǎn)轂端頭的法蘭聯(lián)接，如圖2所示。

1-橫梁搖臂；2-吊架；3-配重梁；4-搖臂動(dòng)力部件；5-制動(dòng)拉桿；6-機(jī)座；7-支座桿；8-回轉(zhuǎn)梁；9-軸承座；10-位置控制裝置；11-拉桿動(dòng)力部件

在裝置的尾部設(shè)置有傳動(dòng)轉(zhuǎn)轂裝配除了擁有轉(zhuǎn)轂裝配的功能外，其上端設(shè)置有聯(lián)接板固定傳動(dòng)電機(jī)，其端頭亦設(shè)置有聯(lián)接板固定減速箱，如此實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳動(dòng)裝置的隨機(jī)安裝，避免了設(shè)備落地，布置緊湊。為避免軋件因事故不能及時(shí)停止在裝置內(nèi)部，從而沖出裝置造成危險(xiǎn)，在裝置尾部設(shè)置帶有下壓板的事故收集裝置。轉(zhuǎn)轂裝配和傳動(dòng)轉(zhuǎn)轂裝配整體安裝在液動(dòng)或氣動(dòng)的轉(zhuǎn)轂離線裝置上，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)轂裝配的分段脫離工作位，便于檢修與安裝。

3 轉(zhuǎn)轂離線裝置

3.1 結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

由橫梁搖臂、回轉(zhuǎn)梁、軸承座、吊架、支座桿、搖臂動(dòng)力部件、制動(dòng)拉桿、拉桿動(dòng)力部件和機(jī)座以及配重梁組成。橫梁搖臂與回轉(zhuǎn)梁相連，吊架與回轉(zhuǎn)梁相連接，機(jī)座與吊架間設(shè)置有伸縮動(dòng)力部件用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轂的離線。軸承座與支座桿間設(shè)置有調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)轂的水平度。所述的回轉(zhuǎn)梁與軸承座之間設(shè)置有接近開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)。橫梁搖臂的另一端設(shè)置有聯(lián)接板用于固定轉(zhuǎn)轂裝配，另一端設(shè)置有安放配重梁的凹槽用于平衡轉(zhuǎn)轂裝配的重量。

3.2 受力分析

整套裝置由若干轉(zhuǎn)轂離線裝置組成，正常生產(chǎn)時(shí)需要橫梁搖臂保持水平。由圖2可以看出橫梁搖臂可以圍繞中心回轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。正常生產(chǎn)時(shí)，設(shè)備本體會(huì)收到來(lái)自軋件的沖擊以及轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)動(dòng)和停止是也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響。因此橫梁搖臂需要具有一定的剛度與撓度。

圖3 轉(zhuǎn)轂離線裝置工位

轉(zhuǎn)轂離線裝置工位分為在線工位和離線工位，如圖3所示。從受力角度分析，當(dāng)轉(zhuǎn)轂離線裝置處于在線工位所承受的力矩最大。由上文可知，上鋼離線裝置由驅(qū)動(dòng)段離線裝置和若干段從動(dòng)段離線裝置組成。驅(qū)動(dòng)段的受力較為復(fù)雜，除了承載配重Gp和轉(zhuǎn)轂裝配Gz對(duì)橫梁產(chǎn)生的重力彎矩以外，還需承載電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝配Gd及和減速箱Gj的重力彎矩，此外還克服棒材輸送時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方向的摩擦力Ff。

受靜載荷梁的撓度計(jì)算公式[3]：

型鋼截面慣性矩計(jì)算公式：

式中：f—撓度，向下變位者為正；

P—集中載荷，N；

E—彈性模量，MPa；

I—截面的慣性轉(zhuǎn)矩 ，N·m；

B—翼板的厚度，mm；

H—翼板的高度，mm；

h—腹板的厚度，mm；

b—腹板的高度，mm。

利用Inventor建立三維模型，并導(dǎo)入分析軟件，如圖4所示。考慮到驅(qū)動(dòng)段轉(zhuǎn)轂離線裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為多部件組合而成，完全以實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析較為困難，對(duì)于不重要的圓角、螺栓已經(jīng)優(yōu)化。

圖4 驅(qū)動(dòng)段轉(zhuǎn)轂離線裝置

3.3 計(jì)算結(jié)果

分別分析兩種工位時(shí)橫梁所受情況。導(dǎo)入有限元分析后，設(shè)置材質(zhì)為普通碳鋼Q235，材料相關(guān)特征參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

加載設(shè)計(jì)算例載荷及邊界條件，網(wǎng)格劃分，運(yùn)算得出計(jì)算結(jié)果如下：

圖5為工作位裝置橫梁處工作位時(shí)Mises等效應(yīng)力圖，可見(jiàn)在外部載荷的作用下，沿受力方向產(chǎn)生變形。尤其是安裝轉(zhuǎn)轂一側(cè)的橫梁根部產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力，但該處最大值不超過(guò)Q235材料的屈服強(qiáng)度值235MPa。結(jié)構(gòu)整體主要Mises應(yīng)力值在0～35MPa之間，取安全系數(shù)5，許用應(yīng)力47MPa。部件的靜力強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖5 工作位時(shí)Mises等效應(yīng)力

圖6 工作位時(shí)位移量

圖6為工作位時(shí)位移量反映的是懸臂梁的頂端產(chǎn)生了較大的變形量，最大位移量出現(xiàn)在靠近傳動(dòng)裝置一段的橫梁頂端，這也與實(shí)際相符合。最大位移量約7.8mm，理論上這個(gè)數(shù)值越小越好，由于此次分析只單獨(dú)考慮的轉(zhuǎn)轂離線裝置的一個(gè)部件，而忽略實(shí)際工況轉(zhuǎn)轂裝配橫梁對(duì)其的加強(qiáng)作用，因此部件的位移量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

隨著裝備技術(shù)的提升，高精度、高質(zhì)量的小規(guī)格直條棒材的需求日益增加。高速軋制工藝以其軋制速度高、軋線的事故率低、產(chǎn)品成才率高、產(chǎn)品精度和質(zhì)量高等特點(diǎn)正逐漸取代傳統(tǒng)切分軋制工藝[4]。并且隨著鋼廠工業(yè)自動(dòng)化程度要求的不斷提高，設(shè)備的自動(dòng)化水平也要求不斷提高。本設(shè)備配合位置控制裝置和拉桿動(dòng)力部件可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)上鋼裝置的整體和局部離線，同時(shí)本文也為離線裝置的設(shè)計(jì)分析提供了一種方法。