步進(jìn)式圓坯上料臺架研發(fā)

金枝

(北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司 北京 100176)

1 前言

根據(jù)某工程需要，擬建一條鋼管調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線上需要設(shè)計(jì)一臺上料臺架。該上料臺架是此調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的起始設(shè)備，其作用一是存放圓坯，二是把圓坯一根根準(zhǔn)確、有序地送到裝料輥道上，以便輸送入工業(yè)爐內(nèi)。該生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)鋼管的調(diào)質(zhì)處理，投資小，占地面積小，要求設(shè)備緊湊實(shí)用。

現(xiàn)有技術(shù)中廣泛使用的有：曲軸傳動步進(jìn)式上料臺架、鏈?zhǔn)絺鲃邮缴狭吓_架、液壓驅(qū)動步進(jìn)式上料臺架。

1)曲軸傳動步進(jìn)式上料臺架[1]，由定梁、動梁和驅(qū)動裝置組成。定梁接受吊運(yùn)來的鋼坯，動梁由驅(qū)動裝置驅(qū)動兩根曲軸，托起動梁使鋼坯沿圓弧軌跡上升前進(jìn)下落。由于曲軸的存在，步距不能太大，且步距無法調(diào)節(jié)，不能滿足各種不同規(guī)格的鋼坯靈活調(diào)度的上、下線要求；而且還需要配置裝取料裝置，才能將鋼坯從上料臺架送到輥道上或?qū)⑤伒郎系匿撆魅』氐脚_架上，由于這種臺架需要單獨(dú)配置裝取料裝置，設(shè)備數(shù)量多，占地多，結(jié)構(gòu)不緊湊，投資大，維護(hù)不便。

2)鏈?zhǔn)絺鲃邮缴狭吓_架[2]，通過電力驅(qū)動滾子鏈，撥爪固定在鏈條上，通過鏈傳動帶動撥爪來推動鋼坯在臺面上運(yùn)動，因每條鏈條上一般只安裝一個(gè)撥爪，一次每個(gè)循環(huán)只能輸送一根鋼坯，運(yùn)行過程中鋼坯在固定臺面上滑動，鋼坯磨損較大，對熱坯尤其不利，且鋼坯在上料臺架末端靠近輥道位置無法準(zhǔn)確定位，也無法實(shí)現(xiàn)將輥道上鋼坯返回到臺架上。

3)液壓驅(qū)動步進(jìn)式上料臺架[1][3][4]，目前應(yīng)用廣泛，采用兩組液壓缸驅(qū)動動梁臺架做步進(jìn)運(yùn)動，鋼坯通過步進(jìn)運(yùn)動移動到臺架上距離輥道最近的位置，滑落到輥道上，此結(jié)構(gòu)對輥道形成一定的沖擊，噪音大，對鋼坯和輥道表面都有損傷，并且臺架靠近輥道一端需要配置擋料裝置，同樣無法實(shí)現(xiàn)輥道上的坯料返回到臺架上。常用的液壓驅(qū)動步進(jìn)式上料臺架也有采用單獨(dú)配置裝取料裝置形式的。

新開發(fā)的上料臺架需要克服上述缺陷，解決圓坯上線生產(chǎn)，克服生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)需要的設(shè)備種類多、占地大、結(jié)構(gòu)不緊湊、投資高和維護(hù)負(fù)擔(dān)重等問題。

2 設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 工藝參數(shù)及流程

鋼管調(diào)質(zhì)生產(chǎn)方式：調(diào)質(zhì)集中生產(chǎn)，連續(xù)式作業(yè)方式。

調(diào)質(zhì)工件規(guī)格：外徑φ150-φ430，壁厚10-40，長度6000-15000；典型工件尺寸：外徑φ400mm，壁厚20mm，長度15000mm；典型工件生產(chǎn)節(jié)奏5支/小時(shí)(或12min/件)。

上料臺架用于接受吊車吊運(yùn)來的圓坯，通過步進(jìn)運(yùn)動，將圓坯一根根準(zhǔn)確、有序地送到裝料輥道上，以便輸送入爐內(nèi)。步距為：前進(jìn)、后退560mm，上升、下降220mm。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步進(jìn)式圓坯上料臺架布置在裝料輥道非傳動端一側(cè)，結(jié)構(gòu)型式是：全液壓驅(qū)動，拉桿托臂式；共有四根動梁裝配和四根定梁裝配，每根動梁裝配和附近的一根定梁裝配布置在相同的兩臺裝料輥道的中間。上料臺架總布置圖如圖1，圖中裝料輥道是生產(chǎn)線上的配套設(shè)備。

圖1 上料臺架總布置圖

步進(jìn)式圓坯上料臺架結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，主要由：定梁裝配、動梁裝配、箱型梁裝配、平移驅(qū)動裝置、升降驅(qū)動裝置和平移、升降行程控制裝置等組成。

在上料臺架的前端設(shè)有平移驅(qū)動裝置，底部設(shè)有升降驅(qū)動裝置，上部設(shè)有定梁和動梁；定梁和動梁為設(shè)有弧形槽的結(jié)構(gòu)，定梁的下方通過下部支座固定在基礎(chǔ)上，動梁的下方設(shè)有箱型梁裝配，箱型梁裝配和其下方的升降驅(qū)動裝置連接。上料臺架通過平移和升降驅(qū)動裝置驅(qū)動動梁，從而實(shí)現(xiàn)了動梁的步進(jìn)運(yùn)動，當(dāng)步進(jìn)爐需要圓坯時(shí)，將上料臺架上存放的圓坯，托放到裝料輥道上。

圖2 上料臺架結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳動計(jì)算

對上料臺架的核心內(nèi)容：升降和平移驅(qū)動裝置的驅(qū)動力及液壓缸選型的計(jì)算做詳細(xì)介紹。

1)技術(shù)參數(shù)

上料臺架上圓坯的最大重量：20000kg；

動梁裝配自身的重量(包含滾輪裝配)：2700kg；

箱型梁裝配自身的重量：6200kg；

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，升降液壓缸設(shè)計(jì)兩個(gè)，平移液壓缸設(shè)計(jì)一個(gè)。

2)驅(qū)動力的計(jì)算

拉桿托臂式步進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖3所示，其中驅(qū)動托臂各段臂長r1、r2，各臂對水平面和垂直面的夾角α、γ等按結(jié)構(gòu)情況及工作經(jīng)驗(yàn)選定。

同步軸1處的總扭矩為：

∑M=M1+M2+M3(kN·m)

(1)

式中:M1—動梁裝配及箱型梁裝配與上料臺架上的圓坯等重量作用在同步軸上形成的扭矩,kN·m；

M2—同步軸1處摩擦力產(chǎn)生的扭矩,kN·m；

M3—滾輪運(yùn)行阻力產(chǎn)生的扭矩，kN·m。

當(dāng)略去各托臂的重量時(shí)，則

M1=(Q+Gb+Gt)r1cosα(kN·m)

(2)

(3)

(4)

式中：Q—上料臺架上圓坯的重力，kN；

Gb—動梁裝配自身重力，kN；

Gt—箱型梁裝配及其上附件等自身重力，kN；

μ—軸承處摩擦因數(shù)：滑動軸承取μ=0.10；滾動軸承取μ=0.01；

β—附加阻力系數(shù)：輥?zhàn)佑没瑒虞S承時(shí)β=1.2～1.5；用滾動軸承時(shí)β=2.0～2.5；本項(xiàng)目取β=2.5；

d—同步軸的平均直徑，m；

l—驅(qū)動托臂上支點(diǎn)到滾輪和軌道板接觸面的距離，m；

D’、d’—滾輪的外徑和軸徑，m；

r1—驅(qū)動托臂上臂長，m；

f—滾輪的滾動摩擦系數(shù)，m，取f=0.0005m。

圖3 拉桿托臂式步進(jìn)機(jī)構(gòu)

使動梁上升所需的力Fa為：

Fa=∑M/(ηr2cosγ)(kN)

(5)

式中:η—考慮各桿鉸接處的摩擦損失后提升機(jī)構(gòu)的效率，取η=0.8～0.9，本項(xiàng)目取η=0.85；

r2—驅(qū)動托臂下臂長，m。

使動梁水平移動所需的力Fb為[5]：

(6)

拉桿托臂機(jī)構(gòu)的托臂上，各點(diǎn)軌跡都是弧形，運(yùn)行中變量α、γ值是變化的，因此函數(shù)ΣM也是變化的，根據(jù)機(jī)構(gòu)本身的限制，α、γ有一定的取值范圍，通過計(jì)算得出ΣM的最大值，然后據(jù)此計(jì)算出動梁上升所需力Fa=301.06(kN)。

3)升降液壓缸選型

動梁上升時(shí)，液壓缸無活塞桿端為工作油腔，所以

(7)

式中：D—液壓缸缸體內(nèi)徑，mm；

P—液壓系統(tǒng)壓力，MPa，本項(xiàng)目系統(tǒng)工作壓力為12MPa；

η0—液壓缸的機(jī)械效率，指密封部位的機(jī)械損失，一般為0.85～0.95，本項(xiàng)目取0.9。

綜上所述，D=133.21(mm)。

根據(jù)計(jì)算選用液壓缸φ140/φ100滿足要求。

4)平移液壓缸選型

根據(jù)上述公式(6)，使動梁水平移動所需的力Fb=22.25(kN)。

平移液壓缸正常工作是無活塞桿端為工作油腔，考慮到逆循環(huán)時(shí)平移液壓缸是有活塞桿端為工作油腔，所以

(7)

式中：d—液壓缸活塞桿直徑,mm。

一般活塞桿直徑為d=(0.03～0.07)D,根據(jù)初算值及經(jīng)驗(yàn)初步選用液壓缸φ100/φ70，然后校核如下：

所以，選用的平移液壓缸Φ100/Φ70滿足要求。

2.4 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合該工程建設(shè)生產(chǎn)線的特點(diǎn)，及對現(xiàn)有技術(shù)的分析，設(shè)計(jì)開發(fā)的步進(jìn)式圓坯上料臺架，其創(chuàng)新結(jié)構(gòu)介紹如下。

2.4.1 定梁裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置

上料臺架斷面圖見圖4，上料臺架的定梁裝配結(jié)構(gòu)包括：定梁、下部支座和軸承座等。定梁共用四根，每根都布置在動梁附近，以上料臺架中心線對稱布置，定梁由厚鋼板和筋板焊接而成，上表面有弧形槽,弧形槽的大小由圓坯直徑?jīng)Q定，弧形槽的間距等于上料臺架平移步距，定梁通過螺栓裝配在下部支座上。下部支座是由H型鋼焊接而成，一共有8個(gè)，每兩個(gè)支撐一根定梁，下部支座采用預(yù)埋地腳螺栓安裝在土建基礎(chǔ)上。另外，在每個(gè)下部支座上還裝配有兩個(gè)支承升降同步軸的軸承座。

圖4 上料臺架斷面圖

此定梁裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)牢固，實(shí)現(xiàn)了圓坯在定梁上的定位，并保證了升降同步軸的轉(zhuǎn)動順暢平穩(wěn)。

2.4.2 動梁裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置

上料臺架的動梁裝配共設(shè)有四根，以上料臺架中心線對稱布置，并且每根動梁裝配和其附近的一根定梁裝配一起布置在相同兩臺裝料輥道的中間。每根動梁裝配都包括動梁和滾輪裝配，動梁裝配的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 動梁裝配及箱型梁裝配的結(jié)構(gòu)圖

動梁由厚鋼板和筋板焊接而成，上表面的弧形槽大小及間距與定梁上弧形槽大小及間距相同，動梁在后下位時(shí)其最前端弧形槽與裝料輥道中心線間距為一個(gè)步距，每根動梁下方裝有兩組滾輪裝配，每組滾輪裝配有兩個(gè)帶導(dǎo)向邊的滾輪。

此動梁裝配結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì)合理，無需單獨(dú)配置裝取料裝置和擋料裝置，能很好的實(shí)現(xiàn)動梁的步進(jìn)運(yùn)動，保證圓坯準(zhǔn)確的輸送到裝料輥道上，克服了上料臺架的跑偏現(xiàn)象。

2.4.3 箱型梁裝配

箱型梁裝配是實(shí)現(xiàn)動梁矩形步進(jìn)運(yùn)動的關(guān)鍵部件，如圖5所示，箱型梁裝配主要由箱型梁和上、下軌道板組成。箱型梁由鋼板焊接而成，內(nèi)側(cè)裝有上、下軌道板，和動梁裝配在一起的滾輪裝配在箱型梁的箱體內(nèi)沿軌道板滾動，實(shí)現(xiàn)動梁的平移運(yùn)動。箱型梁的下方設(shè)有托臂上支座，用于安裝驅(qū)動托臂和擺動托臂，升降液壓缸驅(qū)動托臂時(shí)，同時(shí)帶動箱型梁做升降運(yùn)動。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮到箱型梁較長，所以把軌道板做成分段形式，易于制造、安裝和更換。此箱型梁結(jié)構(gòu)解決了利用雙層框架時(shí)的制造、加工及運(yùn)輸問題。

2.5 行程控制裝置

行程控制裝置包括升降行程和平移行程裝置。兩個(gè)都是靠裝在同步軸端部的接近開關(guān)裝置檢測。結(jié)構(gòu)簡單，檢測穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

3 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及性能分析

1)此上料臺架無需單獨(dú)配置裝取料裝置和擋料裝置，設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，占地面積小，滿足了本項(xiàng)目場地緊張，投資小的要求。

2)此上料臺架通過步進(jìn)運(yùn)動運(yùn)送圓坯，最后將其托放到裝料輥道上，且采用的液壓驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了“輕拿輕放”，克服了常用上料臺架對鋼坯表面磨損大和上料時(shí)鋼坯對輥道有沖擊的缺點(diǎn)，圓坯及裝料輥道表面質(zhì)量得到了保證，并克服了有些上料臺架對鋼坯定位不準(zhǔn)及不適用熱坯的缺點(diǎn)。

3)具有足夠強(qiáng)度的定梁和動梁每根都是單獨(dú)布置，簡單合理，造價(jià)低，并且解決了現(xiàn)有上料臺架利用整體框架，加工制造及運(yùn)輸不方便的問題。

4)有返料需求時(shí)，此上料臺架可以實(shí)現(xiàn)輥道上的坯料返回到臺架上。

5)滾輪設(shè)計(jì)導(dǎo)向邊，防止跑偏，運(yùn)動平穩(wěn)可靠，噪音極小。

4 注意事項(xiàng)

1)上料臺架安裝時(shí)應(yīng)注意動梁應(yīng)處于后下位，動梁最前端弧形槽與裝料輥道中心線間距為一個(gè)步距，即當(dāng)圓坯到達(dá)上料臺架最前端，裝料輥道允許上料時(shí)，上料臺架再前進(jìn)一個(gè)步距就能將圓坯輸送到裝料輥道上。而且動梁處于低位，動梁的上表面低于定梁，動梁不承擔(dān)上料時(shí)的沖擊。

2)動梁和定梁上表面的弧形槽大小和間距相同，吊車擺放圓坯時(shí)應(yīng)將圓坯放在定梁的同一相位弧形槽中，與上料臺架的中心線垂直，以保證圓坯上到裝料輥道上不跑偏。

3)當(dāng)上料臺架上熱坯時(shí)，定梁上的弧形槽和動梁上的弧形槽要設(shè)計(jì)成錯(cuò)位布置，距離50～80mm，這樣圓坯在從定梁上托起和放回到定梁上時(shí)產(chǎn)生同一方向的滾動，每移動一個(gè)步距產(chǎn)生兩次滾動，起到均勻冷卻圓坯的作用。

5 結(jié)論

根據(jù)某公司調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的需要設(shè)計(jì)開發(fā)的步進(jìn)式圓坯上料臺架，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，工作性能穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊，經(jīng)濟(jì)合理；設(shè)備采用干油集中潤滑，維護(hù)量小。該設(shè)備已投產(chǎn)運(yùn)行，工作平穩(wěn)、可靠，使用效果良好，滿足了工藝要求，有力保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，得到了工程方的認(rèn)可。生產(chǎn)實(shí)踐證明此設(shè)計(jì)是合理的，對相同及相似設(shè)備的設(shè)計(jì)制造有一定的借鑒意義。