懸掛式定尺結構改進與應用

孫國棟

（凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧朝陽 122500）

1 現有定尺機存在的不足

懸掛式定尺機原設計的行走滾輪有8 個，以梁的軌道為分界，滾輪分別分布在梁的軌道上、下各4 個（圖1）。由于懸掛式定尺機質量大，在進行齊頭時受沖擊力也大，容易造成定尺機的偏斜，因此在梁軌道上的4 個行走滾輪都是有定位的，然而懸掛式定尺機的結構特點決定了它的受力情況，應用擋板撞擊齊頭時受到一個很大的撞擊力，使在懸掛式定尺機的1 組有定位的2 個滾輪與軌道接觸點處產生很大的瞬時沖擊。

圖1 原設計懸掛式定尺機結構

在頻繁使用的定尺長度位置，軌道因為反復受沖擊力的作用，導致這段軌道變形下凹。變形超過滾輪直徑的1/4 后，滾輪就容易陷在其中，導致懸掛式定尺機出現無法行走的情況。

雖然梁上的軌道是焊接的，磨損后可以更換，但是受結構和尺寸的限制，軌道的強度相對較弱。而梁上的軌道一旦變形就只能整體更換，梁段尺寸大、質量大、維修過程危險系數大，工程量也較大，增加了維修維護成本和備件成本。

2 缺陷分析

現場應用的懸掛式定尺機結構如圖2 所示，懸掛式定尺機在梁上行走，可以靈活的改變定尺長度，而懸掛式定尺機上的擋板可以進行齊頭，擋板的升降是靠液壓缸，靠滾輪的支撐和內部齒輪齒條副帶動懸掛式定尺機的行走。確定定尺長度后，為了避免在齊頭時懸臂式定尺機移動，靠鎖緊機構進行鎖死。

圖2 現場應用的懸掛式定尺機結構

機構的受力分析如圖3 所示，應用擋板撞擊齊頭時，撞擊力Fc在C 點處分解為瞬時力Fa和瞬時力Fb，Fb1是Fb在B 點垂直方向的分力，Fa1是Fa在A 點垂直方向的分力，FA是A 點的支撐反力，FB是B 點的支撐反力，由于鎖緊機構受約束作用，所以O點可以視作是固定點，因此整個受力體系可以視作是簡支梁的受力體系，已知：Fa、Fb、FA、FB、Fa1小于FA和Fb1，具體計算如下：

圖3 機構受力分析

在A 點處的合力情況是FA-Fa1，相對于O 點在A 點產生的轉矩是（FA-Fa1）×L2。

在B 點處的合力情況是FB+Fb1，相對于O 點在B 點處產生的轉矩是（FB-Fb1）×L1。

以向下為正方向，在A 點處的附加轉矩是（FB-Fb1）×L1-（FAFa1）×L2>0，所受的轉矩是向下的。

總結：雖然在A 點處受合力方向是垂直向上的，但是產生的附加轉矩是向下的，由于滾輪于軌道是線接觸，而每次撞擊產生的瞬時力在線接觸處反復作用，使A 點處反復受力，產生應力集中而導致軌道局部的疲勞變形，軌道變形下凹。變形量一旦超過滾輪直徑的1/4，滾輪就容易陷在其中，導致懸掛式定尺機無法行走的情況。

3 改進措施

改進后的受力分析及結構如圖4 所示，增加1 組無定位的滾輪，與現有技術方案中有定位的滾輪保持足夠的距離，因為兩處滾輪的距離足夠短，所以相較于現有技術方案中，瞬時力的作用點可以看作是兩條作用線間的區域（AD 間的距離），因此兩個滾輪共同作用，相當于增加了受力面，避免應力集中使一處反復受力的情況。已知：增加一組滾輪后的受力情況是，撞擊力Fc在C 點處分解為瞬時力Fa′、瞬時力Fb和Fd，Fb1是Fb在B 點垂直方向的分力，Fa2是Fa′在A 點垂直方向的分力，FA是A 點的支撐反力，FB是B 點的支撐反力，FD是D 點的支撐反力，由于鎖緊機構受約束作用，因此O 點可以視作是固定點，那么整個受力體系可視作是簡支梁的受力體系，Fa′小于Fa、Fa2小于Fa1、Fd1大于Fa2，具體計算如下：

圖4 改進后的受力分析及結構

在A 點處的合力情況是FA-Fa2，相對于O 點所受轉矩是（FAFa2）×L2。

在D 點處的合力情況是FD-Fd，相對于O 點所受轉矩是（FDFd1）×L3。

在B 點處的合力情況是FB+Fb1，相對于O 點在B 點處產生的轉矩是（FB-Fb1）×L1。

而（FD-Fd1）×L3>（FA-Fa2）×L2，且方向相同，均向上。

綜上可得，［（FA-Fa2）×L2+（FD-Fd1）×L3］-（FB-Fb1）×L1>0（向下為正方向），因此在A 點和D 點的轉矩之和是向上的，所以原來只由A 點承擔的附加轉矩大部分被分配到了D 點，避免了A 點受載荷的反復作用而造成的應力集中現象。

又因為A 點與D 點的距離足夠小，可以認為所受的附加轉矩由A 點和D 點組成的區間共同承受，所以2 個滾輪共同作用產生的FA和FD抵消Fa1，并且能夠產生一個相反方向的力矩，抵消B 處產生的轉矩。

通過上述受力分析，證明改造方案可以避免軌道的變形。改造實施后，生產實踐證明軌道長時間工作后未發生變形，達到了預期的改造效果。

改進后的定尺機結構如圖5 所示，包括懸掛式定尺機、軌道、有定位的滾輪、無定位的滾輪、擋板和梁。改進后的懸掛式定尺機增加了1 組無定位滾輪，并保持與有定位滾輪中心距足夠短。增加的無定位滾輪改變了現有技術方案的受力特點，在無定位滾輪與軌道接觸處增加了一個向上的轉矩，分散了原設計在有定位滾輪處產生的應力集中。

圖5 改進后的定尺機結構

在擋板受撞擊力的瞬間，有定位滾與軌道接觸線處產生的瞬時力由無定位滾輪與軌道接觸處和有定位滾輪與軌道接觸線處構成的區間共同承受，避免了反復操作擋板齊頭時產生的瞬時力反復沖擊作用于此段軌道，而造成有定位滾輪與軌道接觸處軌道的局部疲勞變形，也避免了更換梁而造成的工程量和備件費用。

4 總結

根據懸掛式定尺機的受力特點，增加1 組無定位滾輪，抵消擋板受撞擊時產生的瞬時力沖擊，防止軌道變形。通過技術改造，懸掛式定尺機的檢修維護工作量大幅降低，并節約了備件費用。