板坯橫移機設計及研究

金洪廉，裘 喆，白 斌，吳 鐵，陳瑩瑩

(1．鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114051;2．中鋼設備有限公司，北京 100080)

1 概述

鞍鋼2150ASP(連鑄連軋)工程為國內(nèi)首次自主集成的雙機四流中薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線。該工程布置有3臺板坯橫移機，其中2臺小橫移機用于每臺鑄機兩流之間的鑄坯運輸及存放，另1臺大橫移機則是連接鑄機與軋線的橋梁，擔負合理調(diào)配運送鑄坯給軋線的任務。這里介紹的板坯橫移機是指大橫移機，它是解決鑄機與軋線合理銜接的關鍵設備。它不僅具有小橫移機的鑄流間運輸存放鑄坯的功能，而且具有鑄機與鑄機間、鑄機與鑄流間、鑄機與緩沖存放臺間運輸存放鑄坯的功能，最重要的是它使四流鑄坯“合四為一”輸送給軋線、最大限度滿足軋線的原料供給。

2 幾種橫移設備的比較及方案確定

鑄坯橫移設備主要有移送臺車、轉(zhuǎn)盤拉鋼機、推鋼機及橫移機等，都能用來橫向移動鑄坯，完成工藝要求。

2.1 移送臺車

移送臺車將切成定尺的鑄坯直接輸送到臺車的輥道上，臺車橫移，將其輥道與精整設備的受料輥道對齊，然后臺車上輥道轉(zhuǎn)動，把坯子輸送到受料輥道上。這種方式各流間干擾較大，必須嚴格控制臺車的工作節(jié)奏，否則會出現(xiàn)生產(chǎn)混亂。移送臺車由輥道、車體、走行裝置、軌道、滑線接電裝置等組成。

2.2 轉(zhuǎn)盤拉鋼機

轉(zhuǎn)盤拉鋼機的工作原理是將切割成定尺的鑄坯經(jīng)出坯輥道輸送到轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)90°將鑄坯輸送到過渡輥道上，然后由拉鋼機將鑄坯移送到精整設備的受料輥道上。這種銜接方式，各流間相互干擾較少，控制比較簡單，但設備重量約為移送臺車式的兩倍。

2.3 橫移機

橫移機多用于較長距離鑄坯的橫向搬運，如換線及往其他設備上輸送等。與轉(zhuǎn)盤拉鋼機相比，橫移機具有運行阻力小、磨損小、運轉(zhuǎn)靈活等特點。橫移機主要由小車牽引裝置、小車、升降框架及升降用油缸、滾輪支承等構成。其工作原理是小車運送到鑄坯接受位置后，油缸使升降框架上升，由升降框架上的小車接受鑄坯，然后小車牽引裝置驅(qū)動小車走行到鑄坯輸出位置停止，升降框架下降，使鑄坯落在受料位置上，小車再返回到接受位置。

鞍鋼2150工程連鑄機為雙機四流，兩臺鑄機間距離為42 m，距離較長，而且兩臺鑄機間要求不能互相干擾。通過以上幾種橫移設備的比較，選用橫移機這種結構型式?？紤]運輸距離長、升降軌道梁鋼結構跨度不易過大等因素，采用“接力”式傳遞板坯的結構型式，即采用2臺結構基本相同的橫移機相互傳遞板坯在中間交接位，如圖1所示。

圖1 板坯橫移機

3 主要設計研究內(nèi)容

3.1 技術參數(shù)

設計型式 升降軌道小車托運式

設計能力 用于運輸Max.170×2 000×18 000鋼坯

小車數(shù)量 1#鑄機側6臺，2#鑄機側5臺

運行速度 60 m/min

最大橫移距離 61 m

小車驅(qū)動 電動卷揚機集中傳動

升降行程 以輥道面為中心±75 mm

3.2 工作原理

板坯橫移機的工作原理:2#鑄機側軌道梁降到最低點，使在其上的托運小車上表面降到2#鑄機(3流或4流)的輸出輥道面以下進入輥道間，軌道梁升起，托起運送的板坯，5臺小車同時在卷揚的驅(qū)動下把板坯運到中間交接位的緩沖臺架上方，軌道梁下降，把板坯放到緩沖臺架上，小車返回，完成一個運行流程(圖2)。接著1#鑄機側的軌道梁降到最低點，其上的6臺小車在卷揚的驅(qū)動下運行到中間交接位的緩沖臺架下方，軌道梁升起，托起緩沖臺架上的板坯，小車把板坯“接回”到1#鑄機，軌道梁下降，把板坯放在1#鑄機(2流)的輸出輥道上，完成一個工作周期。

如檢測的1#鑄機輥道上將有坯子通過時，則小車可先把板坯放到1#鑄機側的存放臺架上;如檢測無坯子通過時，可把存放臺架上板坯優(yōu)先運到1#鑄機(2流)生產(chǎn)線，通過合理調(diào)度，2#、1#鑄機的坯子可在無干涉情況下連續(xù)不斷進入軋線的加熱爐，充分發(fā)揮1#、2#鑄機的生產(chǎn)能力。整個過程是通過計算機自動控制的，也可手動控制。

圖2 運行流程圖

3.3 結構組成及特點

以1#鑄機側板坯橫移機為例，其結構如圖1所示，主要由卷揚裝配、升降框架、小車、升降裝置、滾輪支承、張緊裝置、存放臺架、自動檢測控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等組成。

根據(jù)鑄坯的長度和重量，既要使較短鑄坯能由兩臺小車支承，又要保證各小車的受力比較均勻。因此確定小車數(shù)量為6個(2#鑄機側為5個)，則軌道梁也相應為6個。每個軌道梁長33 m，由三段梁鉚接組成，每段梁由工字鋼等焊接而成，軌道通過螺栓連接在梁上。6個軌道梁通過前后、中間共3個連接梁連接而成為一個整體——升降框架。前后的連接梁帶有導向滑輪，用于鋼繩的導向;中間的連接梁與兩個升降缸連接。

小車由卷揚裝配來驅(qū)動。卷揚裝配如圖3所示，由電動機、減速機、聯(lián)軸器、卷筒軸和卷筒、軸承座等組成，由鋼絲繩牽引小車沿軌道梁上的軌道來回走行。

圖3 卷揚裝配

傳動為集中傳動，減速機的雙出軸通過聯(lián)軸器直接與卷筒軸連接。卷筒軸由三段組成，中間用聯(lián)軸器連接，組成一個大長軸，其上均布裝有6個卷筒。每段軸由兩個軸承座支承，軸承為SKF雙列調(diào)心輥子軸承，承載能力大、壽命長。卷筒為焊接結構，通過鍵和可拆卸擋塊固定在卷筒軸上，鋼絲繩壓板為新型的弧形壓板，壓緊力大、不滑傷鋼繩。

小車如圖4所示，由車體、車輪、鋼繩壓板等組成。車體為焊接結構，與板坯接觸處按一定間隔焊有支撐塊，支撐塊材質(zhì)為耐熱鋼，每個支撐塊帶有凹槽便于散熱。車輪的材質(zhì)為45號鋼，軸承為SKF雙列調(diào)心輥子軸承。鋼繩壓板為蛇形布置，壓緊力大。小車帶有“雨搭”形防護板，以防止氧化鐵皮等雜物落下?lián)p壞鋼繩和軌道。

升降裝置及滾輪支承如圖5所示，由升降缸、鉸支座、滾輪支承、底座等組成。升降框架的每個軌道梁下連接有斜楔，斜楔落在相應的滾輪支承上，通過升降缸的水平運動帶動整個升降框架及斜楔沿滾輪支承水平運動，由于斜楔的斜導軌作用，整個升降框架同時也就完成了升降運動。升降缸為頭部鉸接、尾部耳軸式水平安裝。底座為焊接鋼結構，帶有擋塊防止連接螺栓受剪。滾輪支承為心軸滑動軸承式。中間軌道梁下的一排滾輪支承的滾輪帶有輪緣，防止升降框架左右擺動。

斜楔如圖6所示，由底板、斜塊、止動塊等焊接而成。底板上帶有螺栓孔，用于與軌道梁的連接。斜塊本身分為兩段斜率，斜率緩的主要用于帶負荷上升，斜率陡的主要用于空載下降。止動擋塊用于下降時與滾輪支承的支座接觸而止動。斜塊和滾輪經(jīng)熱處理以增加表面的耐磨性。

圖6 斜楔

張緊裝置如圖7所示，由滑輪、連接板、豎連桿、塔簧等組成。鋼繩的水平張力通過滑輪、連接板傳遞給豎連桿，使豎連桿繞鉸軸擺動，豎連桿上裝有壓板、塔簧等。連接板和豎連桿共同作用使塔簧受壓，吸收能量，起到張緊和緩沖作用。塔簧的預緊力由豎連桿上的螺母調(diào)整。滑輪的軸承為調(diào)心輥子軸承，其它鉸接點為滑動軸承，軌道梁里的鋼繩由托輥支承。

圖7 張緊裝置

存放臺架起緩沖和存儲作用。當1#鑄機2流的輥道上有坯子通過時，1#鑄機1流生產(chǎn)的鑄坯可暫時存放在1#鑄機側的存放臺架上;當把2#鑄機的板坯輸往中間交接位而中間交接位上存有坯子時，小車可把2#鑄機(3流和4流)生產(chǎn)的板坯運到2#鑄機側的存放臺架上。存放臺架為焊接鋼結構，由多組上表面標高一致的立柱、橫梁組成，分別安裝在基礎上。

自動檢測控制系統(tǒng)由車行程編碼器、走行極限和升降極限、中間交接位接地開關、PLC控制柜等組成。車行程編碼器安裝在傳動電機上，傳動電機同時自帶制動器、單獨驅(qū)動風扇、限溫元件。走行極限3個，其中包括1個同步極限用于調(diào)行程零位;升降極限2個，用于檢測軌道梁升降框架的上下標高。中間交接位接地開關用于檢測中間交接位存放臺架上有無板坯。

潤滑系統(tǒng)采用集中干油潤滑。小車的軸承及導向滑輪等運動部件的潤滑采用定期注油潤滑。

3.4 主要計算

由于1#鑄機側橫移機設備本身自重較2#鑄機側橫移機大，下面就以1#鑄機側板坯橫移機的計算為準。

3.4.1 傳動機構計算

已知參數(shù):最大板坯重35.6 t，運行速度60 m/min，每臺小車自重1.2 t，車輪直徑D=300，小車軸承內(nèi)徑d=140。

(1)最大運行阻力

根據(jù)工況要求，最大運行阻力即為6臺小車運輸最大板坯時的摩擦阻力，可按式(1)計算:

式中，Q為最大載荷N;G為6個小車自重，N;f為滾動摩擦系數(shù)，mm，由起重機設計手冊查取;μ為車輪軸承摩擦系數(shù)，由起重機設計手冊查取;ω為摩擦阻力系數(shù)，由起重機設計手冊查取。

(2)電動機的選擇

電動機的靜功率:

式中，v為運行速度，m/s;η為機構傳動效率，取η=0.85;m為電機個數(shù)。

考慮動負荷的電機功率:

P=kd·Pj=2 ×9.1≈18 kW

根據(jù)計算并考慮國外計算方法選電機為:

SIEMENS電機，型號1LA5 220－4AA－ZH64，N=37 kW，n=1 470 r/min。

(3)減速機的選擇

由于運行速度v=60 m/min，卷筒直徑為0.8 m，則卷筒轉(zhuǎn)數(shù)為:

則減速機速比為:

根據(jù)電機功率和速比選減速機為:

三環(huán)減速機，型號TRCI400－62.3－120a，i=62.3，a=120 mm。

則實際卷筒轉(zhuǎn)數(shù)為:

實際運行速度為:

v=πDn=3.14×0.8×23.6≈59.3 r/min，滿足要求。

3.4.2 升降機構計算

升降框架的升降采用2個液壓缸水平推動與升降框架連在一起的斜楔沿滾輪支承運動，相當于一個水平力推動滑塊沿斜面運動，因此可簡化為滑塊斜面式受力模型。

由于斜楔由兩段斜率組成，因此升降過程分為四種情況。如圖2和圖6所示，無負荷快速上升(斜率大時)、有負荷慢速上升(斜率小時)、有負荷慢速下降(斜率小時)、無負荷快速下降(斜率大時)。當滾輪支承處在兩段斜率的交點處時，升降框架處在整個升降行程150 mm的中點(零位)，也就是有、無負荷的轉(zhuǎn)換點。同樣對應升降行程±75 mm液壓缸的行程400 mm也分為232 mm和168 mm兩段。

根據(jù)以上分析選擇兩種情況進行計算，一是有負荷慢速上升，此時所需液壓缸推力為最大，行程232 mm;二是無負荷快速下降，此時需要驗算一下液壓缸是否需要拉力。

(1)有負荷慢速上升時的受力分析

已知最大垂直負荷為428 000 N、升降框架自重為697 544 N，即圖8中P=428 000 N+697 544 N=1 125 544 N，上升時傾斜角為α=18°。

圖8 有負荷慢速上升時受力

所需液壓缸的總推力F可按下列平衡方程組求解。

每個液壓缸的推力為280 968 N。

(2)無負荷快速下降時的受力分析

已知垂直力為升降框架自重G=697 544 N，下降時傾斜角為α=27.5°，如圖9所示。設液壓缸產(chǎn)生拉力F，列平衡方程組:

三式聯(lián)立，可解得:F=－239 765 N

圖9 無負荷快速下降時的受力

得負值說明:在無負荷快速下降時，液壓缸也不需要產(chǎn)生拉力，反而需要推力，此推力大小為239 765 N，可靠液壓缸的背壓實現(xiàn)。

因此在上述四種情況下，液壓缸均需產(chǎn)生推力，需要每個液壓缸產(chǎn)生的最大推力為280 968 N。

故選液壓缸為:力士樂產(chǎn)品型號CD251B160/100－400A1X102CHDMA，其推力為502.50 kN=502 500 N＞280 968 N。

4 主要特點

4.1 運輸量大

鞍鋼2150ASP工程2臺鑄機年產(chǎn)500萬t板坯，產(chǎn)量目前為國內(nèi)之最。而承載給連軋線自動供料的板坯橫移機的運輸能力也是目前運輸量最大的板坯橫移機，它可把雙機四流生產(chǎn)的鑄坯調(diào)度到一條運輸輥道上，以滿足年產(chǎn)500萬t熱軋板的軋線需要。

4.2 橫移距離長

板坯橫移機橫移距離最長為61 m，每組軌道梁長35.24 m，由三段梁鉚接而成，其中最長一段為17.645 m。

4.3 橫移機寬度大

橫移機的寬度大，可運載較長定尺的坯子，相應小車、軌道梁及卷筒的數(shù)量要求多。1#鑄機側的橫移小車、軌道梁的數(shù)量多達6個，橫移機最大寬度達15 m，目前為國內(nèi)之最。

4.4 具有緩沖功能

整個板坯橫移機有3個緩沖存放臺架，分別位于1#鑄機側、2#鑄機側和中間交接位，在托運過程中起到緩沖和存儲作用。

4.5 傳動布置緊湊

由于卷筒數(shù)量多，相應卷筒軸分段多、軸承座多，減速機軸又在中間，這樣就要求傳動裝置布置緊湊。

4.6 升降裝置結構新穎

升降采用斜楔滾輪支承結構，斜楔分兩段斜率，合理利用摩擦力學原理，省力省功，結構新穎獨特。

4.7 運行安全可靠

主要傳動部件電機、液壓缸、軸承等采用進口件，增加了使用壽命和安全性。小車與鋼坯接觸處采用耐熱鋼，兩側帶有防護板以防止氧化鐵皮等雜物落下?lián)p壞小車牽引用鋼絲繩和軌道。

此外，該板坯橫移機還在一些具體結構上采用了一些國內(nèi)不常見的新設計，如卷筒的鋼繩壓板采用弧形壓板、張緊裝置采用塔簧等。

5 結束語

鞍鋼2150ASP工程板坯橫移機的研制成功，使得鑄機向軋線“四流合一”供坯的工藝流程成為可能。該設備具有設計結構合理、托運能力強、傳動布置緊湊、升降裝置新穎獨特、運行安全可靠等特點。同時由于是自行設計、制造，可為國家節(jié)省大量投資。

該板坯橫移機總重約250 t，原計劃準備全套從奧鋼聯(lián)引進，需400多萬歐元，而現(xiàn)在我們自行設計研制成功，包括進口配套件也僅需350多萬人民幣(相當于43萬歐元)，僅此一項就可為國家節(jié)省357萬歐元。而且通過自行設計還提高了設計能力，為今后再設計同類設備積累了豐富經(jīng)驗。

［1］ 成大先編．機械設計手冊(第5版)［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2008．

［2］ 張質(zhì)文主編．起重機設計手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［3］ 哈工大力學教研組編．理論力學［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［4］ 劉明延，李平，欒興家．板坯連鑄機設計與計算［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1990．