用于異(矩)型坯的推鋼機結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 慶 彭 誠 彭曉華

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

在連鑄生產(chǎn)線上，坯子在經(jīng)過冷床后，需要成組下線。由于吊運需要一定的周期，所以下線設(shè)備需具備分組和存放兩大功能，以滿足坯子緩存和成組下線的目的。隨著近幾年鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，業(yè)主對連鑄生產(chǎn)線的要求越來越高，期望一條線能同時生產(chǎn)多型號、多規(guī)格的鑄坯。由我公司承擔的某項工程，需滿足生產(chǎn)異型坯和矩型坯的要求，推鋼機負載、工況較傳統(tǒng)的方坯線更復(fù)雜。為此，我們進行了設(shè)計研究。

1 改進前后的推鋼機結(jié)構(gòu)

1.1 改進前的推鋼機結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的推鋼機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作原理為:油缸作用于連桿3，帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，從而使得連桿2 帶動小車移動，進而完成坯子的輸送和分組工作。工作中，傳動軸若受到較大的彎矩和扭矩，會導(dǎo)致傳動軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，經(jīng)連桿機構(gòu)放大后，使撥爪不在同一水平線上，給分組工作帶來一定的困難。由于此工程的負載較大，傳動軸承受的彎矩和扭矩會很大。如要通過加強傳動軸強度來控制其變形，設(shè)備重量將增大，導(dǎo)致成本增加。所以，應(yīng)考慮從結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化。

1.2 用于異(矩)型坯的推鋼機設(shè)計

業(yè)主提供的生產(chǎn)大綱及工藝要求如表1 所示。

基于該設(shè)備的工況、生產(chǎn)線工藝要求等因素，我公司以傳統(tǒng)的推鋼機結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對設(shè)備進行了優(yōu)化改進。改進后的推鋼機結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的推鋼機Figure 1 Pusher with traditional structure

表1 某工程生產(chǎn)大綱Table 1 Production instruction for a certain project

圖2 改進后的推鋼機結(jié)構(gòu)Figure 2 Improved pusher structure

油缸直接作用于連桿1，使它受到的扭矩大大減小，并且連桿1 采用了箱形粱結(jié)構(gòu)，有利于緩解連桿的變形。其工作原理為:當坯子通過冷床動板平移后，將坯子運送至推鋼機的軌道面上，油缸驅(qū)動連桿1，帶動連桿2，連桿2 帶動小車移動，小車的撥爪推動坯子在軌道上平移。由于推鋼機需滿足異型坯和矩型坯兩種形狀、五種型號坯子的平移和分組要求，所以給平移小車設(shè)置了3 個撥爪，并讓油缸提供兩個不同的行程來達到目標。連桿1 上設(shè)置檢測元件，通過檢測擺動角度來控制小車的平移行程，并將信號反饋到液壓系統(tǒng)中的插裝閥，油缸便可在插裝閥控制下完成啟停和調(diào)節(jié)速度的功能。同時，為防止坯子滑出軌道面，在軌道末端設(shè)置信號開關(guān)發(fā)送控制信號，控制油缸的行程。

從圖1 和圖2 可以看出，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化的推鋼機結(jié)構(gòu)，連桿1 的受力情況得到了大大的改善，有利于減小其變形，保證撥爪的位置在同一水平線上，有利于提高設(shè)備的壽命。

2 坯子輸送及分組流程

由于坯子最終將通過夾鉗吊運，所以組與組之間需留一定的空間，具體尺寸根據(jù)夾具尺寸而定。由于本工程存在異型坯，所以即便撥爪2 采用了“不倒翁”結(jié)構(gòu)，但推鋼機在后退的工作中，仍然不能將撥爪“埋藏”于異型坯翼緣處，以避免推鋼機前進時將坯子撥走。經(jīng)過分析，可以得出小車的平移行程分別為850 mm 和2 670 mm，其控制信號通過檢測元件完成。坯子輸送和分組的流程如圖3、圖4 所示(僅示意BB2 和B3 號坯子)。由圖3、圖4 可知，生產(chǎn)矩型坯時吊運工作需要在第十八步到第二十二步的時間內(nèi)完成;生產(chǎn)異型坯時吊運工作需要在第十三步到第十六步的時間內(nèi)完成，具體行程通過計算完成，后續(xù)工作以此類推。

3 油缸選型計算

推鋼機運行的動力來自于油缸的推力，所以油缸的選型至關(guān)重要。系統(tǒng)的受力示意圖如圖5所示。

圖3 矩型坯輸送及分組流程圖Figure 3 Flow chart of rectangular bloom transportation and grouping

圖4 異型坯輸送及分組流程圖Figure 4 Flow chart of shaped blank transportation and grouping

圖5 平移小車受力示意圖Figure 5 Schematic drawing of force bearing on mobile car

由力學平衡方程有:

式中，G1為平移小車重量，單位為t;G2為坯子重量，單位為t;μ1為平移小車車輪與軌道的摩擦系數(shù);μ2為坯子與支撐軌道的摩擦系數(shù);α 為連桿拉力與水平線的夾角，隨平移小車行程x 的變化而變化;F2為連桿機構(gòu)提供的動力，單位為t。

根據(jù)圖6 所示的受力示意圖可得(由于連桿的重力關(guān)于A 點的力矩較小，所以忽略不計):

圖6 連桿結(jié)構(gòu)受力圖Figure 6 Force bearing diagram of connecting rod structure

式中，F(xiàn)3為連桿機構(gòu)提供的動力，單位為t;L3為F3繞A 點轉(zhuǎn)動的力臂，單位為mm;Ly為Fy繞A點轉(zhuǎn)動的力臂，單位為mm;∠b、∠c 隨平移小車行程x 的變化而變化，L3、Ly跟隨其變化。

由此可得:

推鋼機連桿傳動機構(gòu)簡化圖如圖7 所示。圖中B0、C0、D0點分別代表初始位置，B、C、D 點分別代表平移小車移動x 后連桿鉸點的位置;AE0、AE 分別代表初始狀態(tài)、平移后狀態(tài)F3對應(yīng)的力臂;AF0、AF 分別代表初始狀態(tài)、平移后狀態(tài)油缸力Fy對應(yīng)的力臂。以4.5 m 長的B3 號坯子為例，具體計算參數(shù)為:G1=2.5 t，μ1=0.017 5，G2=46.44 t，μ2=0.3，小車平移行程為0～2 670 mm。研究中采用MATLAB 程序編程計算，可以得出小車行程x 與力臂L3、Ly、油缸行程y 之間的關(guān)系，如圖8 所示。小車行程x 大于2 000 mm后，其工況最為惡劣，所需油缸力Fy與小車行程x 的關(guān)系如圖9 所示。

由圖9 可以得出，最大油缸力為45.1 t，背壓為3 MPa，油缸的工作壓力為20 MPa，由此可以計算出活塞的直徑(活塞桿與活塞的直徑之比為n=0.71)為:

選型時，應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)。應(yīng)大于176 mm，查取樣本即可以選取油缸。

圖7 連桿連接點關(guān)系圖Figure 7 Relation diagram of connecting rod junction points

圖8 小車步進行程與其他參數(shù)關(guān)系圖Figure 8 Relation diagram between car stepping stroke and other parameters

圖9 小車步進行程與油缸力關(guān)系圖Figure 9 Relation diagram between car stepping stroke and oil cylinder force

4 結(jié)論

根據(jù)異型坯、矩型坯連鑄機的工藝要求，設(shè)計了一種適應(yīng)兩種形狀、多種型號坯料的推鋼機。對連桿傳動機構(gòu)進行了優(yōu)化和改進。改進后的推鋼機能滿足生產(chǎn)異型坯和矩型坯的要求。

［1］王浦江.小方坯連鑄機［M］.北京:北京鋼鐵研究總院，1998.

［2］任緒年，喬翠俠，包家漢.基于推鋼機機構(gòu)的搖桿本體有限元分析［J］.制造業(yè)信息化，2009(1):94－95.

［3］強志剛，蘇順德，羅曉廣.異型坯連鑄機推鋼機的壓力控制［J］.連鑄，2004(03):38－39.