1700 熱軋線塔形卷塔形消除裝置的設(shè)計及應(yīng)用

詹雪雄

(中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計研究院有限公司 湖北武漢430080)

1 前言

熱軋帶鋼卷取就是將帶鋼卷成整齊、緊密的鋼卷，以解決帶鋼的存放和運輸問題。塔形是在鋼卷頭部或尾部幾圈或幾十圈偏向一側(cè)，造成成品卷外觀不好，并且在運輸和吊運過程中，容易損壞鋼卷的邊部質(zhì)量。塔形分為外塔和內(nèi)塔，以內(nèi)塔居多，典型的內(nèi)塔塔形如圖1。塔形卷在運輸及吊運時極易壓折、損傷，直接影響到鋼材的成材率，從而影響到產(chǎn)權(quán)廠的效益。

熱軋線鋼卷塔形現(xiàn)象較為多見［1］，塔形產(chǎn)生有設(shè)備方面原因，如卷取機前側(cè)導(dǎo)板擺動、卷取機芯軸的擴張時序不合理等，也有工藝方面原因，如卷取初期張力變化、側(cè)導(dǎo)板開口度設(shè)定過大等。針對鋼卷塔形現(xiàn)象，產(chǎn)權(quán)廠通常采取綜合控制策略，改善卷取時的卷形，減少或避免塔形卷。但是，塔形產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，難以徹底根除，所以塔形卷在熱軋線仍然時有發(fā)生。

圖1 鋼卷頭部塔形

對于塔形卷，可以依靠人工進行塔形消除，但是對生產(chǎn)節(jié)奏有影響，并且浪費人力和物力?，F(xiàn)有技術(shù)中，可以使用塔形消除裝置，進行鋼卷塔形消除。塔形消除裝置根據(jù)裝設(shè)位置，分為在線和離線兩種方式;根據(jù)采用的執(zhí)行機構(gòu)，有液壓和氣動兩種方式。

2 1700 熱軋線基本參數(shù)

1700 熱軋線建成于1978 年，全套引進日本的設(shè)備和工藝技術(shù)。多年運行后，粗軋區(qū)由于設(shè)備間隙及對中性的問題，板形和卷形情況不太理想，于2009 年改造后，卷形質(zhì)量有明顯提高。但是仍然存在一定數(shù)量的塔形卷，以立卷上部內(nèi)塔塔形為主。

經(jīng)分析論證后，決定在1700 熱軋線卷取區(qū)域采用塔形消除裝置，對塔形卷進行塔形消除操作，保證鋼卷卷形質(zhì)量，提高成材率。

2.1 基本參數(shù)

卷取帶鋼厚度:1. 2 ～12. 7mm;卷取帶鋼寬度:850 ～1550mm;卷取鋼卷最大外徑:Φ2200mm;卷取鋼卷最小外徑:Φ1600mm;卷重:max.30t;塔形量:0 ～150mm;鋼卷輸送形式:立卷;軋線軋制節(jié)奏:105s/塊鋼。

2.2 設(shè)計條件

1700 熱軋線有3 臺三助卷輥式地下卷取機，軋線上的帶鋼由其中一臺卷取機卷取后，經(jīng)翻鋼機翻轉(zhuǎn)90°后，立卷存放于輸送鏈上進行運輸。氣壓驅(qū)動的裝置設(shè)備剛度小、作用力小、結(jié)構(gòu)強度差［2］;離線式塔形消除裝置將裝設(shè)于精軋區(qū)，需要進行鋼卷吊轉(zhuǎn)和旁站操作，增加精軋區(qū)吊車的使用率以及操作人員的工作量;若考慮在輸送鏈上裝設(shè)塔形消除裝置，需要增加塔形消除工作時間，將對軋制節(jié)奏有較大影響。因此，考慮在線、液壓、前工序(進入輸送鏈前)進行塔形消除操作。據(jù)此，需要在卷取機區(qū)域裝設(shè)塔形消除裝置?？梢钥紤]在翻鋼機上或打捆鞍座上裝設(shè)塔形消除裝置，經(jīng)過分析、比較，最終確定在打捆機側(cè)鞍座上進行裝設(shè)。該區(qū)域空間較小，極易與卷取機、翻鋼機、運卷小車等發(fā)生干涉，對結(jié)構(gòu)要求很高。塔形消除裝置裝設(shè)位置見圖2。

2.3 負(fù)荷條件

圖2 1700 熱軋線卷取機區(qū)

為保證塔形消除裝置實現(xiàn)拍打操作，順利將塔形消除到要求范圍，并且不導(dǎo)致鋼卷在鞍座上滑移，需要選擇合適的拍打力和控制方式。為保證拍打操作過程中鋼卷不發(fā)生滑移，一般采取兩側(cè)同時拍打;在控制方式上，要求兩側(cè)拍打板受力均衡，即兩側(cè)拍打板的執(zhí)行機構(gòu)由同一個管路接入后分兩支供壓;在拍打力上，需要足夠大以便順利將塔形卷壓回到鋼卷內(nèi)，同時不能過大，使鋼卷本體受到壓迫而變形、損傷。根據(jù)工藝要求的參數(shù)，設(shè)定拍打力為55kN。裝置系統(tǒng)油源取自熱軋線卷取機區(qū)域檢修坑道靠近1#卷取機側(cè)，系統(tǒng)最大油壓為13MPa。

3 塔形消除裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作過程

根據(jù)裝設(shè)的環(huán)境和工藝要求，設(shè)計塔形消除裝置，如圖3。該裝置主要由壓板、左右轉(zhuǎn)臂、右鞍座、旋轉(zhuǎn)油缸、右底座、壓緊油缸、導(dǎo)桿、轉(zhuǎn)軸、滑動軸承及連接盤等組成。其中，右鞍座、右底座參考現(xiàn)有鞍座及底座進行改造設(shè)計;左右轉(zhuǎn)臂采用連接板等連接在轉(zhuǎn)軸上，用鍵傳動;轉(zhuǎn)軸采用連接盤連接在右鞍座上，采用滑動軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)動;左右轉(zhuǎn)臂上采用壓板、導(dǎo)桿及壓緊油缸等，實現(xiàn)拍打;采用旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動左右轉(zhuǎn)臂，實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)臂的旋入、旋出;采用安全銷，實現(xiàn)在檢修或調(diào)試狀態(tài)下，插入安全銷，防止裝置的誤動作。

塔形消除裝置工作過程如下:系統(tǒng)檢測到塔形卷(內(nèi)塔，塔形量＜150mm)→鋼卷按要求在鞍座上存放→打捆機完成打捆操作→啟動裝置→轉(zhuǎn)臂旋入(旋轉(zhuǎn)油缸推出)→轉(zhuǎn)臂到位后，壓板壓緊(壓緊油缸推出)→壓板壓力達到設(shè)定壓力值后，壓板退回(壓緊油缸收回)→壓板退回到位后，轉(zhuǎn)臂旋出(旋轉(zhuǎn)油缸收回)→轉(zhuǎn)臂旋出到位后，裝置停止。

本次設(shè)計中，考慮機旁和集中操作兩種方式，可以進行一鍵操作，也可點動操作。并考慮機旁優(yōu)先級，以實現(xiàn)在現(xiàn)場檢修時，機旁箱能完全控制裝置的操作，避免誤操作。同時，為避免在拍打過程中兩端拍打板動作不一致，在液壓系統(tǒng)中采用一套進油路，分兩路分別引入到拍打板油缸，實現(xiàn)拍打時受力均衡。并嚴(yán)格根據(jù)實際使用情況，設(shè)定最大拍打力，防止裝置使用時對鋼卷造成不必要的損傷。

圖3 熱軋線塔形卷塔形消除裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 受力分析及計算

塔形消除裝置中活動部件主要受到壓緊工作時塔形卷給予的拍打反力，轉(zhuǎn)臂旋入、旋出時轉(zhuǎn)臂重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。分三種狀態(tài)進行分析。

1)待令位，受到轉(zhuǎn)臂部件重力的轉(zhuǎn)矩作用(受力簡圖見圖4)

圖4 待令位受力簡圖(單位:kN，mm)

此時，左右轉(zhuǎn)臂部件的重力產(chǎn)生對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，因為左轉(zhuǎn)臂部件由旋轉(zhuǎn)油缸進行支撐，所以，右轉(zhuǎn)臂部件的重力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭矩T12。

式中 T12—待令位轉(zhuǎn)軸的扭矩，N·m;

F12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件對轉(zhuǎn)軸的力臂，m。

同時，要驅(qū)動裝置中的轉(zhuǎn)臂部件實現(xiàn)旋入，旋轉(zhuǎn)油缸要產(chǎn)生推力F1q來克服轉(zhuǎn)臂部件重力產(chǎn)生的力矩M1b。

式中 M1b—待令位轉(zhuǎn)臂部件對轉(zhuǎn)軸的力矩，N·m;

F11—待令位左轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L11—待令位左轉(zhuǎn)臂部件對轉(zhuǎn)軸的力臂，m;

F12—待令位右轉(zhuǎn)臂部件的重力，N;

L12—待令位右轉(zhuǎn)臂對轉(zhuǎn)軸部件的力臂，m;

μ—滑動軸承半干摩擦系數(shù)，取為0.25。

式中 M1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸對轉(zhuǎn)軸的力矩，N·m;

F1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸產(chǎn)生的推力，N;

L1q—待令位旋轉(zhuǎn)油缸推力的力臂，m;

Px—旋轉(zhuǎn)油缸工作油壓，MPa;

d1—旋轉(zhuǎn)油缸的油缸直徑，mm。

經(jīng)計算，M1q＞M1b，所以，旋轉(zhuǎn)油缸缸徑滿足要求。

2)壓緊工作位，鋼卷給予的壓緊反力以及轉(zhuǎn)臂部件的轉(zhuǎn)矩(受力簡圖見圖5)。

圖5 壓緊工作位受力簡圖(單位:kN，mm)

此時，壓板受到鋼卷給予的壓緊反力，最大壓緊反力按55kN 進行計算。轉(zhuǎn)臂受到的壓緊反力F2b的作用，由壓緊油缸傳遞到轉(zhuǎn)臂上，使轉(zhuǎn)臂承受彎扭。

轉(zhuǎn)軸在壓緊反力的作用下，受到拉力F21和彎矩M21;同時，由于右轉(zhuǎn)臂的重力作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的扭矩T22。此時，轉(zhuǎn)軸的受力，既有彎矩又有扭矩;并且還有拉力，該拉力作用在轉(zhuǎn)軸與鞍座連接的滑動軸承軸肩上。

3)壓緊結(jié)束后，油缸桿收回驅(qū)動轉(zhuǎn)臂部件旋出工作位(受力簡圖見圖6)。

此時，油缸要產(chǎn)生拉力F2q，克服轉(zhuǎn)臂部件重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)臂部件回位。

其中:M2b=1.3×(F21×L21+F22×L22)×(1+μ);

式中代號參照公式(2)、(3)。

算得，M2q＞M2b，所以，旋轉(zhuǎn)油缸桿徑滿足要求。

圖6 轉(zhuǎn)臂部件旋出工作位受力簡圖(單位:kN，mm)

5 主要零件強度校核

5.1 轉(zhuǎn)軸強度校核

裝置在不同狀態(tài)下，轉(zhuǎn)軸的受力不同。

1)在待令位時

轉(zhuǎn)軸主要受到右轉(zhuǎn)臂部件的重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T12。可以使用扭轉(zhuǎn)強度進行直徑核算［3］。

式中 d—軸端直徑，mm;

T—轉(zhuǎn)軸承受的轉(zhuǎn)矩，N·m;

τp—許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，按手冊取為45MPa。

算得d=105mm，即最小軸徑為105mm。

設(shè)計的轉(zhuǎn)軸中最小軸段直徑為140mm，在該截面計算所得最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τmax=17MPa，計算安全系數(shù)S=2.65 ＞Sp=2.5，故滿足要求。

2)在工作位時

轉(zhuǎn)軸受到拉伸、彎矩和扭矩的作用，其中拉伸力對軸強度影響較小，可不考慮，所以使用彎扭合成強度進行核算。

(1)按彎扭合成強度計算

式中 M—軸在計算截面所受彎矩，N·m;

T—軸在計算截面所受扭矩，N·m;

ψ—校正系數(shù)，單向旋轉(zhuǎn)，取為0.6;

σ－1p—軸的許用完全壓力，按手冊選取。

計算d =167mm，即在與轉(zhuǎn)臂部件聯(lián)接段最小軸徑為167mm。設(shè)計中取該段軸徑為200mm，采用圓形平鍵鍵45 ×25 ×250 進行聯(lián)接傳動。

(2)按靜強度安全系數(shù)校核

運用該方法校驗軸對塑性變形的抵抗能力，即校核危險截面的靜強度安全系數(shù)。通過分析得出危險截面，并分別進行校核，經(jīng)計算，危險截面靜強度滿足要求。

由以上計算可知，轉(zhuǎn)軸設(shè)計滿足要求。

5.2 滑動軸承校核

轉(zhuǎn)軸與鞍座間的聯(lián)接由滑動軸承來完成，轉(zhuǎn)軸運行過程中的轉(zhuǎn)速較低，通過對裝置的受力分析，應(yīng)對壓緊工作狀態(tài)時，滑動軸承的壓力強度及軸肩的載荷進行校核。

1)壓緊工作狀態(tài)下，滑動軸承的壓力強度校核

通過受力分析，在壓緊工作狀態(tài)下，滑動軸承的受力為彎矩作用，經(jīng)簡化，可以視為在滑動軸承上承受P，受力簡圖見圖7。

圖7 滑動軸承在壓緊工作狀態(tài)的受力簡圖

滑動軸承的壓力強度按以下公式計算。

式中 p—軸承壓強，MPa;

P—軸承徑向載荷，N;

d、B—軸頸的直徑和工作寬度，mm;

pp—許用壓強，MPa，由機械設(shè)計手冊查得。

算得，p =7. 9MPa ＜pp=8MPa，故軸承選用合理。

2)壓緊工作狀態(tài)下，滑動軸承軸肩承受的軸向荷載校核

在該狀態(tài)下，軸承承受的最大徑向載荷P =322162N，經(jīng)計算軸承承受的軸向載荷為Pz=55000N，Pz=0.17P ＜0.3P，所以軸向荷載在安全范圍內(nèi)。

6 有限元分析

6.1 分析模型的建立

根據(jù)初步設(shè)計的結(jié)果，采用SolidWorks 軟件對裝置進行三維建模，裝置模型如圖8。

6.2 材料數(shù)據(jù)

材料模型類型:線性彈性同向性。根據(jù)零件的具體普通碳素鋼、合金鋼等材料進行加載。

圖8 塔形消除裝置實體模型

6.3 仿真分析

在前處理軟件中，將材料特性、邊界約束條件進行定義，再用FEE 結(jié)算器(迭代)求解，將求解結(jié)構(gòu)再調(diào)入前處理軟件進行結(jié)果后處理。

6.3.1 鞍座

鞍座采用普通碳素鋼，底板添加固定約束，斜面添加載荷壓力150kN，即最大鋼卷重量30t，進行網(wǎng)格劃分后，仿真分析鞍座應(yīng)力分布。見圖9。

圖9 鞍座應(yīng)力分布

6.3.2 底座

在底板添加固定約束，在上聯(lián)接面添加載荷壓力200kN，即最大鋼卷重量30t，并且計算鞍座及轉(zhuǎn)軸等重量，劃分網(wǎng)格后，仿真分析應(yīng)力分布。見圖10。

6.3.3 轉(zhuǎn)臂

轉(zhuǎn)臂油缸聯(lián)接面施加壓力55kN，即最大壓緊反力55kN，在聯(lián)接面添加固定約束，劃分網(wǎng)格后，仿真分析應(yīng)力分布。見圖11。

圖10 底座應(yīng)力分布

圖11 轉(zhuǎn)臂應(yīng)力分布

通過對原鞍座等部位在增加消除塔形裝置后的應(yīng)力進行有限元分析，表明強度沒有問題。

7 裝置特點

1)該設(shè)計方案充分考慮生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏，在卷取機末、運輸鏈前的工藝環(huán)節(jié)裝設(shè)，對整個工藝節(jié)奏的影響降到最小。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分考慮環(huán)境的要求，利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件做載體進行裝設(shè)，克服空間狹小的難題，采用簡單有效的結(jié)構(gòu)型式完成既定的功能設(shè)計。

3)該裝置制作簡單，操作便利，后期檢修維護方便。

4)因為可以借鑒的資料少，本著扎實耐用的原則進行設(shè)計，在裝置設(shè)計上偏保守，有待深入研究分析，結(jié)合現(xiàn)場使用的實際情況，在后期推廣中進行優(yōu)化。

8 結(jié)語

本次設(shè)計中，結(jié)合產(chǎn)權(quán)廠的工藝特點和生產(chǎn)要求，在卷取機后打捆機鞍座上進行裝設(shè)，存在空間狹小、難以布置的困難，通過利用已有的底座、鞍座，完成裝置的固定、聯(lián)接，從而實現(xiàn)預(yù)定的要求，具有較好的創(chuàng)新性。該裝置研制完成后，經(jīng)過現(xiàn)場安裝、調(diào)試，能順利完成拍打操作，能有效消除塔形卷的內(nèi)塔形，對鋼卷不會產(chǎn)生任何損傷，使用效果良好。

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