惠斯頓杠桿機(jī)構(gòu)在鋼管行業(yè)中的應(yīng)用

吳鵬飛，李敬波，竇茂科

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 ，陜西 寶雞 721008）

鋼管橫移裝置是在惠斯頓杠桿基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，由多列并行機(jī)構(gòu)所組成，它的作用是將管坯快速橫移至輸送輥道或?qū)⑤斔洼伒郎系墓芘骺焖僖扑椭僚_架，具有移送效率高、無沖擊、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。在轉(zhuǎn)動過程中，其上的托架開口始終向上，保持平動，這樣就避免了用翻料器翻鋼造成的管坯表面劃傷，保證鋼管的表面質(zhì)量。而旋轉(zhuǎn)熱鋸是在惠斯頓杠桿基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的周轉(zhuǎn)輪系，是將由電機(jī)驅(qū)動的鋸片裝在旋臂上，作與管坯運(yùn)動速度相等的圓周運(yùn)動。鋸片公轉(zhuǎn)的絕對角速度為零，合成運(yùn)動為平動，與往復(fù)式熱鋸相比，具有高效、快速、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種機(jī)構(gòu)在鋼管生產(chǎn)線上的得到了大力推廣和應(yīng)用。

1 在鋼管橫移裝置中的應(yīng)用

1.1 冷床下料移送裝置

寶雞石油鋼管公司專用管公司采用的冷床下料移送裝置布置于冷床臺架和輸送輥道之間，主要由電子控制部分、傳動部分、聯(lián)軸器、傳動軸和回轉(zhuǎn)臂等組成?；剞D(zhuǎn)臂固定在傳動軸上，由變頻電機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動傳動軸和回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動。電子凸輪控制器根據(jù)設(shè)備使用的工況要求，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臂速度的變頻控制。可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)接鋼、快速移鋼、平穩(wěn)放鋼和快速返回等循環(huán)過程。其平面布置圖如圖1所示。此裝置托架是以平動方式運(yùn)行的一種機(jī)構(gòu)。它主要由托架、鏈傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂、調(diào)節(jié)裝置和配重共同構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 冷床下料移送裝置平面布置圖

圖2 冷床下料移送裝置結(jié)構(gòu)簡圖

托架用來裝載鋼管，它和鋼管一起作平動。轉(zhuǎn)臂隨傳動軸轉(zhuǎn)動，向托架傳遞轉(zhuǎn)矩，并裝有鏈傳動機(jī)構(gòu)。鏈傳動機(jī)構(gòu)可以保證托架和鋼管保持平動而不隨轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，它由活動鏈輪，固定鏈輪，張緊裝置組成。調(diào)節(jié)裝置與固定鏈輪鉸接，作用主要是微調(diào)托架，保證托架垂直向上避免傾斜。配重可以使空載的轉(zhuǎn)臂保持平衡，并且在負(fù)載時抵消部分轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動時，鋼管被托架平穩(wěn)地托起并水平移動，固定鏈輪空套在傳動軸上，與調(diào)節(jié)裝置鉸接固定，并與活動鏈輪的相對傳動比i=1，使得活動鏈輪的絕對角速度為零，這樣就保證了在轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動過程中，與活動鏈輪固定聯(lián)結(jié)的托架始終保持豎直位置?；顒渔溳喭ㄟ^鏈條與固定鏈輪相聯(lián)接，由固定在轉(zhuǎn)臂上的鏈條張緊裝置使鏈條張緊。轉(zhuǎn)臂托起鋼管轉(zhuǎn)過一定角度后，再把鋼管放在輸送輥道上，這樣就完成了一個工作行程。

1.2 管坯運(yùn)動過程分析

托架和管坯作平動，其上各點(diǎn)的軌跡形狀相同，在每一瞬時，各點(diǎn)的速度相同，加速度也相同，因此，求剛體的運(yùn)動就轉(zhuǎn)化為求管坯中心點(diǎn)A的運(yùn)動。其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖3所示。

圖3 惠斯頓杠桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

設(shè)鋼管中心A點(diǎn)的坐標(biāo)為（XA，YA），速度為v，傳動軸角速度為ω，取XO1Y為直角坐標(biāo)系，則A點(diǎn)的運(yùn)動方程為

由（1）2+（2）2得軌跡方程為

式中：H=h+r，r為管坯的半徑。

由此可見，點(diǎn)A的軌跡是以O(shè)3（0，H）為中心，R為半徑的圓，其運(yùn)動軌跡如圖中雙點(diǎn)劃線所示。

速度在各坐標(biāo)軸上的投影等于動點(diǎn)的各對應(yīng)坐標(biāo)對時間的一階導(dǎo)數(shù)，則：

式中： ω=dβ/dt。

由式（4）和式（5）可知，A點(diǎn)的速度與回轉(zhuǎn)臂半徑和傳動軸轉(zhuǎn)速均成正比。當(dāng)β=0°時,此時vx=0， vy=ωR;當(dāng) β=180°， 此時 vx=0 ， vy=-ωR。 在托架托起鋼管和放下鋼管時，托架和管坯之間以及管坯和輥道之間都會產(chǎn)生碰撞，由于碰撞時間極短，根據(jù)動量定理，將出現(xiàn)很大的碰撞力，影響管坯的表面質(zhì)量。因此，就要求vy越小越好。也就是接鋼和放鋼時傳動軸的轉(zhuǎn)速越小越好。但又受到生產(chǎn)效率的限制，ω不能太小，為了解決這個矛盾，這就要求傳動軸在接鋼和放鋼時低速運(yùn)行，而在其它時間內(nèi)要求快速運(yùn)動。為此，根據(jù)工藝要求制定速度圖如圖4所示。

圖4 惠斯頓杠桿速度圖

由圖4可見，在冷床下料時,電機(jī)要經(jīng)歷拖動運(yùn)行和制動運(yùn)行兩個階段。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行工況可分為起動過程、接鋼過程、負(fù)載運(yùn)行過程、放鋼過程、空載運(yùn)行過程以及制動過程六個階段，可以用電氣控制很方便的實(shí)現(xiàn)這些要求。

1.3 剛體運(yùn)動的合成

將動系固結(jié)在轉(zhuǎn)臂上，設(shè)活動鏈輪的相對角速度ω1r和固定鏈輪的相對角速度ω2r分別繞O1，O2做定軸轉(zhuǎn)動，牽連角速度ω，兩輪的絕對角速度ω1，ω2，其方向如圖5所示。則

圖5 活動鉸鏈速度分析圖

式中： ω1=0， ω1r/ω2r=r2/r1=1， r1和 r2分別為固定鏈輪和活動鏈輪的半徑。

由上式可解出ω2=0，α2=0

即輪2（活動鏈輪）做平動，因而可保證托架開口始終處于豎直方向。

2 在超聲波探傷取管器中的應(yīng)用

寶雞住金石油鋼管有限公司生產(chǎn)線中的取管器布置在超聲波探傷設(shè)備與精整臺架之間，主要作用是將精整臺架上的管坯逐根快速橫向移送至超聲波前輸送輥道，然后將鋼管焊縫旋轉(zhuǎn)至朝上，以便進(jìn)行超聲波探傷。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 超聲波探傷取管器結(jié)構(gòu)簡圖

此裝置托架也是一種以平動方式運(yùn)行的機(jī)構(gòu)，其組成、工作原理和運(yùn)動分析與上述冷床下料移送裝置基本相同，區(qū)別在于后者是采用齒輪傳動的行星輪系，無張緊輪裝置，結(jié)構(gòu)較前者緊湊，外廓尺寸較小，中間齒輪齒數(shù)的多少并不影響傳動比的大小，而僅起著中間過渡和改變從動輪轉(zhuǎn)向的作用。

此裝置為周轉(zhuǎn)輪系中的行星輪系，固定齒輪1為太陽輪，齒輪2為中介輪，活動齒輪3為行星輪，轉(zhuǎn)臂為行星架H，這樣就構(gòu)成了具有固定輪的K-H型行星輪系。已知Z1=Z3，轉(zhuǎn)臂角速度為ωH， 則

式中固定鏈輪1固定ω1=0。

因轉(zhuǎn)臂角速度ωH≠0，所以，ω3=0。

這說明了行星輪 （活動齒輪）不轉(zhuǎn)動，而與固定于其上的托架一起只做平動。其次，行星輪具有自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與行星架轉(zhuǎn)速大小相等，方向相反。這與冷床下料移送裝置的結(jié)果完全吻合。

3 在旋轉(zhuǎn)熱鋸中的應(yīng)用

熱鋸有往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。前者是載鋸臺車與管坯以相同的速度移動，在移動中進(jìn)行切斷的一種鋸。切斷完成后，臺車后退到原位，以待下次切斷。而旋轉(zhuǎn)式熱鋸是將鋸片裝在鋸臂上，通過內(nèi)部帶有錐齒輪的行星輪系，使鋸片和電機(jī)始終做與鋼管軋制方向垂直的平動；同時，鋸臂與導(dǎo)輪都通過主電機(jī)驅(qū)動，因而能保證鋸臂與導(dǎo)輪的同步轉(zhuǎn)速。其與往復(fù)式熱鋸相比，具有投資小，效率高，占地面積小，可自動實(shí)現(xiàn)優(yōu)化切割等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)熱鋸結(jié)構(gòu)簡圖

此裝置主要由傳動部分，鋸臂、內(nèi)部周轉(zhuǎn)輪系、導(dǎo)輪及鋸片與電機(jī)等組成。通過底部三個錐齒輪將主電機(jī)的運(yùn)動分為兩路傳出，一路驅(qū)動導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動，一路驅(qū)動鋸臂轉(zhuǎn)動，這就保證了鋸臂與導(dǎo)輪具有相同的轉(zhuǎn)速。上部錐齒輪1（太陽輪）與前述鋼管橫移裝置用途相同，空套在軸上，其作用是通過調(diào)整此錐齒輪可對鋸片與電機(jī)的方向進(jìn)行微調(diào)，以保證鋸片始終與鋼管軋制線垂直。

對于由圓錐齒輪所組成的周轉(zhuǎn)輪系，此裝置為雙排錐齒輪外嚙合周轉(zhuǎn)輪系，齒數(shù)Z1=Z2=Z2’=Z3，鋸臂角速度為ωH，則鋸片的合成運(yùn)動為平動。

4 結(jié) 語

（1）通過對寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管橫移裝置和旋轉(zhuǎn)熱鋸的組成原理和運(yùn)動過程的研究分析可知，這些機(jī)構(gòu)都是由惠斯頓杠桿機(jī)構(gòu)演化而來，都具有轉(zhuǎn)臂和微調(diào)裝置，較步進(jìn)梁式鋼管橫移裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易于維護(hù)。

（2）鋼管橫移裝置無論是從低位移動到高位或由高位到低位移動，都能夠在保證管坯表面質(zhì)量的前提下平穩(wěn)、迅速、準(zhǔn)確地橫移管坯，而且能夠減少噪聲，改善工作環(huán)境。旋轉(zhuǎn)熱鋸能夠?qū)崿F(xiàn)在線鋼管的切頭、尾和定尺切割功能，控制過程自動、靈活，可根據(jù)母管長度自動優(yōu)化切割，因而在制管和棒材生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用。

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