步進(jìn)梁工作穩(wěn)定裝置設(shè)計與研究

吳修文 吳 虹 魏 超

(馬鋼集團(tuán)設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽243000)

平整生產(chǎn)線是冷軋廠非常關(guān)鍵的生產(chǎn)線，其中入口段鋼卷步進(jìn)梁承擔(dān)向生產(chǎn)線方向運輸鋼卷的工作，根據(jù)生產(chǎn)線工藝要求，步進(jìn)梁步進(jìn)需要快節(jié)奏、高產(chǎn)量運行，故該機組步進(jìn)梁負(fù)荷較大，工作頻率較高，而步進(jìn)梁工作穩(wěn)定狀況直接影響到生產(chǎn)安全及產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著投產(chǎn)時間的增加，某鋼鐵廠冷軋平整線入口步進(jìn)梁的許多關(guān)鍵設(shè)備已進(jìn)入服役期末期，設(shè)備精度和功能已無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，如運行速度降低，連接件的嚴(yán)重磨損等。因此針對入口步進(jìn)梁的現(xiàn)有問題提出切實可行的設(shè)計改造方案尤為重要。

因此，我們從結(jié)構(gòu)、安裝等方面分析了現(xiàn)有步進(jìn)梁的工作穩(wěn)定問題，提出合理解決方案，設(shè)計出工作穩(wěn)定裝置，最終實踐驗證了設(shè)計裝置的可靠性。

1 步進(jìn)梁基本參數(shù)及機械運動原理

1.1 步進(jìn)梁基本參數(shù)

步進(jìn)梁初始設(shè)計基本參數(shù)見表1。

表1 步進(jìn)梁初始設(shè)計基本參數(shù)Table 1 Original design basic parameters of walking beam

1.2 步進(jìn)梁機械運行原理

該入口步進(jìn)梁由固定梁、V型固定鞍座組、動梁、提升裝置、橫移裝置、同步連桿、行走車輪組等部件組成，改造前步進(jìn)梁總圖如圖1所示。其中動梁由兩部分動梁通過連接板和螺栓聯(lián)接，提升裝置包括兩組提升油缸，提升油缸作用在四組行走車輪組的同步連桿上，使行走車輪組同進(jìn)同退。通過橫移油缸的往復(fù)運動，橫移裝置將運載鋼卷的動梁運輸?shù)絅o.10工位的運輸小車上，最終實現(xiàn)連續(xù)運輸鋼卷。

2 步進(jìn)梁存在的問題及分析

由于平整線步進(jìn)梁工位為10個，最大鋼卷是30 t，運輸鋼卷載荷較大，初始設(shè)計時的動梁總重32 t，油缸缸徑和桿徑較大，長時間的高負(fù)載運輸，導(dǎo)致鋼卷重心偏離動梁中心線，針對現(xiàn)場步進(jìn)梁進(jìn)行10個位置跑偏檢測，檢測結(jié)果見表2，顯示動梁在前進(jìn)方向的重合度嚴(yán)重偏差。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50386—2016《軋機機械設(shè)備工程安裝驗收規(guī)范》中針對步進(jìn)梁式輸送機安裝允許誤差：動梁在前進(jìn)方向重合度在1 mm/m范圍內(nèi)為合理范圍，表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，動梁在前進(jìn)方向重合度偏差為1～3 mm/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

1—提升裝置 2—連桿裝置 3—固定梁 4—動梁 5—V型鞍座 6—行走車輪組 7—中間聯(lián)接裝置 8—橫移裝置 9—中間連桿 10—三角鎖機構(gòu)圖1 改造前步進(jìn)梁總圖Figure 1 General layout of walking beam before renovation

表2 對步進(jìn)梁進(jìn)行跑偏檢測結(jié)果Table 2 Deviation testing results of walking beam

1—螺栓松脫 2—鍵斷裂 3—中間間隙增大圖2 改造前中間聯(lián)接實物圖Figure 2 Middle connection material before renovation

如圖2，現(xiàn)有的兩端動梁中間的聯(lián)接部分，改造前中間聯(lián)接采用螺栓、鍵和銷軸剛性聯(lián)接，在實際工作中，由于兩組提升裝置的提升油缸比例電磁換向閥之間的響應(yīng)特性差異，難以保證兩段動梁真正上下同步[1]，并且兩段動梁端面間隙是70 mm，超過設(shè)計合理范圍(40 mm)，螺栓及鍵長時間受剪力，磨損斷裂，有可能會落卷，所以連接裝置需要頻繁更換，每次停產(chǎn)更換需要大量時間，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。

在橫移油缸的作用下，四組行走車輪組沿軌道運動，當(dāng)鋼卷重心偏離動梁中心線時，鋼卷重力會造成動梁兩側(cè)承受力不均，使動梁承受偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，該偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩并無任何對應(yīng)的平衡措施[2]。同時，如果動梁上10個工位沒有在滿卷工況下，鋼卷重力對動梁車輪組會產(chǎn)生傾翻力矩，原車輪組上三角鎖結(jié)構(gòu)中固定螺栓經(jīng)常松落，根本起不到平衡力矩作用，而車輪組上方?jīng)]有上壓裝置平衡力矩，所以在動梁運輸鋼卷時，力矩被放大，就是所謂的“翹頭”，有極大的安全隱患。

由于存在以上影響穩(wěn)定運行的問題，根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行速度數(shù)據(jù)采集，動梁橫移速度只有約50 mm/s，提升鋼卷速度約70 mm/s，只有動梁橫移速度和提升鋼卷速度下調(diào)得非常慢，才能保證鋼卷運輸?shù)陌踩?，所以現(xiàn)有步進(jìn)梁的工作效率往往不能滿足生產(chǎn)需求。

3 改進(jìn)方案及設(shè)計穩(wěn)定裝置

針對以上步進(jìn)梁現(xiàn)有問題及原因，盡量減少改造費用和結(jié)構(gòu)，作出圖3所示改進(jìn)方案。

1—耐磨銅板 2—兩側(cè)耐磨軸承滾輪 3—上壓裝置預(yù)埋板 4—上壓裝置 5—中間活動鉸接裝置 6—耐磨銅板 7—兩側(cè)耐磨軸承滾輪 8—滾輪裝置預(yù)埋板 9—植筋螺栓 10—上壓裝置預(yù)埋板 11—上壓裝置圖3 改造后設(shè)計穩(wěn)定裝置總圖Figure 3 General layout of designed stabilizing device after renovation

3.1 動梁兩側(cè)增加耐磨軸承滾輪

由于動梁在前進(jìn)方向重合度的嚴(yán)重偏差，在動梁兩側(cè)增加雙面滑板，但實踐運用中，由于長距離重載運輸，兩滑板會出現(xiàn)線面滑動，磨損嚴(yán)重，多次出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。為此，在動梁兩側(cè)設(shè)計兩組穩(wěn)定裝置，即耐磨軸承滾輪，其裝配圖見4，包括動梁側(cè)面耐磨銅板、鋼滾輪、成對調(diào)心滾子軸承、墊片組及安裝座。通過沉孔螺栓將耐磨銅板安裝在動梁側(cè)面焊接板上，并在側(cè)面混凝土坑壁植筋螺栓，預(yù)埋鋼板安裝在螺栓上?，F(xiàn)場安裝時，定好位后，將滾輪安裝座焊接在預(yù)埋鋼板上，并通過墊片組調(diào)整與動梁側(cè)面耐磨銅板合理間隙，當(dāng)動梁橫移運動時，滾輪在耐磨板上滾動摩擦，當(dāng)動梁提升運動時，滾輪在耐磨板上下滑動摩擦。

滾輪受力分析見圖5。橫移油缸推力F1作用下，鋼卷重心偏離中心線，產(chǎn)生對滾輪的徑向力F2，根據(jù)力矩平衡原理：

F1×275=F2×1860

666.4×275=F2×1860

F2=98.5 kN

安全系數(shù)為k=1.5，得出單個滾輪最大徑向力為F=166.6 kN，滾輪內(nèi)的調(diào)心滾子軸承承受徑向載荷Cr=421.4 kN，滿足要求。

在增加了軸承滾輪穩(wěn)定裝置后，再次進(jìn)行10個位置跑偏檢測，發(fā)現(xiàn)動梁在前進(jìn)方向的重合度控制在±1 mm/m內(nèi)，跑偏量明顯下降，有效解決了動梁跑偏問題。同時，實踐發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)生卡頓和磨損嚴(yán)重情況。

3.2 更換中間活動鉸接裝置

修復(fù)動梁端面，設(shè)計安裝可滑動中間鉸接裝置，如圖6。中間鉸接裝置包括連接軸、平擋圈型滾輪軸承、兩側(cè)銅板、墊片組、連接螺栓等。在不改變動梁整體結(jié)構(gòu)情況下，將原中間剛性聯(lián)接裝置去除，并加工端面，焊接中間鉸接裝置安裝座，焊后校正整形后，通過墊片組調(diào)整滾輪軸承在滑道內(nèi)的間隙，當(dāng)動梁提升運動時，滾輪軸承可在軌道中滾動，補償由于比例換向閥響應(yīng)特性的差異造成的不同步問題。

如圖7，對改造后設(shè)計穩(wěn)定裝置進(jìn)行Inventor三維仿真設(shè)計。經(jīng)過仿真設(shè)計和現(xiàn)場實踐，證明該裝置有效，降低了備件消耗，提高了機組生產(chǎn)效率。

1—前動梁焊接架 2—螺栓 3—滑板 4—平擋圈型滾輪軸承 5—連接軸 6—安裝座 7—滑動座 8—墊片組 9—后動梁焊接架圖6 中間鉸接裝置Figure 6 Middle hinge device

圖7 改造后設(shè)計穩(wěn)定裝置三維仿真Figure 7 3D simulation of designed stabilizing devic after renovation

與此同時，去掉分段動梁下兩組車輪組之間的剛性連接連桿，保證了動梁中間增加的活動鉸接裝置自由運行。

3.3 增加車輪組上壓裝置

在原四組車輪組上，增加四組上壓裝置，約束向上自由度。在兩側(cè)混凝土坑壁上植筋螺栓，每組上壓裝置中包括5件預(yù)埋鋼板，支柱焊接在預(yù)埋鋼板上，支柱安裝螺栓孔為U型孔，可以調(diào)整壓軌與車輪端面橫向距離，并通過上下墊片組調(diào)整上壓軌道與車輪面間隙，合理設(shè)計配合面間隙，使動梁在運輸鋼卷中平衡了大部分鋼卷對車輪組的傾翻力矩。同時，去掉車輪組下方的三角鎖結(jié)構(gòu)，簡化結(jié)構(gòu)，提高了維護(hù)效率。

4 結(jié)語

根據(jù)該平整線入口步進(jìn)梁存在的問題進(jìn)行分析研究，提出合理的改造方案，設(shè)計出穩(wěn)定裝置，包括動梁兩側(cè)增加耐磨軸承滾輪，更換分段步進(jìn)梁中間活動鉸接裝置，增加車輪組上壓裝置，該方案實用性強，實踐驗證，穩(wěn)定裝置更合理、可靠，也提高了油缸運行的流量和速度，保證了生產(chǎn)線長期高效穩(wěn)定運行。