1580 mm運(yùn)輸線步進(jìn)梁改造設(shè)計

周治宇 王 勇 汪建國

(馬鋼集團(tuán)設(shè)計研究院責(zé)任有限公司，安徽230000)

1580 mm熱軋鋼卷運(yùn)輸線是馬鋼股份第四鋼軋總廠的一條熱軋生產(chǎn)線，成品庫有兩臺步進(jìn)梁，位于卸卷臺架和鋼卷運(yùn)輸線之間，其主要作用是將鋼卷從卸卷臺架上卸下后，運(yùn)送至打捆位打捆，打捆完成后，將鋼卷輸送到位于運(yùn)輸輥道上的鋼卷托盤上，針對這兩臺步進(jìn)梁中原運(yùn)行中的問題進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)措施。

1 原步進(jìn)梁問題探討

1.1 步進(jìn)梁動梁的動作過程

步進(jìn)梁動梁動作分橫移動作和升降動作，分別由橫移液壓缸和升降液壓缸驅(qū)動。當(dāng)卸卷臺架放上鋼卷時，橫移液壓缸伸出，動梁的一端由起始位移至鋼卷下，然后升降液壓缸推著動梁提升，鋼卷被抬離卸卷臺架，提升到位后，橫移液壓缸縮回，動梁帶著鋼卷前進(jìn)一個步距，到位后升降液壓缸下降，將鋼卷放在固定鞍座上。反復(fù)動作，將鋼卷一步一步輸送前進(jìn)。

1.2 原步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)

原步進(jìn)梁是由兩個橫移小車分別各支承一個升降液壓缸，垂直頂升動梁完成步進(jìn)梁的提升動作，橫移液壓缸推動動梁完成步進(jìn)梁的橫移動作。這種橫移小車形式的步進(jìn)梁設(shè)計在運(yùn)行過程中存在車輪跑偏、啃軌及升降液壓缸易損壞的情況。當(dāng)液壓缸損壞時，更換備件也極為麻煩，需要將整個動梁吊出，才能進(jìn)行液壓缸的更換。原步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 問題分析

由于原步進(jìn)梁升降液壓缸垂直作用于動梁底部，兩個升降液壓缸缸桿的扁頭完全受鋼卷與動梁的載荷，受力較大；同時動梁在上升至高點(diǎn)位置時，升降液壓缸缸桿伸出位置大，橫移液壓缸作用于動梁上時，此時對升降液壓缸缸桿有一個力矩，使圖2中A處形成一定角度，損壞液壓缸缸桿底部的密封，從而導(dǎo)致液壓缸損壞。

1—固定鞍座 2—橫移小車 3—升降液壓缸 4—動梁 5—拖鏈 6—卸卷臺架 7—橫移液壓缸圖1 原步進(jìn)梁圖Figure 1 The former walking beam

圖2 原步進(jìn)梁油缸密封損壞分析圖Figure 2 Analysis on the former walking beam oil cylinder seal damage

2 步進(jìn)梁的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

為改變原來步進(jìn)梁缸的受力情況，現(xiàn)采用一種由兩個四連桿機(jī)構(gòu)組成的步進(jìn)梁，改進(jìn)后的步進(jìn)梁如圖3所示。四連桿機(jī)構(gòu)的步進(jìn)梁具有良好的分散液壓缸受力的特點(diǎn)，甚至在連桿與梁垂直位置時，理論上液壓缸不受其推力?？梢院芎玫馗纳屏嗽狄簤焊资芰^大的情況，同時避免了升降液壓缸密封受損的情況；如若需要更換缸，由于兩個四連桿機(jī)構(gòu)由中間連桿連接，保證一個缸也可以保持平衡，無需再將梁重新吊出，減少了更換缸的工作。

圖3 改進(jìn)后的步進(jìn)梁圖Figure 3 Improved walking beam

改進(jìn)后步進(jìn)梁升降液壓缸參數(shù)：缸徑250 mm；桿徑180 mm；行程950 mm；壓力25 MPa。

橫移液壓缸(利舊)參數(shù)：缸徑200 mm；桿徑140 mm；行程4000 mm；壓力25 MPa。

2.1 升降液壓缸受力分析

(1)動梁自重與所有鋼卷的重量之和為FN，兩組升降液壓缸中動梁的理論設(shè)計受力點(diǎn)中兩組液壓缸受力均衡，受力分別約為0.5FN。

(2)圖4為升降液壓缸一中間位置，升降系統(tǒng)中，與動梁連接的連桿一、連桿二和升降液壓缸均受到來自動梁的壓力，分析升降液壓缸在此位置所受壓力的公式即可得到升降液壓缸所需的推力，從而選擇相應(yīng)的液壓缸。

1—橫移液壓缸 2—動梁 3—連桿一 4—下連桿 5—連桿二 6—升降液壓缸 7—中間連桿圖4 步進(jìn)梁一個升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Figure 4 A lift system structure of walking beam

(3)升降過程的動態(tài)分析中，已知連桿一與水平面夾角為α，升降液壓缸與水平面的夾角為β，可以單獨(dú)對動梁或者下連桿進(jìn)行受力分析，求出升降液壓缸在此動態(tài)位置所需要的推力。

以動梁單獨(dú)分析為例。

動梁總共受到了四個力：連桿一所受壓力的反力F1；連桿二所受壓力的反力F2；升降液壓缸推力的反力F3；動梁與鋼卷的重力FN/2。這四個力平衡組成力學(xué)三角形，根據(jù)正弦定理得出：

故有升降液壓缸理論推力公式：

2.2 升降液壓缸所需推力

根據(jù)動梁與連桿的設(shè)計尺寸，連桿一與水平面夾角α與升降液壓缸與水平面的夾角β間存在一個與梁各個尺寸相關(guān)的關(guān)系公式。改進(jìn)步進(jìn)梁最大負(fù)荷的是四個鋼卷，每個鋼卷直徑最大2100 mm，單重約40 t，動梁自重26 t，總重FN=186 t，取FN=200 t，最終獲得理論推力計算結(jié)果見表1。

表1 升降液壓缸理論推力計算結(jié)果Table 1 Theoretical thrust calculation results of lift hydraulic cylinder

由此發(fā)現(xiàn)當(dāng)取FN=200 t時，原結(jié)構(gòu)單個升降液壓缸所需推力約100 t，而改用四連桿機(jī)構(gòu)后，在初始位置時，升降液壓缸所受推力最大約67 t；隨著動梁的提升，升降液壓缸推力逐漸衰減，最后下降為零，大大改善了缸的受力情況。

2.3 動梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

動梁在最高點(diǎn)時可以簡化為如圖5所示。

圖5中動梁的受力擁有四個支點(diǎn)，無法用簡支梁求解，所得到的平衡表達(dá)式(1)為：

圖5 動梁在最高點(diǎn)受力圖Figure 5 Force of moving beam at the highest point

F1+F2+F3+F4=40×4+40
F1×2740+F2×4540+F3×8540+F4×10440=
40×(775+4775+6775+8775+12775)

平衡表達(dá)式數(shù)量小于求解的支座反力數(shù)量，是一個超靜定問題，下面對此求解。

根據(jù)撓度求超靜定梁支反力，上述梁受力點(diǎn)多，可將其轉(zhuǎn)化為三種結(jié)構(gòu)，依次求每種結(jié)構(gòu)在支點(diǎn)F2與支點(diǎn)F3的撓度。

(1)結(jié)構(gòu)一

動梁結(jié)構(gòu)一如圖6所示，此梁有撓度公式：

圖6 動梁結(jié)構(gòu)一Figure 6 The first moving beam structure

式中，M1=-40×1965；M2=-40×2435；l=7600 mm；ξ=x/l。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式得出：

EIf1(1800)=-454 980 140 800

EIf1(5800)=-472 137 171 200

(2)結(jié)構(gòu)二

動梁結(jié)構(gòu)二如圖7，此簡單梁有撓度公式：

圖7 動梁結(jié)構(gòu)二Figure 7 The second moving beam structure

其中l(wèi)=7600 mm；ξ=x/l；ζ=(l-x)/l。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式得出：

EIf2(1800)=570 957 218 882

EIf2(5800)=578 045 000 285

(3)結(jié)構(gòu)三

動梁結(jié)構(gòu)三如圖8所示，結(jié)構(gòu)三與結(jié)構(gòu)二公式雷同，只需將撓度取結(jié)構(gòu)二中公式的相反數(shù)，故有：

圖8 動梁結(jié)構(gòu)三Figure 8 The third moving beam structure

EIf3(1800)=4 803 321 600F2+3 680 467 200F3EIf3(5800)=3 680 467 200F2+4 803 321 600F3

由于支點(diǎn)的撓度為零，所以有：

EIf1(1800)+EIf2(1800)+EIf3(1800)=0

EIf1(5800)+EIf2(5800)+EIf3(5800)=0

由平衡表達(dá)式(1)解出：

F1=79.8 t；F2=17.6 t；F3=7.6 t；F4=95 t。

根據(jù)梁的所有力做出相應(yīng)剪力圖與彎矩圖(見圖9)。從圖9可知在A處彎矩最大，為：

圖9 動梁的剪力圖與彎矩圖Figure 9 Shear force and bending moment of moving beam

MA=40×10000×2435×10-3=9.74×105N·m

設(shè)計結(jié)構(gòu)中梁截面(見圖10)的抗彎截面系數(shù)為：

圖10 動梁的截面圖Figure 10 Section of moving beam

WX=(BH3-bh3)/6H=6.26×107mm3

[σ]=MA/WX=15.6 MPa<[σp]，梁的截面滿足強(qiáng)度條件。

3 結(jié)語

通過將步進(jìn)梁升降液壓缸的作用形式改為四連桿機(jī)構(gòu)，解決了原先升降液壓缸易損壞不易更換的問題，目前此改造設(shè)計已投入使用，效果良好，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計的目的。