關于擠壓后部冷床系統(tǒng)中電機的選型與研究

陳兆兵 江業(yè)東 趙鑫 李鐵軍 孫良龍

[摘 ? ?要 ]鋁型材擠壓生產(chǎn)線中冷床系統(tǒng)的結構較為簡單，電機選型等關鍵點往往被忽略。通過跟蹤現(xiàn)場冷床系統(tǒng)中電機的使用情況，結合理論設計，對電機選型中參數(shù)選擇給出合理建議。同時在結構設計中，通過優(yōu)化電機布局結構來縮小軸的直徑，從而達到降低成本的目的。

[關鍵詞]冷床系統(tǒng);電機功率;參數(shù)確定;布局結構

[中圖分類號]TP273; TP393 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The structure of cooling bed system in aluminum extrusion production line is relatively simple， and the key points such as motor selection are often ignored. By tracking the use of the motor in the cooling bed system and combining with the theoretical design， reasonable suggestions are given for the selection of parameters in the motor selection. At the same time， in the structural design， through optimizing the motor layout structure to reduce the diameter of the shaft， so as to achieve the effect of reducing the cost.

[Keywords]cooling bed system; Motor power; Parameter determination; layout structure

鋁型材擠壓生產(chǎn)線主要由擠壓前處理設備、擠壓機以及擠壓機后部輔助設備組成。擠壓機擠出型材，經(jīng)過運輸系統(tǒng)運送至其他設備進行加工。此裝置因兼有運輸與冷卻的作用，通常稱為冷床系統(tǒng)。冷床系統(tǒng)中橫向運輸裝置稱之為挑料。運輸方式主要為輸送帶輸送。冷床系統(tǒng)分為出料輥道挑料、冷床平臺、過橋裝置、儲料冷床、鋸前輥道挑料和鋸后輥道挑料。本文通過監(jiān)測現(xiàn)場工作中的電機參數(shù)，并與理論設計結果進行對比，確定電機功率參數(shù)。同時通過優(yōu)化設計結構來降低設備成本，提高效益。

1 減速機電機功率的確定

冷床系統(tǒng)動力源為減速機，減速機通過鏈輪鏈條將動力傳動給通軸。通軸上與每根挑料梁對應位置均配有一個鏈輪，與挑料梁鏈輪組成二級傳動。挑料梁主動輪與從動輪、輸送帶共同組成了輸送機構對型材進行橫向輸送，挑料裝置如圖1所示。

冷床系統(tǒng)在運料過程中，電機克服毛氈帶與鋁梁之間的摩擦力做功。所以負載功率可根據(jù)負載摩擦力與速度來確定。

以27.5 MN冷床系統(tǒng)出料挑料為例選擇減速機電機功率。出料挑料每次僅運送一根物料，每根物料運料重90 kg。毛氈帶與鋁的摩擦系數(shù)為0.22，運料速度定為0.28 m/s。電機計算功率為：P=K×P0/η，負載功率P0=Fv/1000，摩擦阻力F=μmg，鏈輪傳遞效率0.96，平帶傳遞效率0.98，則總效率η=0.903，工況系數(shù)K=1.6。經(jīng)過計算，電機功率為0.096 kW。以上為標準減速機選型方法。但是根據(jù)此方式選擇的減速機電機功率均不足，電機無法啟動。分析其原因，從設備結構上著手，冷床長度一般為20 ～50 m，通軸的長度同樣達到20 ～50 m，需要由數(shù)根軸組合在一起。這樣就會出現(xiàn)軸與軸之間不同軸的問題，在整個40 m長度上也會出現(xiàn)直線度偏差過大等問題，導致系統(tǒng)阻加大，耗費電機較多功率。尤其對于小機臺，該功率所占比例相當大。因此需要額外增加一個負載功率來保證設備的運轉。該功率大小的確定十分困難，無法從計算上獲取。因此通過對現(xiàn)場正在使用27.5 MN電機電流進行監(jiān)測，通過現(xiàn)場實際功率與計算功率進行對比，確定此參數(shù)的選擇。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

測試說明：測試時儲料平臺帶料2根，鋸前輥道挑料帶料3根，每根鋁型材為137 kg，鋸后輥道挑料型材定尺長6 m，帶料3根物料，重59.3 kg。

根據(jù)電流計算電機輸出功率：，結果見表2，按理論計算公式計算電機功率見表3。

根據(jù)以上對比可發(fā)現(xiàn)，設備本身的所耗費的功率遠遠要大于理論計算值。尤其小機臺非常明顯。而對于75 MN以上的大機臺所占比例較小。所以此數(shù)據(jù)不能單純用系數(shù)來確定。對于75 MN以下小機臺，在減速機選型時功率應在計算功率基礎上增加2～4 kW功率來選擇。而對于大機臺，可以在計算功率的基礎上乘2.5～4倍的系數(shù)。而此數(shù)與零部件制作，現(xiàn)場安裝等關系很大，可通過安裝調(diào)整來略降低功率，但無法完全避免。

2 電機布局結構的優(yōu)化

在以往常規(guī)設計中，電機的布局結構并沒有經(jīng)過詳細研究，全部設計為均勻布置，以求美觀、受力均勻。但是這樣布置并不合理。當處在最大米重時，型材最短，受力集中于前端，此時軸處在最大負載階段。在此種情況下以55 MN冷床為例對通軸進行分析（此分析過程不考慮前面論述需額外增加的功率）。

已知原料棒每根440 kg，型材最大米重50 kg/m。米重最大時型材長8.8 m，冷床最多可運送15根型材。設計最終運料速度為0.34 m/s。擠壓后型材長度，一共3臺減速機帶動，第一臺減速機距前端10 m，每臺減速機間距18 m。電機布置見圖2a）。

按前面方法計算負載功率P=5.32 kW。一共有3臺減速機帶動，所以每臺減速機輸出功率為：P=1.77 kW。減速機速度

26 r/min，減速機鏈輪齒數(shù)Z1=23，通軸鏈輪齒數(shù)Z2=21，則通軸速度r=28.48 r/min。負載扭矩T=9550×P/n=1785 N·m，每個鏈輪處扭矩T=595 N·m。簡化模型，分析軸扭矩分布，利用截面法分析A-A、B-B、C-C截面扭矩，三個截面分別為電機鏈輪前端。A-A扭矩M=1785 N·m，B-B扭矩M=1785-595=1190 N·m，C-C扭矩M=1190-595=595 N·m，如圖3所示。

計算彎矩，彎矩與鏈輪兩側軸承位置有關，兩側帶座軸承間距l(xiāng)=0.406 m，與兩端軸承座距離分別為a=0.132 m，b=0.274 m。鏈子型號10A-2-78，節(jié)距P1=15.875，按下列式計算彎矩：

優(yōu)化電機位置，將電機向前移動，第一個電機放在物料中間，見圖2b），在三處減速機位置分別取剖面，減速機右側軸負載為總負載的一半。那么利用截面法重新分析，電機輸出扭矩不變，截面前端負載為原負載一半，A-A截面M=892.5 N·m，B-B截面M=1785-595=1190 N·m，C-C截面M=1190-595=595 N·m。見圖3優(yōu)化后扭矩，可見最大扭矩出現(xiàn)在B-B截面，扭矩值為1190 N。彎矩不變，根據(jù)計算前面公式計算軸直徑d≈61 mm，由于軸上有鍵槽，直徑需增加5%，軸直徑至少為d=64 mm，由上面計算，可見電機的位置如果處在物料中間物料，那么最大危險截面轉為第二處電機前，最大扭矩值將下降。

3 結論

在擠壓機冷床系統(tǒng)設計中，對于減速機電機功率的選擇不能僅根據(jù)一般設計計算確定，而應該根據(jù)設備長度，機臺的大小額外增加一部分負載功率，如果機臺較小，該功率不能按負載的幾倍確定，而應直接增加2～3 kW。因為小機臺負載功率較小。而大機臺可適當提高倍數(shù)來確定電機功率。對于減速機的布局結構，可以進行優(yōu)化。合理的位置可以降低軸內(nèi)力，降低峰值扭矩。在同等的安全系數(shù)下，可適當縮減軸直徑。

參考文獻

[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2017.

[2] 吳錫坤.鋁型材加工實用技術手冊[M].長沙：中南大學出版社，2006.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.

[4] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2019.

[5] 韓文樹，胡駿鶴.方坯連鑄機冷床液壓系統(tǒng)故障分析與處理[J].江西冶金，2015，35（3）：23-25.

[6] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理.[M].北京：北京高等教育出版社，2013.

[7] 濮良貴.陳國定.吳立言.機械設計[M].北京：北京高等教育出版社，2013.

[8] 陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[9] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

[10] 魏軍.金屬擠壓機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.