一種矯直機換輥車設計方案

劉睿平　姚養(yǎng)庫　余濤　姜永濤　盧躍峰

摘 要：本文針對皮帶電機驅(qū)動形式以及液壓缸驅(qū)動形式的兩種統(tǒng)矯直機換輥小車在使用中存在的車輪打滑、更換檢修困難，影響換輥效率等問題，根據(jù)生產(chǎn)要求和現(xiàn)場工況，采用一種新的改進設計方案：采用齒輪齒條同步裝置，使換輥小車裝置在齒輪齒條機構作用下同步受力；同時將皮帶傳動機構改為電機與傳動軸直連的方式，避免采用皮帶傳動方式造成的皮帶輪磨損；其次在設計上將軸承座設計為一高一低結構形式，使得整體機構安裝及拆卸更加便捷，節(jié)省檢修維護時間。

關鍵詞：矯直機 換輥裝置 齒輪齒條機構

Design Scheme of Roller Changing Car of Straightening Machine

Liu Ruiping Yao Yangku Yu Tao Jiang Yongtao Lu Yuefeng

Abstract：In view of the problems of wheel slippage， replacement and maintenance difficulties， affecting the efficiency of roller changing in the use of two types of belt motor drive form and hydraulic cylinder drive form， this paper adopts a new improved design scheme according to production requirements and site conditions. The rack and pinion synchronization device is adopted to make the roller changing trolley device synchronously under the action of the rack and pinion mechanism. At the same time， the belt drive mechanism is changed to the direct connection between the motor and the drive shaft to avoid the wear of the pulley caused by the belt transmission method. The bearing housing is designed as a high and a low structure， which makes the installation and disassembly of the overall mechanism more convenient and saves maintenance time.

Key words：straightening machine， roller changing device， rack and pinion mechanism

1 前言

在中厚板生產(chǎn)線上，矯直機作為主要設備之一，用來保證帶材的平直度，避免帶鋼發(fā)生瓢曲、C翹等變形。隨著工藝提高，矯直機輥系在高速工作環(huán)境下，由于設計缺陷等原因，經(jīng)常造成工作輥輥面劃傷、軸承卡死等故障發(fā)生，所以必須經(jīng)常對矯直輥系進行更換。常見的矯直機換輥車經(jīng)過實際使用后發(fā)現(xiàn)，換輥小車車輪與軌道長期接觸后，車輪與軌道動摩擦因數(shù)減小，導致車輪空轉(zhuǎn)打滑；而采用液壓推桿的形式的換輥小車，雖然改進了車輪打滑動摩擦力不足的問題，但是液壓系統(tǒng)管道安裝復雜，空間受限，一旦漏油，不方便維護。隨著生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，生產(chǎn)線檢修很多時候需要在線進行，因此對矯直機換輥的方式必須進行改進，以確保生產(chǎn)線高效穩(wěn)定的運行。同時還要根據(jù)現(xiàn)場對矯直輥系換輥頻率，考慮換輥車的檢修維護的便捷性，目前國內(nèi)矯直機換輥車的設計在此方面還未給與足夠重視。

2 問題描述

2.1 結構形式

目前常見的換輥小車結構多選用以下兩種方案，如圖1，圖2所示：鞍鋼酸軋擠干輥換輥小車，及馬鋼1#彩涂拉矯機換輥車，驅(qū)動形式分別是電機帶動皮帶輪傳動和換輥車底部采用油缸伸縮驅(qū)動兩種結構形式：

皮帶傳動結構的換輥小車普遍存在的問題是皮帶輪通過電機驅(qū)動傳動輪，由于輥子與軌道基本是鋼對鋼滾動摩擦，使用一定時間后車輪與軌道表面會存有噴淋清洗造成的積液，以及潤滑油等殘留污漬，傳動軸在皮帶機構轉(zhuǎn)動下，車輪與軌道動摩擦因數(shù)減小。如圖3所示為皮帶輪傳動形式的結構布置圖，兩側(cè)車輪在工字鋼軌道的導向下不能同步運轉(zhuǎn)，導致?lián)Q輥車卡頓，同時皮帶輪傳動有彈性滑動，傳動效率較低和不能保持準確的傳動比，且皮帶壽命短，易磨損。

1.工字鋼軌道 2.車輪軸 3.車輪 4.V帶傳動5減速電機 6.本體與軌道間隙

采用小車底部靠油缸伸縮驅(qū)動小車運動的設計結構，其優(yōu)點是可直接避免車輪圓周運動導致的打滑，不同步等缺陷。但是這種油缸驅(qū)動的換輥小車，存在安裝難，檢修難，等缺陷，如圖4的結構簡圖可以看出，液壓推桿安裝在矯直機設備下方，液壓管路一旦配好后，灌漿后很難更換，一旦油缸漏油，檢修一次耗費大量人力，而且存在油缸啟停震動造成的兩側(cè)直線導軌精度下降，影響使用壽命。

若將兩種形式的換輥小車優(yōu)點結合起來且規(guī)避兩種換輥小車各自的缺點，既可以保證換輥車平穩(wěn)同步前進，又能保證拆裝簡單，便于維護，提高了換輥效率，操作工使用起來也更加方便快捷。

2.2 改進方案

根據(jù)以上普遍存在的問題，根據(jù)筆者工程經(jīng)驗，將矯直機結構小車傳動方式改為齒輪齒條同步機構設計形式，驅(qū)動機構中部采用齒輪齒條機構形式，驅(qū)動力全部由齒輪齒條法向力提供。齒輪齒條優(yōu)點在于精度高，同步性好，且允許輕微震動的工況；兩側(cè)設計為滾珠直線導軌形式，起導向作用，不再采用車輪傳動。這樣驅(qū)動力矩不再由車輪靜摩擦力提供，而是由齒輪齒條直接提供，徹底解決使用車輪動摩擦因數(shù)小而打滑的難題；且齒輪軸采用變頻減速電機直接控制，可以調(diào)整輥速及扭矩，既避免采用皮帶輪形式產(chǎn)生的皮帶磨損，以及定位、調(diào)整困難等問題，同時更方便減速電機的拆卸安裝，非常便于檢修、維護。新設計改進方案設計結構如圖5及圖6所示：序號1為傳動電機；序號2為傳動軸，序號3為軸承，矯直機輥盒車輪導軌；序號2為主傳動電機，驅(qū)動齒輪齒條直線運動；序號3為齒輪齒條同步機構；序號4為移動座，在電機驅(qū)動下整體移動；序號5為直線導軌起導向作用。換輥時，輥盒從矯直機機架內(nèi)抽出，落在換輥車兩側(cè)的軌道上，軌道兩側(cè)邊緣焊接若干導向板，方便輥盒的吊裝定位。換輥時，輥盒從矯直機機架內(nèi)抽出，降落在換輥車兩側(cè)的軌道上，軌道兩側(cè)邊緣焊接若干導向板，方便輥盒的吊裝定位；拆卸或更換軸承及齒輪齒條時，松開移動座與電機連接的螺栓，整體將傳動軸上的齒輪及軸承整體抽出來。此設計中的創(chuàng)新之處在于將軸承座設計為一高一低兩種形式，這樣高的軸承座設計有定位臺階方便定位，低位的軸承座是為了傳動軸整體安裝后直接能夠插入電機安裝孔，而避免與移動座干涉，操作工人更換檢修非常方便。

3 設計驗證

3.1 電機功率確定

如圖5，電機安裝在移動座4上面，移動座上與輥盒連接的固定銷座與輥盒通過銷軸連接，電機通過傳動軸直接帶動齒輪齒條轉(zhuǎn)動。已知矯直機換輥小車移動速度要求v=2m/min；矯直機本體重量約30t；矯直機輥盒車輪直徑d1=0.19m；得出車輪轉(zhuǎn)速：

根據(jù)電機功率計算公式：

考慮電機啟動扭系數(shù)，電機額定轉(zhuǎn)矩

電機額定功率：

實際輸出功率，根據(jù)結構方案，綜合考慮選用傘齒輪減速電機KAZ127DRN112M4 4kW;na=3.5r/min，M=1000N.m，速比i=140，fb=2.1。

輸出軸徑校核，根據(jù)45#鋼調(diào)質(zhì)后的需用剪切應力：

，則齒輪軸直徑d齒應滿足6.5mm

考慮單鍵槽情況，齒輪軸=70mm滿足設計要求。

3.2 齒輪齒條參數(shù)設定：

根據(jù)設計空間的限制，以及載荷模數(shù)的優(yōu)先級，預估齒輪分度圓直徑d=240mm。根據(jù)d=mz，初步設計齒輪齒條模數(shù)m=10mm，齒數(shù)z=24；根據(jù)小車本體與軌道之間間隙，齒輪寬度初步設計為B=80mm。電機額定扭矩：T=9216N/m，因為換輥頻率不高，初步選擇齒輪齒條45#鋼調(diào)質(zhì)處理。

3.2.1 強度校核

將選擇的材料及動載系數(shù)輸入計算機，模擬漸開線校核得出齒輪齒條齒面疲勞安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)齒面疲勞安全系數(shù)為0.6，（實際齒面安全系數(shù)＞0.8，齒根安全系數(shù)＞2），由于齒面安全系數(shù)小于理論值，所以齒輪調(diào)質(zhì)后另外齒面淬火處理。如圖7，圖8所示，疲勞安全系數(shù)以及靜強度校核安全系數(shù)均在安全范圍。

3.3 設計結果及分析

設計選用標準直齒圓柱齒輪傳動，兩齒輪均選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，按8級精度設計；齒數(shù)Z=24;模數(shù)m=10mm；壓力角α=20°；變位系數(shù)x=0；分度圓直徑240mm；齒輪齒寬80mm，齒條齒寬70mm；根據(jù)設計規(guī)范，齒條齒根圓到齒條底部端面應大于2.2倍模數(shù)，結合現(xiàn)場空間，齒條齒根圓到齒條底部端面高度為40mm。

4 安裝方法及步驟

具體安裝步驟：

1先將軸承、軸承座、定位套以及齒輪，整體安裝在傳動軸上，注意先安裝一側(cè)的軸承座，再安裝齒輪，最后安裝另一側(cè)軸承座；

2將裝配好的齒輪軸，插入移動座180孔內(nèi)，調(diào)整齒輪齒條變位，用螺栓固定軸承座和底座，底座的高度差是為了此時傳動軸能順利插入孔內(nèi)而不至于軸承座與底部齒條干涉；

3最后安裝電機，也可以將電機提前安裝在180孔內(nèi)；

4拆卸時，若更換電機，直接拆卸電機，若更換齒輪齒條，直接拆卸傳動軸。

5 改進后的效果

1）節(jié)省時間：改進前，換輥裝置車輪與軌道不同步，皮帶輪時常有磨損，有時要求操作人員輔助助推操作，既耗費人力，又耽誤換輥時機。采用新的換輥設備后，換輥時間縮短近20分鐘。

2）維護簡便：軸承座底座設計有高度差，目的是將齒輪軸上的零件整體裝配好后一次性插入電機安裝孔中，既滿足定位要求，又維修檢修方便。

3）費用成本：小車本體以及兩側(cè)軌道設計后總重約3.5噸，加上齒輪齒條機構及傳動電機的采購費用，整體費用約5萬元。

6 結束語

此次優(yōu)化設計后的矯直機換輥小車，在實際中解決了長期換輥車輪軌道打滑，輥系無法正常更換問題，而且使操作工換輥及維護更加便捷，進一步可以增強設備的可靠性、降低事故的多發(fā)性、提高生產(chǎn)效力、減輕勞動強度。對換輥小車設備進行技術改造，有效的降低成本，節(jié)約能源，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，為設計人員對后期換輥小車的優(yōu)化設計提供新的思路。

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