廖朝霞
(福建三安鋼鐵有限公司,福建泉州362411)
小方坯翻鋼機(jī)是連鑄機(jī)生產(chǎn)中的常用設(shè)備,三安公司的該設(shè)備是2003年設(shè)計安裝的,原采用固定式撥爪機(jī)構(gòu),由液壓缸推動轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)帶動方坯實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。生產(chǎn)中,方坯在由運輸輥輸送到翻鋼機(jī)區(qū)域的過程中,易碰撞翻鋼機(jī)撥爪造成頂坯;焊接式液壓缸底座經(jīng)檢修過程中的多次拆裝后,焊接面模糊,易出現(xiàn)兩臺液壓缸安裝時無法定位在同一平面上,造成翻轉(zhuǎn)不同步、受力不均、翻不到位等現(xiàn)象。本文通過對翻鋼機(jī)撥爪機(jī)構(gòu)、液壓缸及其底座等的優(yōu)化設(shè)計,改善了這一現(xiàn)象。
如圖1所示,改造前翻鋼機(jī)撥爪為呈L型的一體式機(jī)構(gòu),每流共9根撥爪和兩臺液壓缸。液壓缸行程300 mm,缸筒直徑100 mm,活塞直徑70 mm,其一端固定在撥爪上,一端固定在橫梁上;翻轉(zhuǎn)長軸由6個軸承座固定在立柱上,鋼坯處于撥爪右下角,由油缸推動固定撥爪沿著弧形的翻轉(zhuǎn)軌跡運動,直至將斷面為160 mm×160 mm,長度為12 m、溫度約750℃的小方坯鋼坯翻轉(zhuǎn)至立柱頂端。所對應(yīng)的液壓系統(tǒng)壓力為10 MPa。
圖1 翻鋼機(jī)改造前結(jié)構(gòu)圖
生產(chǎn)中存在的問題有:方坯經(jīng)運輸輥道輸送進(jìn)入翻鋼機(jī)區(qū)域時,坯頭易碰撞撥爪,造成生產(chǎn)停頓,嚴(yán)重時會頂壞長軸和液壓缸;其次經(jīng)常出現(xiàn)方坯翻不到立柱上方,隨著撥爪返回,方坯滑下等現(xiàn)象。
針對頂坯的故障分析:每根方坯并非筆直,當(dāng)鋼坯的變形率>2.16‰(即變形量>26 mm)時,前進(jìn)中的方坯就會撞到撥爪的A面或B面,如圖2所示。
為了避免方坯頂撞到撥爪A面后,造成生產(chǎn)停頓,雖臨時為撥爪A面制作了導(dǎo)向板,如圖3的圓圈處,頂坯的根本原因卻沒有得到消除。
(1)現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)正常工作壓力為10 MPa,方坯能否在新的安裝尺寸下正常翻轉(zhuǎn),需對其在現(xiàn)有受力條件下進(jìn)行受力分析,受力分析點為液壓缸轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)30°,開始翻坯時計算,具體受力尺寸如圖6所示。
(2)翻轉(zhuǎn)長軸采用雙液壓缸同步推動,如求單個液壓缸的
圖2 改造前故障分析圖
圖3 現(xiàn)場實物圖
針對方坯翻不到位的分析:由于翻鋼機(jī)液壓缸的耳軸是通過固定座和螺栓固定在橫梁上,因底座靠近紅熱的鋼坯,螺栓常年受高溫輻射易產(chǎn)生拉伸變形,從而出現(xiàn)螺栓松動甚至斷裂現(xiàn)象。為了避免此故障的發(fā)生,檢修工在液壓缸的安裝過程中,將固定液壓缸耳軸的固定座焊接在橫梁上。但是這樣又引發(fā)了新的故障,即固定座經(jīng)過多次的焊接、割除后尺寸會發(fā)生變化,使得液壓缸無法準(zhǔn)確定位,易出現(xiàn)兩臺液壓缸安裝時無法定位在同一平面上,液壓缸行程的最低點和最高點位置發(fā)生變化,因此造成液壓缸運動不同步、受力不均、翻不到位的故障。
通過對這套翻鋼機(jī)的工作原理、安裝尺寸、工作壓力方面的分析,發(fā)現(xiàn)如果要減少頂坯故障,則需要將易被撞擊的A、B面降低至水平面下,即原撥爪的A面如圖4所示向下旋轉(zhuǎn)30°。為方便撥爪磨損后的更換,將撥爪設(shè)置為分體式。由于現(xiàn)場固定長軸的立柱、軸承座位置及尺寸、輥道位置及尺寸等不變,因此方坯的旋轉(zhuǎn)軌跡不變,則液壓缸的轉(zhuǎn)臂長度不得超出方坯的旋轉(zhuǎn)軌跡,但盡量設(shè)計為最大值,以減少液壓缸的推力力矩。
為了保證備件的通用性,采用我廠現(xiàn)有的液壓缸型號,其行程為580 mm,缸筒直徑80 mm,活塞直徑56 mm,并為該液壓缸設(shè)計獨立的鋼構(gòu)底座。鋼構(gòu)底座設(shè)計在翻鋼機(jī)正下方的水泥基礎(chǔ)上,增加與鋼坯的間距。
結(jié)合現(xiàn)場利舊設(shè)備的實際尺寸和選配的液壓缸型號,依據(jù)翻鋼機(jī)工作原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,改造圖如圖4、圖5所示。
圖4 撥爪結(jié)構(gòu)圖
圖5 液壓缸結(jié)構(gòu)圖
圖6 改造后的受力分析圖
啟動推力,則計算如下:
列平衡方程,求未知量T。
式中,Mz為鋼坯的慣性力矩;P1為鋼坯的重力;P2為翻轉(zhuǎn)長軸的重力;P3為銅瓦的摩擦力;T為液壓缸的推力;X0為長軸受到的X方向的力;Y0為長軸受到的Y方向的力;f為翻轉(zhuǎn)長軸與銅瓦的摩擦系數(shù),取0.1。
由上述公式(2)、公式(4)可得出:
因液壓缸的全行程L=580 mm,查該設(shè)備的液壓系統(tǒng)原理圖可知液壓缸的運行速度V=60 mm/s,則全行程時間t=L/V=9.67s;在該行程內(nèi),方坯的平均角速度
另設(shè)轉(zhuǎn)軸的角速度為ω,角加速度為ε,全行程時間為t,Iz為轉(zhuǎn)動慣量,則鋼坯的慣性力矩為:
另由計算可知:方坯的質(zhì)量m=2 411 kg;由設(shè)計圖測量可知:r1=500 mm,r2=325 mm,r3=55 mm,α=87°,θ=63°,β=10°,g為重力常數(shù)。
由公式(1)可得出:
經(jīng)計算可知:液壓缸的推力T≈20 414 N。
(3)符合性計算。
因本次改造液壓系統(tǒng)及管路不變,即液壓系統(tǒng)工作壓力10 MPa,但液壓缸規(guī)格改為了缸筒半徑R1=40 mm,活塞半徑R2=28 mm,行程580 mm。
已知液壓缸所需要的壓力為T,設(shè)P為液壓缸的工作壓力。T的計算公式為:
如液壓系統(tǒng)局部壓力損失及沿途壓力損失按系統(tǒng)的10%考慮,則翻鋼機(jī)液壓缸的理論工作壓力為:4.06÷0.9=4.51 MPa,其值小于液壓系統(tǒng)的正常工作壓力10 MPa。因此,根據(jù)理論計算,液壓缸的選型及位置和撥爪的設(shè)計滿足生產(chǎn)需要。
我公司利用年度檢修時間改造了一個流試用,試用一年內(nèi)頂坯和翻不到位現(xiàn)象不復(fù)存在。后一年又對翻轉(zhuǎn)頻率比較高的四個流進(jìn)行了同樣的改造,使用效果依然良好。因此可知,該優(yōu)化設(shè)計可行。