趙勛亞 彭 誠 閻建武
(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶 400013)
翻轉(zhuǎn)冷床位于連鑄機出坯系統(tǒng)中,是連鑄機的重要設(shè)備。翻轉(zhuǎn)冷床結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)備噸位大,承載能力強,設(shè)備運行軌跡精度要求高。經(jīng)過澆鑄、成型、剪切而成的定尺高溫鑄坯(包括方坯和圓坯),通過翻轉(zhuǎn)冷床,能使其盡快地、均勻地冷卻下來,并且在冷卻過程中鑄坯不產(chǎn)生彎曲變形,而且通過齒形的相互作用,起到一定的矯直作用[1]。
對于生產(chǎn)長定尺的方坯及圓柱坯連鑄機而言,由于長定尺方坯、圓坯在出坯過程中需經(jīng)輥道運輸、翻轉(zhuǎn)裝置傾翻、移鋼機推動等,極易產(chǎn)生彎曲變形,這樣的成品鑄坯不能進入下道工序[2,3]。所以,在出坯系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)冷床是不可缺少的設(shè)備,實踐證明其作用及效果也是明顯的。
相對于傳統(tǒng)的采用電動集中傳動的步進翻轉(zhuǎn)冷床,液壓步進翻轉(zhuǎn)冷床具有以下兩個重要特點:
(1)冷床的重量小,結(jié)構(gòu)緊湊。升降液壓缸和平移液壓缸直接和冷床的動框架相連接,不需要眾多的傳動機構(gòu)及連接機構(gòu),因而冷床的重量小。液壓缸所占空間較小,生產(chǎn)現(xiàn)場也好布置。
(2)冷床運動噪音小。冷床的動齒由液壓缸控制,運動平緩,沖擊小,現(xiàn)場噪音小,明顯改善生產(chǎn)環(huán)境。
冷床由4 個升降液壓缸和2 個橫移液壓缸驅(qū)動,能夠滿足多種斷面的生產(chǎn)要求。冷床的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。
表1 冷床的設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of cooling bed
冷床的負載大,適合采用液壓式冷床。冷床有4 個升降液壓缸和2 個橫移液壓缸,為了保證冷床動作的同步性,采用了集中式傳動,且每個液壓缸上都帶有位移傳感器。液壓集中傳動結(jié)構(gòu)簡單,控制精度高,運動平緩,沖擊小。
由于連鑄機生產(chǎn)的鑄坯規(guī)格眾多,尺寸差異大,為了更好的適應(yīng)冷床的功能要求,冷床采用了鉤鋼機上坯的方式。鉤鋼機可以保證鑄坯停位準確,適合各類規(guī)格的鑄坯,且結(jié)構(gòu)簡單,在生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。
冷床的齒板由動齒和定齒兩種構(gòu)成。定齒板固定不動,上面存放鑄坯。動齒板完成一個向上、前進、向下和返回的運轉(zhuǎn)周期,將鑄坯向前推進一個齒距,同時也將鑄坯翻轉(zhuǎn)90°。在冷床的運動過程中,隨著液壓油缸的收縮,動齒板下降,鑄坯將由動齒板轉(zhuǎn)放到定齒板上,且依靠鑄坯重力繞支撐點翻轉(zhuǎn),翻鋼冷床將會承受很大的橫向力。由于冷床的豎向承載能力強,橫向結(jié)構(gòu)的強度和剛度是設(shè)計中必須重點考慮的問題。
圖1 為連鑄機的鑄坯步進翻轉(zhuǎn)軌跡及原理圖。動齒板每運動一個周期,通過動、定齒板齒形的配合完成鑄坯的90°翻轉(zhuǎn),并向前運動一個齒距,這就完成了冷床的步進翻轉(zhuǎn)功能。
冷床的后面一般布置有鑄坯收集成組下線裝置。冷床直接采用動齒板出坯,即當鑄坯到達定齒板最后一個齒形時,動齒板將坯子抬起,直接放到收集裝置的臺面上。這種出坯方式不增加其它設(shè)備,不用額外控制,對于減少投資、提高生產(chǎn)效率有積極意義。
液壓式步進翻轉(zhuǎn)冷床主要由定齒板、動齒板、動框架、橫移液壓缸和升降液壓缸等組成。定齒板固定在齒板支架上,動齒板安裝在動框架上,平移液壓缸和升降液壓缸帶動動框架運動,動齒板的運動軌跡大小由平移和升降液壓缸控制。冷床的設(shè)計總圖如圖2 所示。由于冷床較長,升降液壓缸在動框架上的支撐點間距達到10 860 mm。
在受坯過程中,冷床不僅受到豎向載荷的作用,還要受到橫向力作用。冷床的動框架支撐點間距10 860 mm,若冷床框架本身的強度和剛度不夠,變形過大,會降低冷床的步進翻轉(zhuǎn)精度,直接影響冷床的使用效果。要精確得到冷床框架在工作過程中的應(yīng)力大小和變形,有限元法是較好的選擇。
圖1 鑄坯步進翻轉(zhuǎn)軌跡及原理Figure 1 Casting blank walking beam overturning trace and principle
圖2 冷床的設(shè)計總圖Figure 2 General chart of cooling bed design
冷床結(jié)構(gòu)中,定齒板通過支座固定在土建基礎(chǔ)上,承載能力好,抗沖擊性能強,因此只對冷床的動框架進行有限元分析。動框架的力學(xué)簡化模型去除了螺孔、小倒角等對整體框架強度影響不大的特征。冷床動框架的機構(gòu)主要包括2 根橫梁、6 根豎梁及60 個齒板支座,模型中認為鋼板與鋼板之間的焊接完好。冷床動框架的力學(xué)簡化模型如圖3 所示。
圖3 冷床動框架的力學(xué)簡化模型Figure 3 Simplified model of cooling bed dynamical frame mechanics
冷床的動框架采用Q345-B 板材焊接制造,材料性能參數(shù)如表2 所示。
表2 材料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of material
冷床動框架所受載荷包括自重和外載荷,外載荷主要是坯子翻轉(zhuǎn)時對冷床動框架的反作用力。計算模型對結(jié)構(gòu)進行了簡化,省略了齒板,通過對鑄坯和齒板進行受力平衡分析后,直接將載荷施加到齒板支座的銷軸上。動框架上存放的坯子重量為210 t,動框架本身重量取為70 t。
根據(jù)冷床動框架的運動特點,動框架升降液壓缸支撐位置約束上下運動自由度,橫移液壓缸支撐位置約束橫向移動自由度。
整個結(jié)構(gòu)采用精度較好的六面體線性單元離散,如圖4 所示。
圖4 冷床動框架網(wǎng)格劃分Figure 4 Grid partition of cooling bed dynamical frame
步進翻轉(zhuǎn)冷床是連鑄機出坯區(qū)的重要設(shè)備,不僅要求功能完善,還要求在運行過程中安全可靠。因此我們在設(shè)計過程中對冷床結(jié)構(gòu)進行了多次優(yōu)化,使其功能更加完善,結(jié)構(gòu)更加可靠。
圖5 冷床動框架的變形Figure 5 Deformation of cooling bed dynamical frame
圖6 冷床動框架的橫向(Z 方向)變形Figure 6 Horizontal(Z direction)deformation of cooling bed dynamical frame
圖7 冷床動框架的應(yīng)力分布云圖Figure 7 Distribution nephogram of cooling bed dynamical frame stress
冷床動框架的變形如圖5 所示,最大變形量為4.36 mm,出現(xiàn)在第3 根豎梁的中部位置,橫梁的變形量較小,中部變形量2.56mm。動框架的橫向變形最大為2.11 mm,出現(xiàn)在第4 根豎梁的中部位置,另外,第2 和第5 根豎梁中部的變形量也較大,見圖6。因此冷床動框架的剛度足夠,變形量小,不影響冷床的使用功能。
冷床動框架的應(yīng)力分布如圖7 所示,最大應(yīng)力為103.71 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒板支座的加強筋上,橫梁的應(yīng)力最大值為72.63 MPa。齒板支座的加強筋上可能存在應(yīng)力集中,動框架的整體應(yīng)力水平較低,均在80 MPa 以內(nèi),遠低于Q345-B 材料的屈服強度。因此冷床動框架強度足夠,結(jié)構(gòu)安全可靠。
通過以上液壓式步進翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計和動框架有限元分析,得出如下結(jié)論:
(1)液壓式步進翻轉(zhuǎn)冷床結(jié)構(gòu)簡單,功能多樣,能滿足多種規(guī)格鑄坯的生產(chǎn)需求,且能在以后的設(shè)計和生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。
(2)通過有限元分析,液壓式步進冷床的剛度和強度都滿足生產(chǎn)的需求。實踐也證明,冷床現(xiàn)場使用效果良好。
[1]李杰.鑄坯翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計與研究.冶金設(shè)備[J],2000,(02).
[2]朱鳳華.多功能翻轉(zhuǎn)式冷床在生產(chǎn)中的應(yīng)用.天津冶金[J],2000,(05).
[3]王浦江.小方坯連鑄[M].北京:中國金屬學(xué)會連鑄分會,1998.
[4]成大先.機械設(shè)計手冊第四版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.