徐志杰

(上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南京　210039)

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梅鋼1780熱軋鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)C型運(yùn)卷車(chē)設(shè)計(jì)*

徐志杰

(上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南京210039)

介紹了熱軋1780鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)中卷取機(jī)出口鋼卷運(yùn)卷車(chē)的設(shè)備構(gòu)成，根據(jù)運(yùn)卷車(chē)的應(yīng)用環(huán)境及特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)卷車(chē)升降、走行裝置和重要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核。

運(yùn)卷車(chē)； 托架； 車(chē)輪裝置； 油缸

引言

上海梅山鋼鐵股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“梅鋼”)為提高生產(chǎn)裝備的技術(shù)水平，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)品種類(lèi)，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，于2008年開(kāi)始，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整及工藝裝備升級(jí)改造，新增一條從原料、煉鐵到熱軋的生產(chǎn)線。

卷取機(jī)區(qū)鋼卷運(yùn)輸裝置是熱連軋帶鋼生產(chǎn)線上的重要配套設(shè)備,運(yùn)卷車(chē)位于卷取機(jī)的操作側(cè),用來(lái)將鋼卷從打捆固定臺(tái)架運(yùn)送到鋼卷運(yùn)輸機(jī)上，鋼卷運(yùn)卷車(chē)為熱軋鋼卷輸送系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，要求運(yùn)卷車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、維修方便、易于操作。

1　工藝流程

由卸卷小車(chē)將鋼卷運(yùn)至打捆工位的固定鞍座上進(jìn)行打捆，打捆完畢的鋼卷由C型運(yùn)卷車(chē)送至快速鏈的鞍座上，再由快速鏈將鋼卷運(yùn)至1號(hào)步進(jìn)輸送機(jī)的取卷位， 1號(hào)步進(jìn)輸送機(jī)取卷后完成卷芯拍齊、噴印、稱(chēng)重工序，并將鋼卷送至十字升降鞍座上，最后由其他運(yùn)輸設(shè)備送至鋼卷庫(kù)。

2　運(yùn)卷車(chē)的技術(shù)參數(shù)

載荷：32.6 t；

走行距離： 5500 mm；

小車(chē)停位精度：±5 mm；

走行速度：300 mm/s；

車(chē)輪材質(zhì)為60CrMnMo，淬火層深度3～5 mm，硬度為HB300～380;

軌道采用起重軌QU100；

升降行程：160 mm；

升降速度：0.08 m/s；

升降液壓缸：Φ250/Φ160～200 mm；

走行液壓缸：Φ160/Φ110～6100 mm；

系統(tǒng)壓力：18 MPa。

3　運(yùn)卷車(chē)設(shè)計(jì)

3.1運(yùn)卷車(chē)的主要部件組成

運(yùn)卷車(chē)總裝圖如圖1所示，主要部件組成包括：C型托架、車(chē)體裝置、升降裝置、走行裝置、拖鏈裝置、軌道裝置，干油局部集中潤(rùn)滑配管、拉線編碼器。

3.2C型托架

托架是承載、運(yùn)輸?shù)闹尾糠郑仨氂凶銐虻膹?qiáng)度和剛度，加上從卷取機(jī)出來(lái)的高溫鋼卷直接放置在C型托架上，必須要有一定的耐高溫性能，因此材料選擇由Q345B鋼板整體焊接；運(yùn)卷車(chē)需將鋼卷運(yùn)輸?shù)娇焖冁湹陌白?，因快速鏈運(yùn)行導(dǎo)軌的影響，托架設(shè)計(jì)成懸臂結(jié)構(gòu)。

C型托架主要由若干鋼板整體焊接組成箱形梁結(jié)構(gòu)，梁內(nèi)設(shè)筋板，為保證托架框架的強(qiáng)度及剛度，托架焊接完成后需進(jìn)行消除應(yīng)力處理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于托架整體進(jìn)行有限元強(qiáng)度的驗(yàn)算，在保證使用強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量降低成本，如圖2所示，托架危險(xiǎn)截面為懸臂根部倒圓角位置，應(yīng)力為210 MPa左右，Q345B屈服強(qiáng)度為345 MPa，因此材料的材質(zhì)、厚度均滿(mǎn)足要求。

3.3車(chē)體裝置

車(chē)體裝置主要包括車(chē)輪組件、車(chē)架、升降導(dǎo)板，如圖3所示。

3.3.1車(chē)輪裝置

車(chē)輪的設(shè)計(jì)要求滿(mǎn)足運(yùn)卷車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)：即較高的輪壓，較低的速度。車(chē)輪的設(shè)計(jì)與軌道有關(guān)，該運(yùn)卷車(chē)軌道采用起重機(jī)軌道QU100，車(chē)輪結(jié)構(gòu)采用雙輪緣車(chē)輪，更好地限制了運(yùn)卷車(chē)的跑偏或橫向滑移。車(chē)輪材質(zhì)為60CrMnMo，踏面淬硬至HB300～380，淬硬層深度15～20 mm，承載能力很強(qiáng)。

車(chē)輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行阻力小、以及維護(hù)方便等特點(diǎn)。該運(yùn)卷車(chē)采用開(kāi)式輪軸，軸端有端蓋，端蓋與軸承座間采用六角螺栓固定連接，對(duì)輪軸的裝卸比較方便。車(chē)輪軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理至HB 217～255，承載能力很強(qiáng)。車(chē)輪裝配圖如圖4所示。

由圖4可知，車(chē)輪軸自身不轉(zhuǎn)動(dòng)，為固定在車(chē)架上的心軸；考慮到運(yùn)卷車(chē)的啟動(dòng)、停止以及升降，可認(rèn)為應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，因此可認(rèn)為只承受彎矩，設(shè)定油缸上升加速度g，則上升過(guò)程中，車(chē)輪所受的力之和：F=mg+mg=2mg，受力如圖5所示。

1.C型托架；2.車(chē)體裝置；3.拖鏈裝置；4.行走裝置；5.升降裝置；6.軌道裝置圖1　運(yùn)卷車(chē)總裝圖

圖2　C型托架應(yīng)力分析圖

1．車(chē)輪裝置；2.車(chē)架；3.升降導(dǎo)板圖3　車(chē)體裝配圖

圖4　車(chē)輪裝配圖

圖5　車(chē)輪軸受力簡(jiǎn)圖

其中F1=F2=F/3=2mg/3(最差的情況為3個(gè)輪子在輥道上)；

M=F1×0.265=(21+32.6)×2/3×104×0.265 N·m=94.8 kN·m

軸上有一個(gè)鍵槽，因此軸徑增大3%，即為186×(1+3%)=192mm，根據(jù)軸承選型，結(jié)合軸承固定臺(tái)階等綜合原因，最終得出心軸直徑d=205mm。

m為運(yùn)卷車(chē)自重及鋼卷重量之和；δp為軸的許用彎曲應(yīng)力，查表得150MPa；d為軸徑；M為軸所受彎矩；F1，F(xiàn)2為軸承處支反力；F為上升過(guò)程中車(chē)輪所受的力之和；

車(chē)輪所承受的載荷與運(yùn)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷無(wú)關(guān)，可直接根據(jù)外載荷的平衡條件求得。車(chē)輪的疲勞計(jì)算載荷Pc可由最大輪壓和最小輪壓來(lái)確定，按最大載重量Q=32.6t及運(yùn)卷車(chē)自重G1=21t計(jì)算。

運(yùn)卷車(chē)工作時(shí)最大輪壓Pmax=(Q+G1)g/3=178kN；

運(yùn)卷車(chē)工作時(shí)最小輪壓Pmin=G1g/3=70kN(即車(chē)空載)；

初定車(chē)輪直徑為500mm，運(yùn)卷車(chē)使用4個(gè)車(chē)輪，按3個(gè)車(chē)輪受力考慮，由此可計(jì)算出每個(gè)輪子的輪壓Pc：

按赫茲公式計(jì)算接觸面疲勞強(qiáng)度，校核其輪壓

K1DL C1C2=7.2×500×100×1.11×0.9N=

359.7kN>Pc=142kN

式中K1為與材料有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)，K1=7.2；D為車(chē)輪直徑，D=500 mm；L為車(chē)輪與軌道有效接觸長(zhǎng)度，L=100 mm；C1為轉(zhuǎn)速系數(shù)，C1=1.11；C2為工作級(jí)別系數(shù)，C2=0.9。

由此得出結(jié)論：疲勞強(qiáng)度符合要求，運(yùn)卷車(chē)選用4個(gè)車(chē)輪，車(chē)輪直徑為500 mm。

車(chē)輪組件的軸承選用單列圓錐滾子軸承(型號(hào)為32034)背靠背安裝，設(shè)備及鋼卷總重量為536 kN，單個(gè)軸承受力為536 kN/6=98 kN,車(chē)速12 r/min，沖擊載荷因數(shù)fd=1.5； 溫度因數(shù)ft=1；力矩載荷因數(shù)fm=1；速度因數(shù)fn=1.359； 查表得e=0.44，Y0=0.7 ，Y=1.4；Fa/Fr=0/98000=0

Pr=Fr=98000 N

P0r=0.5×Fr+Y0×Fa=0.5×98000+

0.7×0=98000 N

S≈Fr/(2Y)=98000/(2×1.4)=35000 N

Frmin=0.02×Cr=0.02×520000=10400 N

fh=(fn×ft)/(fm×fd)×(Cr/Pr)=

(1.359×1.00)/(1×1.5)×

(520000/98000)=4.80735

查表得軸承壽命Lh=93823.1 h。

其中Fa為軸向載荷；Fr為徑向載荷；Pr為徑向當(dāng)量動(dòng)載荷；P0r為徑向當(dāng)量靜載荷；S為附加軸向力；e，Y0，Y計(jì)算系數(shù)；Frmin為最小徑向載荷；Cr基本額定動(dòng)載荷。

軸承在低速下發(fā)熱量很小，最有效的潤(rùn)滑方式是脂潤(rùn)滑，定期給軸承座內(nèi)注入適量潤(rùn)滑脂，即可滿(mǎn)足軸承的潤(rùn)滑要求。

3.3.2車(chē)架

車(chē)架的功能為提升液壓缸提供支撐，并為升降臺(tái)提供導(dǎo)向，為水平移動(dòng)提供支撐。因此需要設(shè)計(jì)適合豎直升降的導(dǎo)向框，設(shè)計(jì)適合油缸支撐架，結(jié)合車(chē)輪軸設(shè)計(jì)適合的車(chē)架支撐。

3.3.3升降導(dǎo)板

由于升降導(dǎo)板反復(fù)工作，靠硬碰硬摩擦?xí)a(chǎn)生熱量及磨損，因此要選用有一定潤(rùn)滑性及耐磨的材料，選擇自潤(rùn)滑型的銅合金，為了降低成本，并減少摩擦面，在車(chē)架導(dǎo)向框四面分別鑲嵌兩塊自潤(rùn)滑銅板，

且根據(jù)熱軋廠運(yùn)卷車(chē)使用經(jīng)驗(yàn)，另外增加油脂潤(rùn)滑，能有效地延長(zhǎng)銅板的使用壽命。

3.4行走裝置

運(yùn)卷車(chē)行走裝置主要由油缸支座、橫移油缸等組成；其中液壓站系統(tǒng)壓力是18 MPa，速度為0.3 m/s，因此油缸需帶有緩沖裝置。

液壓驅(qū)動(dòng)具有功率大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，易于調(diào)速的特點(diǎn)，而冶金設(shè)備液壓缸屬重負(fù)荷液壓缸，工作可靠，耐沖擊，耐污染，適用于高溫、高壓、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。

運(yùn)卷車(chē)在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力Fj由摩擦力Fm，坡道阻力Fp，風(fēng)阻力Fw組成

Fj=Fm+Fp+Fw

式中Q為車(chē)載荷，Q=32.6 t；G為車(chē)體自重，G=21 t；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，f=0.6；μ為車(chē)輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.015；d為與軸承相配合處車(chē)軸的直徑，d=170 mm；D為車(chē)輪踏面直徑，D=500 mm；β為附加摩擦系數(shù)，β=1.3；則Fm=5.23 kN。

坡道阻力Fp=(Q+G)i

式中i為坡道阻力系數(shù)，i=0.005；則Fp=2.68 kN。

風(fēng)阻力Fw,因該運(yùn)卷車(chē)是在廠房?jī)?nèi)運(yùn)行，可不考慮風(fēng)阻力，則Fw=0。

運(yùn)卷車(chē)在軌道上穩(wěn)定運(yùn)行的靜阻力為Fj=Fm+Fp+Fw=7.91 kN，即油缸推力和拉力至少需要7.91 kN； 因油缸行程較長(zhǎng)，因此油缸活塞桿的穩(wěn)定性為首要問(wèn)題，因?yàn)槭侵虚g耳軸安裝方式，根據(jù)歐拉公式

其中：活塞桿上的最大壓力P=7.91 kN，

活塞桿長(zhǎng)度l=5500 mm，

材料選42CrMo， E=210×105N/cm2，

等截面壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)μ=1。

根據(jù)相同工程的橫移油缸使用經(jīng)驗(yàn)，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)一般為2.5～5，因此活塞桿直徑d=100～190 mm，為保護(hù)油缸兩極限位置不受到?jīng)_擊，延長(zhǎng)油缸的使用壽命，油缸端頭距離前后極限位置均留20 mm間隙，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性要求以及對(duì)照油缸選型手冊(cè)的其他相關(guān)參數(shù)，選得油缸規(guī)格為Φ160 mm×Φ110 ～5540 mm。

橫移油缸的系統(tǒng)設(shè)定額定壓力為8 MPa，油缸的理論推力和拉力分別為：

F1=A1p×106=ΠD2p/4×106=160kN

F2=A2p×106=Π(D2-d2)p/4×106=84kN

式中p為供油壓力(MPa)；A1為活塞無(wú)桿側(cè)有效面積(m2)；A2為活塞有桿側(cè)有效面積(m2)；F1,F2為液壓缸理論推力和拉力(N)；D為油缸缸筒內(nèi)徑(mm)；d為油缸活塞桿直徑(mm)；即油缸推力和拉力均符合要求。

油缸計(jì)算速比以及活塞桿速度等其他與液壓系統(tǒng)流量、速度等相關(guān)參數(shù)經(jīng)過(guò)校核均滿(mǎn)足要求。

3.5升降裝置

升降裝置主要由升降油缸、升降架、升降導(dǎo)板、銷(xiāo)軸、液壓軟管等組成，升降架上部通過(guò)螺栓與C型托架連接，升降油缸通過(guò)推動(dòng)升降架上下運(yùn)動(dòng)而達(dá)到鋼卷的托舉與放置功能，如圖6所示。

1．升降油缸；2.升降架；3.銷(xiāo)軸圖6　升降裝置圖

升降架起著承上啟下的作用，四面的升降導(dǎo)板與車(chē)體升降導(dǎo)板接觸，車(chē)體起到導(dǎo)向作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于升降架的整體必須進(jìn)行有關(guān)強(qiáng)度的驗(yàn)算，在保證使用強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量降低成本。

3.5.1油缸選型

油缸采用中間耳軸固定于車(chē)體上的安裝方式，升降架裝置共2.6 t，C型托架2.3 t，鋼卷最重32.6 t，即油缸承受的外部載荷共為37.5 t，實(shí)際使用行程160 mm，為保護(hù)油缸兩極限位置不受到?jīng)_擊，延長(zhǎng)油缸的使用壽命，油缸端頭距離上下極限位置均留20 mm間隙，即油缸行程選擇200 mm。

升降油缸的系統(tǒng)設(shè)定額定壓力為16 MPa，油缸的理論推力至少37.5 t，因此油缸缸筒內(nèi)徑為

式中P為額定壓力(MPa)；F1為液壓缸理論推力(N)；D為油缸缸筒內(nèi)徑(mm)。

根據(jù)油缸選項(xiàng)手冊(cè)以及油缸使用環(huán)境及安全系數(shù)等綜合考慮，升降油缸型號(hào)選為Φ250 mm×Φ180～200 mm。

3.5.2銷(xiāo)軸校核

圖7　銷(xiāo)軸受力圖

油缸和升降機(jī)之間用銷(xiāo)軸連接，此處的銷(xiāo)軸理論上只受到剪切力，如圖7所示，考慮上升過(guò)程有加速度，因此F=1.5G，

其中G=6.4 t(升降裝置重量)+ 32.6t(卷重)=39 t；F為銷(xiāo)軸所受剪力；d為銷(xiāo)軸直徑；因此銷(xiāo)軸合格。

4　結(jié)束語(yǔ)

本運(yùn)卷車(chē)具有設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、承載能力大、運(yùn)行平穩(wěn),檢修方便等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)三年多來(lái)的使用，效果較好，完全達(dá)到工藝要求，具有較高的使用價(jià)值。

[1]張質(zhì)文.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]汪海濤.冶金機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)科技文化出版社，2011.

2015-12-23

徐志杰(1987—)，男，助理工程師。E-mail：496502757@qq.com

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