廖朝霞

（福建三安鋼鐵有限公司，福建泉州362411）

0 引言

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(jì)安裝的，原采用固定式撥爪機(jī)構(gòu)，由液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)方坯實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。生產(chǎn)中，方坯在由運(yùn)輸輥輸送到翻鋼機(jī)區(qū)域的過(guò)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(guò)程中的多次拆裝后，焊接面模糊，易出現(xiàn)兩臺(tái)液壓缸安裝時(shí)無(wú)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(guò)對(duì)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(jì)，改善了這一現(xiàn)象。

1 改造前翻鋼機(jī)的狀況及原因分析

1.1 改造前翻鋼機(jī)的狀況

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(tái)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(zhǎng)軸由6個(gè)軸承座固定在立柱上，鋼坯處于撥爪右下角，由油缸推動(dòng)固定撥爪沿著弧形的翻轉(zhuǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)，直至將斷面為160 mm×160 mm，長(zhǎng)度為12 m、溫度約750℃的小方坯鋼坯翻轉(zhuǎn)至立柱頂端。所對(duì)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(yùn)輸輥道輸送進(jìn)入翻鋼機(jī)區(qū)域時(shí)，坯頭易碰撞撥爪，造成生產(chǎn)停頓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)頂壞長(zhǎng)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。

1.2 原因分析

針對(duì)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(shí)，前進(jìn)中的方坯就會(huì)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(shí)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(duì)其在現(xiàn)有受力條件下進(jìn)行受力分析，受力分析點(diǎn)為液壓缸轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)30°，開始翻坯時(shí)計(jì)算，具體受力尺寸如圖6所示。

（2）翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)軸采用雙液壓缸同步推動(dòng)，如求單個(gè)液壓缸的

圖2 改造前故障分析圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

針對(duì)方坯翻不到位的分析：由于翻鋼機(jī)液壓缸的耳軸是通過(guò)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(dòng)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(guò)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(guò)多次的焊接、割除后尺寸會(huì)發(fā)生變化，使得液壓缸無(wú)法準(zhǔn)確定位，易出現(xiàn)兩臺(tái)液壓缸安裝時(shí)無(wú)法定位在同一平面上，液壓缸行程的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)位置發(fā)生變化，因此造成液壓缸運(yùn)動(dòng)不同步、受力不均、翻不到位的故障。

2 改造方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)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(chǎng)固定長(zhǎng)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(zhǎng)度不得超出方坯的旋轉(zhuǎn)軌跡，但盡量設(shè)計(jì)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(hào)，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(jì)獨(dú)立的鋼構(gòu)底座。鋼構(gòu)底座設(shè)計(jì)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(chǎng)利舊設(shè)備的實(shí)際尺寸和選配的液壓缸型號(hào)，依據(jù)翻鋼機(jī)工作原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改造圖如圖4、圖5所示。

3 改造方案的可行性分析

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(dòng)推力，則計(jì)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(zhǎng)軸的重力；P3為銅瓦的摩擦力；T為液壓缸的推力；X0為長(zhǎng)軸受到的X方向的力；Y0為長(zhǎng)軸受到的Y方向的力；f為翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)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(yùn)行速度V=60 mm/s，則全行程時(shí)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(shí)間為t，Iz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則鋼坯的慣性力矩為：

另由計(jì)算可知：方坯的質(zhì)量m=2 411 kg；由設(shè)計(jì)圖測(cè)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(jì)算可知：液壓缸的推力T≈20 414 N。

（3）符合性計(jì)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(jì)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(jì)算，液壓缸的選型及位置和撥爪的設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要。

4 結(jié)語(yǔ)

我公司利用年度檢修時(shí)間改造了一個(gè)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(duì)翻轉(zhuǎn)頻率比較高的四個(gè)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(jì)可行。