魏 昊,王 成,張本彤,馬然然
(湖北新冶鋼特種鋼管有限公司,湖北 黃石 435001)
齒條步進(jìn)式冷床近年來(lái)在熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中應(yīng)用較多。這種類(lèi)型的冷床由定齒梁和動(dòng)齒梁等組成,通過(guò)動(dòng)齒梁的上升和平移運(yùn)動(dòng),將定齒梁上的鋼管步進(jìn)式地向前移送,鋼管在這個(gè)過(guò)程中由流動(dòng)空氣或強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)行冷卻。如果合理地設(shè)計(jì)定齒梁、動(dòng)齒梁的齒形以及二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡,鋼管可在移送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)滾動(dòng),使鋼管在圓周方向上均勻冷卻,避免發(fā)生彎曲。
由于冷床工作負(fù)載大,帶載啟動(dòng)頻繁,傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的正確計(jì)算是設(shè)備正常運(yùn)行的前提條件。本文著重探討冷床升降傳動(dòng)裝置及橫移傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,以對(duì)同類(lèi)型冷床的設(shè)計(jì)提供參考[1-3]。
齒條步進(jìn)式冷床一般由定齒梁、動(dòng)齒梁、升降傳動(dòng)裝置及橫移傳動(dòng)裝置4個(gè)部分組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。定齒梁對(duì)鋼管起靜支撐作用,升降傳動(dòng)與橫移傳動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)齒梁分別產(chǎn)生升降及橫移運(yùn)動(dòng),從而使鋼管在前進(jìn)過(guò)程中滾動(dòng)并均勻冷卻。
升降傳動(dòng)裝置由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu),搖桿的上下擺動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)齒梁升降。搖桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為直角T型擺軸,擺軸底部由數(shù)組拉桿沿冷床長(zhǎng)度方向(即料流方向)首尾串聯(lián)起來(lái),擺軸的另一端安裝有滾輪,動(dòng)齒梁底部的楔形滑塊在滾輪上能橫向移動(dòng)。升降傳動(dòng)裝置的變頻電機(jī)是雙出軸形式,連接若干臺(tái)減速器沿冷床寬度方向串聯(lián)布置(減速器數(shù)量由冷床寬度確定),減速器輸出軸與充當(dāng)曲柄的偏心軸相連,偏心軸與T型擺軸通過(guò)連桿連接。升降過(guò)程中整個(gè)床面負(fù)荷由升降裝置承擔(dān),升降過(guò)程是靠相互串聯(lián)的拉桿將升降裝置的動(dòng)力傳動(dòng)到整個(gè)床面;因此,升降傳動(dòng)裝置一般位于冷床入口處。升降傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 齒條步進(jìn)式冷床的結(jié)構(gòu)示意
圖2 升降傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意
橫移傳動(dòng)裝置與升降傳動(dòng)裝置類(lèi)似,也是曲柄搖桿機(jī)構(gòu),減速器輸出軸(偏心軸式的曲柄)驅(qū)動(dòng)連桿通過(guò)搖桿(直角L型擺軸)兩直角邊長(zhǎng)放大關(guān)系推(拉)著動(dòng)齒梁產(chǎn)生橫移,橫移傳動(dòng)裝置電機(jī)及減速器的排列形式與升降傳動(dòng)裝置一樣,都是沿冷床寬度方向排列。橫移傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 橫移傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意
齒條步進(jìn)式冷床有兩種工作模式:一種是步進(jìn)模式,另一種是踏步模式。步進(jìn)模式就是每一個(gè)動(dòng)作周期冷床都將鋼管沿料流方向向前傳遞一個(gè)(或者兩個(gè))工位;而踏步模式就是鋼管被動(dòng)齒梁抬起后動(dòng)齒梁后退一小段距離將鋼管又放在原定齒梁齒槽中,鋼管在原地踏步過(guò)程中發(fā)生兩次滾動(dòng)并得到均勻冷卻。在正常連續(xù)軋制過(guò)程中為步進(jìn)模式,在軋管機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不來(lái)料時(shí),可采用踏步模式。
由此可見(jiàn),齒條步進(jìn)式冷床的每一個(gè)工作周期都是由兩個(gè)升降動(dòng)作及兩個(gè)橫移動(dòng)作間隔排序組成的。在冷床傳動(dòng)計(jì)算時(shí),冷床的動(dòng)作周期不得大于軋管機(jī)的軋制周期。
冷床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括升降傳動(dòng)裝置計(jì)算和橫移傳動(dòng)裝置計(jì)算兩部分。從上述工作原理可知,升降傳動(dòng)裝置和橫移傳動(dòng)裝置類(lèi)似,因此以下詳細(xì)介紹升降傳動(dòng)裝置計(jì)算,橫移傳動(dòng)裝置的計(jì)算可與之對(duì)照進(jìn)行。
要確定冷床升降傳動(dòng)和橫移傳動(dòng)裝置的電機(jī)功率,首先必須確定負(fù)載軸功率(即電機(jī)輸出軸處的負(fù)載功率)。負(fù)載軸功率是通過(guò)負(fù)載總轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來(lái),對(duì)于冷床來(lái)說(shuō),負(fù)載總轉(zhuǎn)矩T總從性質(zhì)上可以分為重力矩TG、摩擦力矩Tf和慣性力矩Ta,即:
冷床在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,傳動(dòng)裝置要克服與設(shè)備自身質(zhì)量及鋼管質(zhì)量相關(guān)的阻力矩,在此可以理解為冷床在任意位置保持靜止時(shí)電機(jī)的輸出力矩。
由于T型擺軸的擺動(dòng)特性,在一個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi),冷床的重力矩是隨時(shí)間變化的,為確定電機(jī)的功率,一般取最大值進(jìn)行估算,即取力臂為最大時(shí)的力矩值作為重力矩的計(jì)算力矩。
式中Gg——冷床上盛放鋼管的總重量,N;
Gd——?jiǎng)育X梁的自重,N;
LT——T型擺軸負(fù)載側(cè)的最大力矩長(zhǎng)度,m;
i——減速機(jī)傳動(dòng)比。
在冷床的傳動(dòng)裝置中,存在較多的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)摩擦副,會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)中心的摩擦力矩,而且由于在空轉(zhuǎn)和帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載不同,所以摩擦力矩也是變化的,這里同樣取其最大值作為計(jì)算用的摩擦力矩。
在冷床的升降傳動(dòng)系統(tǒng)中,主要的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)副有曲柄-大連桿處和T型擺軸的4處鉸接點(diǎn),最大摩擦力矩可按公式(3)~(4)計(jì)算[4]:
式中Tq——曲柄-大連桿處的最大摩擦力矩,N·m;
TTx——T型擺軸上4處鉸接點(diǎn)處的最大摩擦力矩,N·m;x=1,2,3,4;
k——系數(shù),對(duì)于跑合過(guò)的軸徑,k=1.27;
μ——運(yùn)動(dòng)副元素是平面時(shí)的摩擦因數(shù);
G——各運(yùn)動(dòng)副處沿軸的直徑方向上作用的最大載荷重量,N;
R——運(yùn)動(dòng)副處軸徑的半徑值,m。
考慮所有的摩擦力矩比較繁瑣,工程計(jì)算時(shí),摩擦力矩也可以根據(jù)裝置的工作效率整體考慮。
冷床在運(yùn)行過(guò)程要頻繁帶載啟動(dòng),因此除了重力矩和摩擦力矩,在計(jì)算時(shí)還要考慮在加速過(guò)程中鋼管和動(dòng)齒梁等的慣性力矩。在升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置中,為了克服設(shè)備自身的慣性所需要的力矩為[5]:
式中Jg,Jl,Js,Jz——轉(zhuǎn)化到電機(jī)輸出軸的鋼管、動(dòng)齒梁、減速器、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;
Jj——電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;
ε——冷床啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的角加速度,rad/s。
上述計(jì)算方法為工程上常用的簡(jiǎn)便方法,可以初步快速地估計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率。如果要較精確地計(jì)算,根據(jù)冷床的傳動(dòng)特性,可以采用等效轉(zhuǎn)矩法[6]:在冷床的動(dòng)作周期內(nèi),隨著曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)位置的不同,整個(gè)床面負(fù)荷產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩是不同的,為了準(zhǔn)確地計(jì)算其數(shù)值,可以將曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度等距平分,取一系列的點(diǎn),計(jì)算出每點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的重力矩、摩擦力矩和慣性力矩,最后匯總出每個(gè)位置點(diǎn)的合力矩,按照公式(6)計(jì)算出當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Te[3]:
式中T1,T2,...,Tm——各分段轉(zhuǎn)矩值,N·m;
t1,t2,...,tm——各分段負(fù)載持續(xù)時(shí)間,s。
因?yàn)槔浯驳倪\(yùn)轉(zhuǎn)速度相對(duì)較慢,為了更好地發(fā)揮電機(jī)的效能,一般選擇8級(jí)交流變頻調(diào)速電機(jī),電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n為750 r/min。至此,根據(jù)公式(7)即可計(jì)算出升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率P[7]:
式中z——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的個(gè)數(shù);
η——系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。
減速機(jī)的傳動(dòng)比是根據(jù)軋制節(jié)奏來(lái)推導(dǎo),升降傳動(dòng)裝置提升/下降的時(shí)間tv可以先按照公式(8)進(jìn)行初步計(jì)算:
式中t——每支鋼管的軋制周期,s;
Sv,SH——升降、橫移行程,m。
公式(8)只是初步計(jì)算時(shí)用來(lái)粗略估計(jì)提升或下降過(guò)程所需要的時(shí)間,且是假設(shè)升降速度等于橫移速度的條件下進(jìn)行計(jì)算的。于是,升降減速機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一次升降所需的時(shí)間為2tv,減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n1=30/tv,減速機(jī)傳動(dòng)比為:
在分析冷床運(yùn)動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上,討論冷床升降傳動(dòng)及橫移傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。需要說(shuō)明的是,為了實(shí)現(xiàn)鋼管輕拿輕放,減小設(shè)備的沖擊載荷,并保證鋼管表面質(zhì)量,還需要在此基礎(chǔ)上合理設(shè)定升降和橫移傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)位置和速度。