李永峰 王 莉

(山鋼集團(tuán)萊蕪鋼鐵股份有限公司棒材廠，山東271104)

因工藝生產(chǎn)料型控制的需求，常規(guī)小型棒材生產(chǎn)線在工藝裝備布局上，往往需要在靠近3#倍尺飛剪的成品精軋機(jī)列或中軋后續(xù)機(jī)列上各布置一臺(tái)350短應(yīng)力立軋機(jī)，以消除軋制過(guò)程中平軋機(jī)組導(dǎo)衛(wèi)對(duì)軋材料型的扭轉(zhuǎn)作用，精確控制軋材的外形尺寸，提高成品材外形尺寸的精度控制。

常規(guī)350立軋機(jī)組采用上下90°垂直布置方案，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)、減速機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)均布置在350立軋機(jī)鋼結(jié)構(gòu)支架正上方安裝平臺(tái)上，并用十字萬(wàn)向接軸將垂直于正下方的350短應(yīng)力軋機(jī)輥頭與正上方的減速機(jī)輸出軸套進(jìn)行可靠聯(lián)接，以傳遞軋制輸出扭矩。

1 存在問(wèn)題

由于現(xiàn)場(chǎng)350軋機(jī)十字萬(wàn)向接軸采用垂直安裝的方式懸配在上下布置的減速機(jī)與軋機(jī)之間，使用常規(guī)吊葫蘆吊裝作業(yè)時(shí)無(wú)法精確控制萬(wàn)向接軸的在線垂直姿態(tài)，十字萬(wàn)向接軸裝配法蘭與減速機(jī)輸出軸套法蘭定位偏差大，現(xiàn)場(chǎng)裝配及拆卸極其困難，檢修人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，安全性較差，必需引入一種輔助機(jī)構(gòu)來(lái)配合吊葫蘆完成萬(wàn)向接軸的垂直姿態(tài)控制，并在其離線后穩(wěn)定的平衡吊運(yùn)，由垂直工況轉(zhuǎn)換為近似的水平狀態(tài)，將萬(wàn)向接軸最終可靠放置在機(jī)旁備件工位貨架上，當(dāng)需要重新吊取水平貨架上的新十字萬(wàn)向接軸備件并上線裝配時(shí)，逆向重復(fù)以上步驟即可完成抓取→調(diào)整→平衡→上線整套工作流程。具體參見(jiàn)圖1垂直離線工作狀態(tài)圖及圖2調(diào)整平衡姿態(tài)圖。

1—350立軋機(jī) 2—十字萬(wàn)向接軸 3—雙滑動(dòng)螺旋立軋機(jī)萬(wàn)向接軸拆裝結(jié)構(gòu) 4—現(xiàn)場(chǎng)吊葫蘆鉤頭 5—減速機(jī) 6—電機(jī) 7—鋼結(jié)構(gòu)支架圖1 垂直離線工作狀態(tài)圖Figure 1 Vertical off-line working status

圖2 調(diào)整平衡姿態(tài)圖Figure 2 Balancing shape adjustment

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種帶Ⅱ級(jí)桿組的動(dòng)平衡式雙滑動(dòng)螺旋立軋機(jī)萬(wàn)向接軸拆裝機(jī)構(gòu)，主要由原動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、夾緊動(dòng)力機(jī)構(gòu)、夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)、平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)等五大部分組合而成，原動(dòng)機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速扭矩經(jīng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傘齒輪減速放大后分別傳遞給兩套獨(dú)立動(dòng)作的滑動(dòng)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過(guò)電磁離合器的配合，完成先后順序的邏輯動(dòng)作。具體參見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Figure 3 Mechanism motion

3 具體方案

3.1 主系統(tǒng)組成

主系統(tǒng)是由Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)與Ⅱ級(jí)桿組通過(guò)低副鉸接后構(gòu)成一組自由度數(shù)為1(系統(tǒng)只有1個(gè)原動(dòng)件)，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行從動(dòng)構(gòu)件，做規(guī)律性周期運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳遞及運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，在傳遞功率不變的前提下，合理設(shè)計(jì)、匹配杠桿機(jī)構(gòu)的力臂來(lái)放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)件開(kāi)口度位移及夾緊力矩，并完成周期性規(guī)律的開(kāi)合及空間姿態(tài)的轉(zhuǎn)換調(diào)整動(dòng)作。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)

在動(dòng)力匹配上，通過(guò)一臺(tái)電機(jī)輸出的扭矩經(jīng)兩套空間90°鏡像對(duì)稱布置的傘齒輪組嚙合傳動(dòng)后分為同軸線布置的兩路傳遞(夾緊動(dòng)力機(jī)構(gòu)及平衡調(diào)整機(jī)構(gòu))，并配合減速機(jī)構(gòu)輸出軸上的兩套電磁離合器邏輯順序的結(jié)合與分離，分別單獨(dú)控制系統(tǒng)夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)與平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)的兩套滑動(dòng)螺旋副做獨(dú)立間歇性周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)形式的傳遞、轉(zhuǎn)化，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)做規(guī)律性確定的平面空間啟閉及姿態(tài)調(diào)整動(dòng)作，并對(duì)外輸出做功，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)棒線立軋機(jī)在線十字萬(wàn)向接軸的抓取、抱緊、平衡及姿態(tài)轉(zhuǎn)換，輔助檢修人員對(duì)棒線立軋機(jī)十字萬(wàn)向接軸進(jìn)行在線的拆卸及安裝。具體參見(jiàn)圖4機(jī)構(gòu)俯視圖及圖5機(jī)構(gòu)軸向側(cè)剖圖。

圖4 機(jī)構(gòu)俯視圖Figure 4 Planform of mechanism

圖5 機(jī)構(gòu)軸向側(cè)剖圖Figure 5 Axial section view of mechanism

3.3 夾緊動(dòng)力機(jī)構(gòu)

夾緊動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用鋸齒形S單向傳力滑動(dòng)螺旋副，螺旋主動(dòng)支撐旋轉(zhuǎn)，螺母從動(dòng)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。采用S鋸齒形牙型設(shè)計(jì)：齒形工作面牙型半角3°，非工作面為30°，具有齒根部圓角大，強(qiáng)度高，對(duì)中好，磨損后間隙可自動(dòng)補(bǔ)償，傳動(dòng)效率高，單向受力好的特點(diǎn)。

考慮到結(jié)構(gòu)的安全性與系統(tǒng)的完整性，該設(shè)計(jì)中必須合理設(shè)計(jì)并校核鋸齒形S單向傳力滑動(dòng)螺旋的螺紋升角ψ值，使其小于系統(tǒng)的當(dāng)量摩擦角α(ψ≤α-1°)，使夾緊動(dòng)力機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)螺旋副具有可靠的反向自鎖緊功能，防止由于滑動(dòng)螺旋副意外松脫而導(dǎo)致承壓滑塊反向漂移，致使夾臂(一)和夾臂(二)的夾緊力突然徑向卸載而脫開(kāi)，造成十字萬(wàn)向接軸脫落的重大事故。

為提升系統(tǒng)的雙重可靠性，夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉合到位后可用安全螺栓將夾臂(一)和夾臂(二)人工手動(dòng)螺栓聯(lián)接，機(jī)械固定，一旦承壓滑塊或?qū)U(一)出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)，防止夾臂(一)與夾臂(二)意外脫開(kāi)，造成安全事故，提高系統(tǒng)的雙重安全性。

3.4 夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)

夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾臂(一)為固定鉸接，且自由度為1的Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)，與夾桿(一)及承壓滑塊所構(gòu)成的自由度為0并帶有轉(zhuǎn)動(dòng)副，與移動(dòng)副的Ⅱ級(jí)桿組系統(tǒng)組合后構(gòu)成平面連桿的Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)做為該系統(tǒng)的夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并采用鏡像對(duì)稱的復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)布置夾臂(二)與夾桿(二)，使夾持力分布均勻，防止偏載。

考慮到系統(tǒng)的安全性與結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，防止局部偏載而造成受力不均，夾臂均采用可調(diào)式夾緊盤(pán)雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)：在原主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上配有夾緊盤(pán)與兩夾臂復(fù)合鉸接，利用動(dòng)力臂小于阻力臂相位角放大的杠桿原理，通過(guò)螺旋配合，將夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾緊力二次放大，并進(jìn)行夾緊力的預(yù)緊與微調(diào)，使夾緊載荷勻布，防止系統(tǒng)偏載。

3.5 平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)

平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)中，通過(guò)兩個(gè)滑動(dòng)軸承座的雙軸向固定旋配，配合U型導(dǎo)軌的導(dǎo)向，使平衡導(dǎo)塊縱向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，改變系統(tǒng)的力臂，精確控制系統(tǒng)的平衡姿態(tài)。平衡調(diào)整機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)螺旋采用30°梯形雙向傳導(dǎo)滑動(dòng)螺旋副設(shè)計(jì)，滑移小車縱向調(diào)整運(yùn)動(dòng)行程較大，正反雙向均可無(wú)阻尼的滑動(dòng)自如?；菩≤嚍槠史质浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由上滑移臺(tái)架、下滑移臺(tái)架、小車本體共三大部分通過(guò)螺栓連接組裝而成，內(nèi)螺紋磨損后可通過(guò)加減中間的墊片調(diào)整配合間隙，便于機(jī)械加工及現(xiàn)場(chǎng)組裝。具體參見(jiàn)圖6滑移小車裝配圖。

在齒形設(shè)計(jì)上采用30°牙型角的梯形傳導(dǎo)螺紋，具有低速旋合精度高，重載牙根寬度大，綜合承載能力強(qiáng)，加工工藝性好的特點(diǎn)，便于機(jī)加工過(guò)程尺寸公差精度控制，綜合力學(xué)性能好，可承受較大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，尤其適用于中低速高精度傳導(dǎo)的調(diào)整螺旋運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.6 減速機(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)的三套傘齒輪均為開(kāi)式齒輪嚙合傳動(dòng)。采用可調(diào)試模塊化拼裝方案：每個(gè)傘齒輪與各自獨(dú)立的軸承支架部裝后作為各自獨(dú)立的模塊單元，再分別與主動(dòng)傘齒模塊進(jìn)行總裝。每個(gè)獨(dú)立的傘齒模塊均采用可調(diào)式單側(cè)套裝定距環(huán)固定方式。具體參見(jiàn)圖7減速機(jī)構(gòu)裝配圖。

1—上滑移臺(tái)架 2—聯(lián)接螺栓 3—下滑移臺(tái)架 4—小車本體 5—深溝球軸承(1000300)圖6 滑移小車裝配圖Figure 6 Assembly of sliding cart

圖7 減速機(jī)構(gòu)裝配圖Figure 7 Assembly of reducing mechanism

3.7 電磁離合器控制

電磁離合器的控制可采用有線或無(wú)線兩種選配方案，當(dāng)采用有線方案時(shí)，控制按鈕可接入吊葫蘆的操作手柄，用吊葫蘆原有的1臺(tái)操作手柄來(lái)同時(shí)控制吊葫蘆與該機(jī)構(gòu)的配合運(yùn)行；若采用無(wú)線方案時(shí)，需要重新配置一套無(wú)線遙控器及接收器，與原來(lái)的吊葫蘆有線操作手柄分開(kāi)獨(dú)立操作，分別單獨(dú)控制該機(jī)構(gòu)與吊葫蘆的配合運(yùn)行。設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)采用了CPU224模塊(6ES7 214-1AD23-0XB8)來(lái)邏輯控制兩套電磁離合器及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。操作手柄上設(shè)有啟動(dòng)、夾緊、松脫、調(diào)整+、調(diào)整-、停止共6個(gè)控制按鈕。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)棒線立軋機(jī)在線十字萬(wàn)向接軸的抓取、抱緊、平衡及姿態(tài)轉(zhuǎn)換，輔助檢修人員對(duì)棒線立軋機(jī)十字萬(wàn)向接軸進(jìn)行在線的拆卸及安裝，改善了檢修作業(yè)的環(huán)境，減輕了勞動(dòng)量，提高了作業(yè)效率。