黃軍銘

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川610052)

某鋼鐵公司1780 mm熱軋擬配套建設(shè)1條剪切式取樣機(jī)組，滿足熱軋產(chǎn)品取樣需求，取樣機(jī)組取樣主要產(chǎn)品為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、冷軋超高強(qiáng)鋼等。該取樣機(jī)組具備“地輥+開(kāi)卷器+反彎輥”設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)卷、回卷自動(dòng)化控制功能。其中地輥站用來(lái)拆除捆帶或改變帶頭旋轉(zhuǎn)方向，將帶頭展開(kāi)送入其它設(shè)備，地輥可以正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)地輥轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鋼卷，使鋼卷的捆帶能夠從機(jī)組的操作側(cè)順利抽出。

1 地輥裝置驅(qū)動(dòng)形式確定

取樣機(jī)組地輥裝置位于液壓剪前面，由兩個(gè)大小相同的地輥組成，兩個(gè)地輥布置在鋼卷運(yùn)輸車(chē)中心線兩側(cè)。當(dāng)需對(duì)鋼卷取樣時(shí)，可使鋼卷按要求進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，在開(kāi)卷時(shí)地輥正轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)，將鋼卷外圈打開(kāi)，使鋼卷頭部進(jìn)入取樣剪，剪切帶鋼取樣。完成剪切帶鋼試樣后，地輥反轉(zhuǎn)(順時(shí)針)，將鋼卷重新卷好。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，地輥驅(qū)動(dòng)一般有單輥傳動(dòng)和雙輥傳動(dòng)兩種方式，這兩種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。這里針對(duì)取樣機(jī)組的地輥進(jìn)行分析。

單輥驅(qū)動(dòng)，一個(gè)地輥為主動(dòng)，另一個(gè)為從動(dòng)輥。假設(shè)地輥1是主動(dòng)輥，地輥2是從動(dòng)輥，鋼卷逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，地輥1和從動(dòng)輥2分別對(duì)鋼卷底部形成力F1和F2，產(chǎn)生方向相反的分力F1cosα和F2cosα，如圖1所示。取樣鋼卷厚度為1.2～12.7 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于厚度小于2 mm的鋼卷，形成的作用力作用于鋼卷表面時(shí)可能使鋼卷表面擠壓變形，形成褶皺或者起拱，影響取樣產(chǎn)品質(zhì)量，見(jiàn)圖2。

圖1 單輥驅(qū)動(dòng)地輥鋼卷受力圖

圖2 鋼卷表面變形

同理，地輥1是從動(dòng)輥，地輥2是主動(dòng)輥時(shí)，薄鋼卷順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能產(chǎn)生表面變形。因此本取樣機(jī)組地輥不宜采用單輥驅(qū)動(dòng)方式。

雙輥驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)地輥同時(shí)動(dòng)作。兩個(gè)地輥線速度基本相同，鋼卷不易產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，在理想情況下，不論正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，兩個(gè)地輥對(duì)鋼卷底部形成的力F1和F2；產(chǎn)生方向相同的分力F1cosα和F2cosα，如圖3所示，該作用力對(duì)鋼卷表面形狀影響較小，有條件的情況下前進(jìn)輥略快于后輥，使兩輥之間的鋼板承受拉力，更有利于取樣前后鋼卷產(chǎn)品的板型控制，可以確定本取樣機(jī)組地輥采用雙輥傳動(dòng)方式。

圖3 雙輥驅(qū)動(dòng)地輥鋼卷受力圖

2 地輥轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)分析

以取樣最大鋼卷進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)技術(shù)附件知道相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

最大鋼卷外徑：D=2150 mm

最大鋼卷重量：G=32.6 t

地輥中心間距：H=890 mm

地輥輥身外徑：d=360 mm

地輥傳動(dòng)軸承內(nèi)徑：d1=150 mm

地輥重量：G1=1.265 t

鋼卷與輥?zhàn)又行木啵篖=(D+d)/2=1255 mm

地輥雙輥傳動(dòng)即兩個(gè)地輥輥?zhàn)庸ぷ鲿r(shí)同時(shí)動(dòng)作，可做出受力分析，如圖3所示。

鋼卷所受地輥1的摩擦力F1=μN(yùn)1；鋼卷所受地輥2的摩擦力F2=μN(yùn)2；鋼卷所受地輥1的支持力N1；鋼卷所受地輥2的支持力N2；摩擦系數(shù)μ=0.16。

根據(jù)力的平衡公式有：

(1)水平方向

F1cosα+N1sinα+F2cosα=N2sinα

即：μN(yùn)1cosα+N1sinα+μN(yùn)2cosα=N2sinα

N1=N2(sinα-μcosα)/(μcosα+sinα)=0.4066N2

式中，sinα=(h/2)/L=0.3546

地輥支持力N1、N2與重力的方向夾角為α。

(2)垂直方向

F1sinα+G=N1cosα+N2cosα+F2sinα

N1=0.4066N2=96305.5 N

由靜力矩公式：

M=(N+G1)fd1/2+Fd/2

式中，潤(rùn)滑良好的地輥軸承摩擦系數(shù)f=0.004?？梢运愠鋈訖C(jī)組地輥裝置工作時(shí)，地輥1所需靜矩為：

M1=(N1+G1)fd1/2+μN(yùn)1d/2=2900.29 N·m

地輥2所需靜矩為：

M2(N2+G1)fd1/2+μN(yùn)2d/2=6990.3 N·m

M2>M1

所以單個(gè)地輥所需最大驅(qū)動(dòng)力矩為：T=M2=6900.3 N·m

3 液壓回路設(shè)置

一般電機(jī)達(dá)不到單個(gè)地輥的最大驅(qū)動(dòng)力矩，特殊電機(jī)成本太高，故采用低速大扭矩液壓馬達(dá)進(jìn)行雙輥驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)地輥的液壓回路設(shè)置相同。由技術(shù)附件可知：

液壓系統(tǒng)壓力P=16 MPa；取樣要求最大線速度v=310 mm/s。根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力選擇液壓馬達(dá)最大扭矩為1490 N·m，顯然遠(yuǎn)小于額定力矩T，因此，需要在液壓馬達(dá)和地輥之間增加減速機(jī)，考慮到馬達(dá)的價(jià)格和現(xiàn)場(chǎng)安裝空間等因素，選擇低速擺線式液壓馬達(dá)TG195，排量q=0.195 L/r，系統(tǒng)壓力16 MPa時(shí)馬達(dá)額定輸出扭矩Me=425 N·m，如圖4。

圖4 液壓馬達(dá)樣本資料

地輥工作過(guò)程中需要克服馬達(dá)和減速機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，可以取安全系數(shù)k=1.1。

Mmax=kT=7866.342 N·m

減速機(jī)減速比i>T/Me=18.509，取i=18.6。

馬達(dá)轉(zhuǎn)速n=60vl/πd=355.2338 r/min

馬達(dá)流量Q=qn/1000=69.27 L/min

根據(jù)單個(gè)馬達(dá)流量選擇所匹配的液壓閥回路通徑為DN10。

要實(shí)現(xiàn)取樣鋼卷正反轉(zhuǎn)，需控制液流方向，選擇液壓換向閥，該閥有三個(gè)中位機(jī)能，可實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。對(duì)于較重的鋼卷，鋼卷慣性較大，地輥啟停時(shí)地輥和鋼卷之間可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，造成事故或地輥編碼器讀數(shù)與實(shí)際鋼卷的轉(zhuǎn)動(dòng)量有偏差。為避免該現(xiàn)象，選擇比例換向閥，在普通方向閥的基礎(chǔ)上可以控制液流的流量，通過(guò)電調(diào)可以實(shí)現(xiàn)地輥啟停的加減速動(dòng)作。同時(shí)比例換向閥配合地輥?zhàn)詭У木幋a器可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輥?zhàn)油瑫r(shí)動(dòng)作，防止錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)比例電磁閥特性曲線選擇與液壓馬達(dá)流量Q匹配的通徑為10 mm，如圖5所示。

圖5 比例閥流量特性曲線

為了提高地輥液壓馬達(dá)工作的穩(wěn)定性，避免壓力波動(dòng)對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，選擇壓力補(bǔ)償器，穩(wěn)定閥后壓力，壓力補(bǔ)償器用于主閥P口的負(fù)載補(bǔ)償。

地輥裝置停機(jī)或者工作流程中地輥需要停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，地輥不能因?yàn)橥饬θ玟摼淼淖灾氐茸饔孟伦孕修D(zhuǎn)動(dòng)，必須鎖定，因此選擇疊加式液控單向閥。為保證疊加式液控單向閥的正確動(dòng)作，當(dāng)方向閥處于中位時(shí)，閥的工作油口需與油箱相連，即比例換向閥選擇J型三位四通閥。

負(fù)載沖擊或誤動(dòng)作等都會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，過(guò)高的壓力可能對(duì)液壓閥和馬達(dá)等元件產(chǎn)生沖擊，影響元件使用功能或者使用壽命，需要使用疊加式溢流閥，對(duì)液壓回路的壓力進(jìn)行上限控制。溢流閥彈簧調(diào)定壓力需略大于系統(tǒng)壓力16 MPa，設(shè)為17 MPa。

其他液壓回路工作時(shí)液壓系統(tǒng)主管產(chǎn)生的壓力波動(dòng)對(duì)馬達(dá)動(dòng)作產(chǎn)生影響，在液壓回路t口安裝單向閥。為測(cè)量壓力，在地輥液壓馬達(dá)的AB口安裝測(cè)壓接頭。液壓馬達(dá)A口或者B口油液的壓力數(shù)值對(duì)于前期液壓系統(tǒng)的調(diào)試和后期液壓系統(tǒng)的故障診斷有重要作用。

檢修地輥或地輥液壓回路時(shí)關(guān)閉，避免誤操作對(duì)設(shè)備或人員造成損害，在閥組與馬達(dá)之間安裝球閥，起開(kāi)關(guān)作用，工作時(shí)處于打開(kāi)狀態(tài)。

地輥液壓回路由比例換向閥4WRAE10W1、壓力補(bǔ)償器ZDC10P、疊加式液控單向閥Z2S10、疊加式溢流閥Z2DB10VC2、插裝式單向閥M-SR15KE05-1X、測(cè)壓接頭G1/4-M16×2、球閥和液壓馬達(dá)TG195組成。地輥液壓回路見(jiàn)圖6。

圖6 地輥液壓回路圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種雙輥傳動(dòng)地輥站液壓控制回路的設(shè)計(jì)方法，使用后，運(yùn)行合理。作為一種常見(jiàn)的設(shè)備，地輥裝置應(yīng)用場(chǎng)景不同，使用要求不同，控制方式也可能不同。確定地輥傳動(dòng)方式及后續(xù)研究時(shí)，要考慮地輥的具體用途，從功能和成本上進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)備使用需求。