姚養(yǎng)庫(kù)，夏澤旭，吳萬(wàn)勇，劉睿平，姜永濤

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 陜西 西安 710018；2.本鋼浦項(xiàng)冷軋薄板有限責(zé)任公司 遼寧 本溪 117000；3.華菱安賽樂(lè)米塔爾汽車板有限公司 湖南 婁底 417000)

0 前言

本鋼浦項(xiàng)2#酸軋機(jī)組由日本三菱-日立公司設(shè)計(jì)，采用了酸洗-軋機(jī)聯(lián)合技術(shù)，并配置了米巴赫激光焊機(jī)，噴射式紊流酸洗，5機(jī)架6輥UCM軋機(jī)等設(shè)備。該機(jī)組具有產(chǎn)量大、尺寸精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。酸洗工藝段主要由拉矯機(jī)及三菱-日立公司設(shè)計(jì)的噴射式紊流酸洗槽及漂洗槽構(gòu)成。經(jīng)過(guò)近期的實(shí)踐生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，酸洗槽擠干輥換輥裝置車輪與滑塊軌道采用鋼對(duì)鋼形式，長(zhǎng)期使用后，車輪與軌道表面形成油污，車輪軸在帶輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)下，車輪與軌道動(dòng)摩擦因數(shù)減小，導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)，換輥車沿?fù)Q輥方向前進(jìn)困難。由于酸軋生產(chǎn)線是一條連續(xù)運(yùn)行的流水線，要確保生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行就要求機(jī)組中的每一臺(tái)設(shè)備都處于一個(gè)良好的工況，因此要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

1 換輥車裝置結(jié)構(gòu)形式

擠干輥換輥車裝置結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。由于生產(chǎn)實(shí)際需要，1#～3#擠干輥采用直線換輥裝置共三套換輥裝置，4#-12#擠干輥采用整體一臺(tái)帶橫移的換輥車裝置裝置。換輥小車的驅(qū)動(dòng)力主要靠本體上的電機(jī)及皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)小車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠軌道提供給車輪的反向摩擦力移動(dòng)，車輪主要承受小車本體及擠干輥的總重力，依靠軌道提供給車輪的反向摩擦力移動(dòng)。正常情況下擠干輥大約在8～9天左右就要安排更換擠干輥，把拆卸下來(lái)的舊棍進(jìn)行修磨；由于操作不當(dāng)、擠干輥膠層質(zhì)量及鍍工期原因，可能導(dǎo)致?lián)Q輥周期提前。而輥?zhàn)右坏┯辛藛?wèn)題不能再使用時(shí)，就必須盡快把舊輥撤下來(lái)，換上新輥以作備件。

圖1 整體式換輥車

2 存在問(wèn)題描述及理論分析

目前車輪與軌道之間存在的問(wèn)題，如圖3所示，換輥裝置車輪與軌道設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼對(duì)鋼形式，當(dāng)間隙填滿潤(rùn)滑油時(shí)，以及酸洗過(guò)程中產(chǎn)生的污物(如乳液膜、油膜等)，較難清洗，長(zhǎng)期使用后存在打滑現(xiàn)象，兩側(cè)車輪很難同步運(yùn)行。

圖3 車輪與軌道之間接觸面打滑

根據(jù)換輥小車的設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)小車進(jìn)行實(shí)際運(yùn)動(dòng)受力分析，如圖4所示，電機(jī)經(jīng)過(guò)皮帶輪機(jī)構(gòu)傳到前輪，對(duì)前輪作用一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩，使前輪做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從而使車輪與地面的接觸點(diǎn)有向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，結(jié)果軌道給前輪一個(gè)向前的摩擦力f1，這就是使小車的外力。后輪是被動(dòng)輪，它與地面接觸點(diǎn)有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，使得地面給前輪一個(gè)向后的摩擦力f2。在不打滑的情況下，車輪與地面之間的摩擦力是靜摩擦力。

圖4 小車移動(dòng)受力分析示意圖

設(shè)小車質(zhì)量為m，前后兩輪間距為l，假設(shè)質(zhì)心距前后輪等距，離地面高度為h。地面對(duì)后輪和前輪的支持力分別為N1、N2，地面對(duì)后輪和前輪的摩擦力分別為f1、f2，小車前進(jìn)的加速度為a，則

f1-f2=ma

(1)

N1+N2-mg=0

(2)

由繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)定律得

f1h-f2h+N2l-N2l=0

(3)

由式(1)、式(2)和式(3)得

(4)

(5)

若忽略后輪所受摩擦力，設(shè)車輪與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，后輪不打滑的條件為

f1≤μN(yùn)1

即

(6)

在有積液及油脂的情況下，軌道表面動(dòng)摩擦因數(shù)一般為0.05～0.1，以至于式(6)的條件不能滿足，是引起打滑現(xiàn)象的主要原因。

由擠干輥車輪打滑，使換輥車兩邊車輪行進(jìn)速度不一致，導(dǎo)致?lián)Q輥車一側(cè)卡頓或者車輪無(wú)法前進(jìn)等情況。若能夠使車體兩側(cè)車輪同步前進(jìn)且前進(jìn)的法向力并不由車輪軌道提供，則可以解決此工程問(wèn)題，因此采取在擠干輥換輥車裝置車輪傳動(dòng)軸上增加一套齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)，既可以使兩側(cè)車輪同步運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)由齒輪齒條法向接觸力提供小車前進(jìn)的力，解決車輪打滑前進(jìn)困難的難題，且盡量控制改進(jìn)后不改變?cè)镜脑O(shè)備結(jié)構(gòu)，方便更換安裝。

3 同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)證

圖5 換輥傳動(dòng)裝置

3.1 齒輪齒條參數(shù)設(shè)定:

根據(jù)線速度與角速度公式v=wr，同步齒輪分度圓直徑應(yīng)該與車輪直徑一致，這樣才能保證車輪與齒輪與相同的線速度行走，所以齒輪分度圓直徑d=180 mm。根據(jù)d=mz，初步設(shè)計(jì)齒輪齒條模數(shù)m=6 mm，齒數(shù)z=30；根據(jù)小車本體與軌道之間間隙，齒輪寬度初步設(shè)計(jì)為B=40 mm。

選擇材料:由于換輥頻率不高，初步選擇齒輪齒條均選擇45#鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到217～255 HBW。

3.2 強(qiáng)度校核

(1)載荷系數(shù)K。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得使用系數(shù)Ka=1;根據(jù)速度v=0.18 m/s,查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.06;根據(jù)直齒硬齒面，8級(jí)精度，查得齒間載荷分配系數(shù)Kα=1.1;根據(jù)b/d=40/180=0.22,硬齒面，齒輪在兩支撐之間非對(duì)稱布置，查得齒向載荷分配系數(shù)Kβ=1.05。故載荷系數(shù)K=KaKvKαKβ=1.19。

(2)由于中心距180 mm不需要圓整，重合度系數(shù)Yε=1;根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)查取齒形系數(shù)YFa=2.48，應(yīng)力修正系數(shù)YSa=1.62。

(3)校核齒根彎曲強(qiáng)度。

2.48×1.62×1=0.15 MPa≤[σF1]

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求。

(4)校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。根據(jù)選擇的材料，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得：

齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。

(5)將選擇的材料及動(dòng)載系數(shù)輸入計(jì)算機(jī)模擬漸開線校核得出齒輪齒條齒面疲勞安全系數(shù)，以及齒根疲勞安全系數(shù)均在工況安全范圍內(nèi)(齒面安全系數(shù)>0.8，齒根安全系數(shù)>2)，因此選擇材料符合要求，如圖6所示。

圖6 齒輪齒條疲勞強(qiáng)度分析

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，兩齒輪均選用45#鋼調(diào)質(zhì)處理，由于齒面安全系數(shù)雖然大于理論值，但不是很理想，所以齒輪調(diào)質(zhì)后另外齒面淬火處理；按8級(jí)精度設(shè)計(jì)；齒數(shù)Z=30;模數(shù)m=6 mm；壓力角α=20°；變位系數(shù)x=0；分度圓直徑180 mm；齒輪齒寬40 mm，齒條齒寬38 mm；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，齒條齒根圓到齒條底部端面應(yīng)大于2.2倍模數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間，齒條齒根圓到齒條底部端面高度為25 mm。

4 安裝方法及步驟

(1)將換輥裝置移出至軌道外，將車輪傳動(dòng)軸從本體中拆卸出，將傳動(dòng)軸端面開鍵槽；

(2)恢復(fù)傳動(dòng)軸的裝配，同時(shí)齒條定位塊點(diǎn)焊在工字鋼軌道邊緣，用水平儀調(diào)整定位塊端面水平度，與工字鋼滑動(dòng)軌道端面水平度保持一致，然后定位塊與工字鋼邊沿滿焊，保證焊接強(qiáng)度及剛度。

(3)新增加齒輪齒條機(jī)構(gòu)安裝至傳動(dòng)軸上，齒條用M10×30螺栓與定位塊連接；安裝好后用定位銷固定。安裝后的齒輪齒條位置如圖7所示。

圖7 同步裝置安裝后位置圖

5 結(jié)語(yǔ)

增加同步機(jī)構(gòu)的擠干輥換輥裝置，解決了長(zhǎng)期擠干輥車輪軌道打滑導(dǎo)致擠干輥無(wú)法正常更換問(wèn)題。從此次換輥裝置改進(jìn)的成功，進(jìn)一步可以增強(qiáng)設(shè)備的可靠性、降低事故的多發(fā)性、提高生產(chǎn)效力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)實(shí)施安裝非常簡(jiǎn)便、成本費(fèi)用不高且易于實(shí)施，能有效的降低成本，節(jié)約能源，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。