尹慶凱,沈明明,李書磊,馬 斌,李江柳,宋應(yīng)剛
(1.中信重工機(jī)械股份有限公司,河南 洛陽 471039;2.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,河南 洛陽 471039)
LG220冷軋管機(jī)是一種以金屬塑性變形的方式生產(chǎn)高精度無縫管材的生產(chǎn)設(shè)備,具有道次變形量大、金屬消耗少、對管材壁厚的糾偏能力強(qiáng)、產(chǎn)品組織晶粒細(xì)密、機(jī)械性能和物理性能優(yōu)越、幾何尺寸精確、表面光潔度高等特點(diǎn)[1-2]。
主傳動系統(tǒng)是影響LG220冷軋管機(jī)設(shè)備精度的關(guān)鍵因素。本文通過對LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)構(gòu)成分析,曲軸傳動和平衡裝置構(gòu)成分析,以及曲軸傳動和平衡裝置工作原理分析,并簡化曲軸傳動和平衡裝置運(yùn)動學(xué)運(yùn)動簡圖,建立主傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)計算公式,計算主傳動系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)角φ變化的運(yùn)動規(guī)律,為LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供計算依據(jù)和理論基礎(chǔ),提高LG220冷軋管機(jī)的設(shè)計準(zhǔn)確度和設(shè)備精度[3-5]。
LG220冷軋管機(jī)的主傳動系統(tǒng)主要由主傳動裝置、傳動裝置、減速機(jī)、曲軸傳動和平衡裝置組成,圖1為LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)裝配圖。主電機(jī)通過聯(lián)軸器連接減速器,將動力傳至曲軸傳動和平衡裝置,曲軸傳動和平衡裝置在曲拐軸頸處通過水平機(jī)架連桿與軋機(jī)機(jī)架相連,使軋機(jī)機(jī)架作往復(fù)運(yùn)動,實現(xiàn)管材軋制[3-5]。因此,曲軸傳動和平衡裝置是實現(xiàn)冷軋管機(jī)軋制往復(fù)運(yùn)動的核心部件,是分析主傳動運(yùn)動規(guī)律的關(guān)鍵所在。
圖1 LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)裝配圖
LG220冷軋管機(jī)的曲軸傳動和平衡裝置采用垂直滑動平衡重滑架平衡機(jī)構(gòu),主要由機(jī)架連桿、曲軸箱、曲軸、扇形平衡塊、平衡重連桿、平衡重滑架組成,圖2為LG220冷軋管機(jī)曲軸傳動和平衡裝置裝配圖。其中機(jī)架連桿和曲軸組成曲軸傳動裝置,扇形平衡塊、平衡重連桿、平衡重滑架組成曲軸平衡裝置。平衡重連桿將曲軸傳動裝置和平衡重滑架相連,使平衡滑架在垂直方向與機(jī)架一起作往復(fù)運(yùn)動。軋機(jī)機(jī)架在往復(fù)運(yùn)動中產(chǎn)生的巨大慣性力和慣性力矩,靠相錯90°相位角的平衡重滑架來平衡。機(jī)架減速時釋放出的能量,由平衡重滑架儲存起來,在機(jī)架加速時再次利用機(jī)架和平衡重滑架的慣性力靠曲軸上的扇型平衡塊的作用來平衡。轉(zhuǎn)矩平衡,使峰值大大減小,且出現(xiàn)曲軸端的全部力矩總和沒有負(fù)值,即使電動機(jī)的輸出力矩不反向,其波動的最大值不超過額定值的±10%;慣性力平衡使剩余的旋轉(zhuǎn)慣性力只有機(jī)架慣性力最大值的±10%左右[1-5]。
圖2 LG220冷軋管機(jī)曲軸傳動和平衡裝置裝配圖
為了進(jìn)行LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)計算與運(yùn)動規(guī)律分析,根據(jù)LG220冷軋管機(jī)的主傳動系統(tǒng)以及曲軸傳動和平衡裝置工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將主傳動系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)簡化,如圖3所示。
圖3 LG220冷軋管機(jī)的主傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖
圖中,B為工作機(jī)架;B1為平衡重滑架;S為扇形塊;L為機(jī)架連桿長度;L1為平衡重滑架連桿長度;R為曲柄回轉(zhuǎn)半徑;ω為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度;e為機(jī)架連桿錯距;φ為曲柄轉(zhuǎn)角;θ為機(jī)架連桿與水平夾角;θ1為平衡重滑架連桿垂直夾角。
采用拆干法[4-5]建立LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)機(jī)架連桿、平衡重滑架連桿與曲柄轉(zhuǎn)角的相互關(guān)系。
根據(jù)LG220冷軋管機(jī)的主傳動系統(tǒng)運(yùn)動簡圖和運(yùn)動學(xué)計算方法,主傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)計算公式主要由以下六部分組成[6-13]。
(1)機(jī)架連桿水平夾角θ
由圖1可建立機(jī)架連桿水平夾角θ和曲柄轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系式為
θ=arcsin[(Rsinφ+e)/L]
(1)
(2)平衡重連桿垂直夾角θ1
由圖1可建立平衡重連桿垂直夾角和曲柄轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系式為
θ1=arcsin(Rcosφ/L1)
(2)
(1)工作機(jī)架水平位移
以曲柄回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn),水平方向為x軸,垂直方向為y軸,可建立工作機(jī)架與機(jī)架連桿水平夾角θ與曲柄轉(zhuǎn)角φ關(guān)系式為
X=-(Rcosφ+Lcosθ)
(3)
(2)平衡重滑架垂直位移
同樣可得重錘垂直方向位移Y1為
Y1=-(Rsinφ+L1cosθ1)
(4)
(1)工作機(jī)架速度
將式(3)對時間求導(dǎo)即可得到工作機(jī)架在水平方向做往復(fù)運(yùn)動速度V為
V=ωR(sinφ+tgθcosφ)
(5)
(2)平衡重滑架速度
將式(4)對時間求導(dǎo)即可得到平衡重滑架在垂直方向做往復(fù)運(yùn)動速度V1為
V1=-ωR(cosφ+tgθ1sinφ)
(6)
(1)工作機(jī)架加速度
將式(5)對時間求導(dǎo)即可得到工作機(jī)架在水平方向做往復(fù)運(yùn)動加速度a為
a=ω2R[cosφ-tanθ6φ+Rcos2φ/(Lcos3θ)]
(7)
(2)平衡重滑架加速度
將式(6)對時間求導(dǎo)即可得到平衡重滑架在垂直方向的做往復(fù)運(yùn)動加速度a1為
a1=ω2R[sinφ-tanθ1cosφ+Rsin2φ/(Lcos3θ1)]
(8)
(1)機(jī)架連桿角速度
將式(1)對時間求導(dǎo)即可得到工作機(jī)架連桿角速度ωL為
ωL=ωRcosφ/(Lcosθ)
(9)
(2)平衡重滑架連桿角速度。
將式(2)對時間求導(dǎo)即可得到平衡重滑架連桿角速度ωL1為
ωL1=-ωRsinφ/(L1cosθ1)
(10)
(1)機(jī)架連桿角加速度
將式(9)對時間求導(dǎo)即可得到工作機(jī)架連桿角加速度ξL為
ξL=(ω2R/L){[(Rsinθcos2φ)/(Lcos3θ)]-
(sinφ/cosθ)}
(11)
(2)平衡重滑架連桿角加速度
將式(10)對時間求導(dǎo)即可得到平衡重滑架連桿角加速度ξL1為
ξL1=(ω2R/L1){[(Rsinθ1sin2φ)/(L1cos3θ1)]-
(cosφ/cosθ1)}
(12)
LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)已知設(shè)備主要參數(shù)見表1。
表1 LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)主要參數(shù)
將表1中LG220冷軋管機(jī)的主要參數(shù)代入式(1)~式(12),計算主傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù),可得LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)主要運(yùn)動學(xué)參數(shù)隨曲柄轉(zhuǎn)角φ變化的運(yùn)動規(guī)律,如圖4所示[6-10]。
圖4 LG220冷軋管機(jī)的主傳動系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律
由圖4可得到LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律為:
(1)機(jī)架連桿和平衡重連桿夾角變化規(guī)律和擺動極限值
機(jī)架連桿水平夾角θ呈正弦周期變化,擺動極限值為-5.917°~28.891°,平衡重連桿垂直夾角θ1呈余弦周期變化,擺動極限值為-19.661°~19.661°(負(fù)號表示運(yùn)動方向與運(yùn)動正方向相反)。
(2)機(jī)架和平衡重滑架位移變化規(guī)律和行程范圍
工作機(jī)架水平位移呈余弦周期變化,可得工作機(jī)機(jī)架行程為1 400 mm,平衡重滑架垂直位移呈正弦周期變化,可得平衡重滑架行程為1 400 mm。
(3)機(jī)架和平衡重滑架速度變化規(guī)律和變化范圍
工作機(jī)架速度呈正弦周期變化,變化范圍為-2.199 1~2.263 1 m/s,平衡重滑架呈余弦周期變化,變化范圍為-2.230 8~2.230 8 m/s。
(4)機(jī)架和平衡重滑架加速度變化規(guī)律和變化范圍
工作機(jī)架加速度呈余弦周期變化,波動區(qū)間為-5.922 2~7.964 2 m/s2,平衡重滑架加速度呈正弦周期變化,波動區(qū)間為-5.729 2~8.088 3 m/s2。
(5)機(jī)架和平衡重滑架角速度變化規(guī)律和變化范圍
工作機(jī)架連桿角速度ωL呈余弦周期變化,變化區(qū)間為-0.475 26~0.475 26 rad/s,平衡重滑架連桿角速度ωL1呈正弦周期變化,變化區(qū)間為-0.472 93~0.472 93 rad/s。
(6)機(jī)架和平衡重滑架角加速度變化規(guī)律和變化范圍
工作機(jī)架連桿角加速度ξL呈正弦周期變化,變化區(qū)間為-1.534 3~1.487 7 rad/s2,平衡重滑架連桿角加速度ξL1呈余弦周期變化,變化區(qū)間為-1.710 2~1.710 2 rad/s2。
通過對LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)、曲軸傳動和平衡裝置構(gòu)成以及工作原理分析,在簡化曲軸傳動和平衡裝置運(yùn)動學(xué)運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖的基礎(chǔ)上,建立了主傳動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)計算公式,根據(jù)LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)已知設(shè)備主要參數(shù),計算并得到了主傳動系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)角φ變化而引起的角度、位移、速度、加速度、角速度、角加速度六個方面的運(yùn)動規(guī)律和參數(shù)值:
(1)機(jī)架連桿和平衡重連桿夾角變化規(guī)律和擺動極限值;
(2)機(jī)架和平衡重滑架位移變化規(guī)律和行程范圍;
(3)機(jī)架和平衡重滑架速度變化規(guī)律和變化范圍;
(4)機(jī)架和平衡重滑架加速度變化規(guī)律和變化范圍;
(5)機(jī)架和平衡重滑架角速度變化規(guī)律和變化范圍;
(6)機(jī)架和平衡重滑架角加速度變化規(guī)律和變化范圍。
通過以上對LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)、曲軸傳動和平衡裝置構(gòu)成和工作原理介紹,運(yùn)動學(xué)參數(shù)計算,得到了主傳動系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)角φ變化的運(yùn)動規(guī)律,為LG220冷軋管機(jī)主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了計算依據(jù)和理論基礎(chǔ),提高了LG220冷軋管機(jī)的設(shè)計準(zhǔn)確度和設(shè)備精度。