冷床本體I\\Ⅱ段傳動裝置不同步現象探討

摘 要:簡要介紹了冷床傳動裝置的工作原理，建立了冷床工作時負載對傳動軸產生的總靜力矩數學模型，結合生產線實際生產情況，選取了最佳配重數量，對減少配重前后負載對傳動軸產生的總靜力矩進行了對比，實踐表明減少配重可有效解決冷床I、Ⅱ段傳動裝置明顯不同步現象。

關鍵詞:冷床傳動裝置;配重;靜力矩

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)12-0347-02

0 前言

漣鋼棒帶材廠棒二線投產以來，冷床本體I、Ⅱ段傳動裝置出現不同步現象，由此造成頂鋼、彎鋼、廢鋼，甚至有時軋材插入動齒條下方，致使動齒梁裝配移位，冷床無法正常工作，迫使全線停軋。針對這些實際情況，本文對冷床的工作過程進行了受力分析，并提出了相應解決措施。

1 冷床簡介

冷床是對帶肋鋼筋及圓鋼進行冷卻的工作臺面，軋材通過冷床輸入輥道輸送進入冷床，冷床將排列在冷床上的軋材逐步移向端部，達到冷卻效果。該生產線冷床為步進式冷床，冷床本體主要由動齒條梁裝配、靜齒條梁裝配、傳動裝置組成。冷床傳動裝置分為相互獨立的I、Ⅱ段，冷床工作時，電機通過減速機帶動傳動軸，安裝在傳動軸上的偏心輪轉動使動齒條梁作步進往復運動，使停放在靜齒條梁裝配靜齒條上的軋材依次移動一個齒距。工作原理簡圖見圖1。

冷床主要技術參數如下:

冷床面積:120m×11.5m 軋材規格:∮10-∮50 冷床工作周期:3S

冷床傳動直流電機 型號:ZFQZ-250-41 功率:N=110kw 轉速:750r/min

蝸輪減速機 型號:ZWB450 中心距:0.45m 速比:1:31.5

動靜齒條齒距0.1m 偏心輪偏心距0.05m

圖1 冷床本體工作原理簡圖

1—軋材 2—靜齒條梁裝配 3—動齒條梁裝配 4—滾輪 5—偏心輪 6—傳動軸 7—配重

2 建立數學模型

從圖1可知，動齒條梁裝配的步進運動實質上是其在豎直平面內作圓周運動。為了便于分析，作了兩點簡化:

(1)假設所有的負載集中作用在一根傳動軸上;

(2)不考慮摩擦阻力和轉動慣量。在初始位置時動齒條裝配處于最低位，靜齒條高出動齒條0.05m，配重與豎直方向成15°夾角，此時軋材自重落在靜齒梁裝配靜齒條上，受力簡圖見圖2。

圖2 冷床本體初始位置受力圖

1—配重 2—傳動軸 3—偏心輪

圖3 冷床本體工作位置受力圖

1—配重 2—傳動軸 3—偏心輪

當偏心輪從初始位置按運行方向(順時針方向)旋轉角度θ時，受力情況分以下二種情形:①當-90°≤θ≤90°時，軋材自重落在靜齒梁裝配靜齒條上，此時軋材對偏心輪沒有作用力;②當90°≤θ≤270°時，軋材自重落在動齒梁裝配動齒條上。受力簡圖見圖3，負載對傳動軸產生以下3種靜力矩(以圖示傳動軸運行方向為正方向):

(1)配重對傳動軸產生的靜力矩(記為M配重);

(2)動齒條梁裝配、偏心輪對轉動軸的靜力矩(記為M自重);

(3)軋材自重對傳動軸的靜力矩(記為M軋材)。

由圖3可知M配重=m0×g×L1×sin(θ+15°)=G0×L1×sin(θ+15°)

M自重=-m1×g×e×sinθ-m3×g×L2×sinθ=-G1×e×sinθ-G3×L2×sinθ

M軋材=-m2×g×e×sinθ=G2×e×sinθ

M總=M配重+M軋材+M自重即:

M總=G0×L1×sin(θ+15°)-G1×e×sinθ-G3×L2×sinθ(-90°≤θ≤90°)

G0×L1×sin(θ+15°)-(G1+G2)×e×sinθ-G3×L2×sinθ(90°≤θ≤270°)

式中m0—配重總重;m1—動齒條梁裝配總重;m2—滿載軋材總重;m3—偏心輪總重;L1—配重質心到傳動軸中心的距離;L2—偏心輪質心到傳動軸中心的距離;e—偏心輪偏心距;M總—負載總靜力矩。

經參閱北鋼院設計的圖紙:齒條梁裝配(圖號:DC11595)和冷床傳動裝置(圖號:DC11596)并經計算有:m0=731kg/件×36件=26316kg m1=73500kg m3=50kg/件×80件=4000kg L1=0.312m L2=0.064m e=0.05m

M配重=m0×g×L1×sin(θ+15°)=26316×9.8×0.312×sin(θ+15°)=80464sin(θ+15°)(N.m)

M自重=-m1×g×e×sinθ-m3×g×L2×sinθ=-73500×9.8×0.05sinθ-4000×9.8×0.064sinθ=-38523 sinθ(N.m)

其中m2以每根倍尺軋材長101m、72個齒滿載來計算，在該生產線∮12、∮14、∮16帶肋鋼筋為三切分軋制;∮18、∮20帶肋鋼筋為二切分軋制;∮22、∮25、∮28、∮30、∮32、∮36、∮50帶肋鋼筋為單線軋制。∮12、∮14、∮16、∮18、∮20、∮22、∮25、∮28、∮30、∮32、∮36，∮50帶肋鋼筋在齒條上滿載軋材的總重分別為:19418kg、26430kg、34521kg、29127kg、35959kg、21755kg、28093kg、35240kg、40454kg、46028kg、58254kg、112372kg。根據該生產線的目前實際生產情況，軋制規格僅為∮12、∮14、∮16、∮18、∮20，其它規格不再軋制，這5種規格中，冷床本體I、Ⅱ段傳動裝置出現不同步現象對∮12、∮14、∮16三切分小規格影響最為明顯，因∮14介于其中，故根據∮14三切分軋制情況來選取最佳配重數量。由機電傳動知識可知，M總越小，電機輸出最大轉矩就越小，就越易于實現冷床本體I、Ⅱ傳動裝置的同步性。為了便于分析，轉化為數學模型為:函數

f(θ)=G′0×L1×sin(θ+15°)-G1×e×sinθ-G3×L2×sinθ(-90℃≤θ≤90°)G′0×L1×sin(θ+15°)-(G1+G2)×e×sinθ-G3×L2×sinθ(90℃≤θ≤270°)

求G′0值為多少時，︱f(θ)︳最大值最小。

3 模型分析

分析過程如下:(以∮14三切分軋制為例)①當-90°≤θ≤90°時，f(θ)=m′0×g×L1×sinθcos15°+m′0×g×L1×cosθsin15°-73500×9.8×0.05×sinθ-4000×9.8×0.064×sinθ=m′0×g×L1×sinθcos15°+m′0×g×L1×cosθsin15°-40000×sinθ=(m′0×g×L1×cos15°-38523)sinθ+m′0×g×L1×g×sin15°cosθ(N.m)

∴︱f(θ)︳≤(m′0×g×L1×cos15°-38523)2+(m′0×g×L1×sin15°)2

②當90°≤θ≤270°時，f(θ)=m′0×g×L1×sinθcos15°+m′0×g×L1×cosθsin15°-(m1+m2)×g×e×sinθ-m3×g×L2×sinθ=m′0×g×L1×sinθcos15°+m′0×g×L1×cosθsin15°-(73500+26430)×9.8×0.05×sinθ-4000×9.8×0.064×sinθ=(m′0×g×L1×cos15°-51474)sinθ+m′0×L1×sin15°cosθ

∴︱f(θ)︳≤(m′0×g×L1×g×cos15°-51474)2+(m′0×g×L1×sin15°)2

當(m′0×g×L1×cos15°-38523)2+(m′0×g×L1×sin15°)2=(m′0×g×L1×cos15°-51474)2+(m′0×g×L1×sin15°)2時，即:m′0×g×L1=46586(N.m)時|M′總|最小，負載對傳動軸的總靜力矩最小，即電機輸出轉矩最小，此時配重數量為:46586/(9.8×0.312×731)=20.8件，因拆卸配重數量必須為偶數，且考慮到軋制∮14帶肋鋼筋總重在目前軋制的五種規格中較小，故選定最佳配重數量為22件，需拆卸的配重數量為14件。拆卸后配重總重m′0為16082kg，其對傳動軸產生的靜力矩M′軋材為49172N.m。軋制∮12、∮14、∮16、∮18、∮20、∮28、∮36、∮50帶肋鋼筋在減少配重前負載對傳動軸產生的總靜力矩M總與減少配重后負載對傳動軸產生的總靜力矩M′總比較見圖4。通過比較可知，軋制小規格帶肋鋼筋時，M′總遠小于M總。

寫出圖4的圖名。

圖4 減少配重前后傳動軸總靜力矩對比

4 影響分析

因整個傳動系統包括電機、減速機、長軸、偏心輪、配重等轉動慣量較大，以及傳動軸軸承、滾輪的滾動摩擦力等因素，導致電機啟動電流較大，動齒條梁裝配在初始位置時(θ=0)，配重與豎直方向成角15°，此時產生一個正向力矩，有利于冷床迅速啟動。動齒條梁裝配在制動位置時由電機輸出的反向力矩(反電流)來達到制動，負載對傳動軸產生的總力矩(總力矩為正時，上圖在制動位時均為正)越小，在制動位置時電機的反向電流也越小，電機制動就越平穩可靠。由圖4可知原有配重是與軋制大規格棒材相匹配的，軋制小規格棒材時原有配重過重，減少配重有利于軋制小規格消除I、Ⅱ段傳動裝置不同步現象。同時，為了進一步消除冷床I、Ⅱ段傳動裝置明顯不同步現象，還可以從電氣控制方面入手，可采取的措施有:

(1)精確調整冷床低位光電接近開關，確保冷床停止位置的一致性，保證配重部分的起止角度符合設計要求;

(2)通過分別調整電機驅動裝置中反生制動力矩參數，對冷床的制動速度、位置進行精確定位;

(3)通過調整PLC程序中對兩臺冷床電機運行速度的設定進行細調，確保同步性。

5 結語

文中分析可知，棒二線軋制小規格棒材時，原有配重總重過重，電機難以精確定位，造成冷床I、Ⅱ段傳動裝置不同步。經拆卸14件配重后，問題得到了很好的解決，迄今為止未出現冷床傳動裝置I、Ⅱ段明顯不同步現象。

參考文獻

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