基于換輥小車推拉車脫鉤的原因分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

李志星

摘 要：針對換輥小車推拉車掛鉤在更換軋輥時(shí)產(chǎn)生的脫鉤現(xiàn)象，闡明了引起脫鉤的原因，據(jù)此對掛鉤結(jié)構(gòu)作出相應(yīng)的改進(jìn)。利用SolidWorks軟件建立推拉車的三維模型，通過與ANSYS軟件的接口，將模型調(diào)入ANSYS中，對掛鉤進(jìn)行有限元分析，得出掛鉤在工作時(shí)的變形及應(yīng)力分布，結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)的掛鉤容易脫鉤。最后對換輥小車的推拉車掛鉤進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：換輥小車；推拉車；脫鉤原因；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）03-0010-02

冷連軋六輥軋機(jī)軋制速度高，軋輥在運(yùn)行一段時(shí)間后要及時(shí)更換，以保證薄板的質(zhì)量要求，現(xiàn)代化的鋼廠采用換輥小車更換軋輥，大大縮短了換輥時(shí)間。某廠冷連軋六輥軋機(jī)換輥小車，由于長時(shí)間使用，換輥時(shí)換輥小車掛鉤與軋輥部件出現(xiàn)脫鉤現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。通過對換輥小車掛鉤進(jìn)行有限元分析，找出了脫鉤的原因，并改進(jìn)掛鉤的結(jié)構(gòu)。

1 推拉車的工作原理及脫鉤原因分析

1.1 推拉車結(jié)構(gòu)及工作原理

推拉車是換輥小車的非常重要機(jī)構(gòu)之一，推拉車的工作狀況好壞直接影響換輥小車的正常運(yùn)行同時(shí)影響生產(chǎn)效率。當(dāng)換輥小車更換軋輥時(shí)，通過齒輪的傳動(dòng)使換輥小車推拉車行至軋機(jī)最前端，由于曲柄受電機(jī)驅(qū)動(dòng)將掛鉤頂起，另外連桿機(jī)構(gòu)向下將掛鉤抬起，且電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)上下工作軋輥的掛鉤使其落下，將軋輥軸頸掛住，從而實(shí)現(xiàn)軋輥在軋機(jī)內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 造成脫鉤的原因

換輥小車推拉車在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于設(shè)計(jì)原因或者長時(shí)間損耗容易造成脫鉤，將會(huì)增大更換軋輥時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際狀況分析，掛鉤存在以下幾個(gè)問題：

①由于換輥小車在運(yùn)行過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)偏差等原因，從而使得軸頸與掛鉤不能對中，即使對中也無法有力使其嚙合；②由于電機(jī)使用同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在力度不均狀況，容易產(chǎn)生一端掛鉤力較大，另一端掛鉤力較小的狀況，因此，當(dāng)更換軋輥時(shí)容易產(chǎn)生掛鉤脫鉤的現(xiàn)象；③由于驅(qū)動(dòng)掛鉤的電機(jī)功率較小，從而使掛鉤無法大幅度張開，使軋輥軸頸與掛鉤產(chǎn)生碰撞力，使曲柄與連桿機(jī)構(gòu)在碰撞力的作用下產(chǎn)生損壞；④由于軋輥軸頸與掛鉤之間的撞擊，使得連桿機(jī)構(gòu)、電機(jī)與曲柄系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)副間隙較大，從而使得運(yùn)動(dòng)副之間的傳力效果較差，影響換輥小車的順利運(yùn)行；⑤由于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在夾緊力不足的狀況。

由于以上幾種原因的同時(shí)存在作用，使換輥小車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生推拉車掛鉤脫鉤的現(xiàn)象，使維修成本增加，生產(chǎn)效率降低，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2 推拉車掛鉤的靜力分析

由于推拉車在工作過程中，軋輥對推拉車的作用力施加在掛鉤上，其余所受的力可忽略不計(jì)，因此只需要用SolidWorks對掛鉤以及與其相連接的掛鉤架進(jìn)行建模，然后保存IGS格式，通過ANSYS Workbench打開文件。設(shè)置材料為Q345鋼，彈性模量為2.06e11，泊松比為0.3，設(shè)置模型網(wǎng)格邊界為10，劃分后單元總數(shù)為35 876個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為50 835個(gè)，對車架A面進(jìn)行全自由度約束，掛鉤與掛鉤架采用鉸鏈連接。

已知工作輥質(zhì)量為3 500 kg，中間輥質(zhì)量為5 000 kg，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖紙所提供的數(shù)據(jù)，在不考慮摩擦情況下，在推拉車啟動(dòng)的瞬間加速度為9.7 m/s2，在此取加速度值為10 m/s2，從而由：

F=ma

得出：FC=50 kN，F(xiàn)F=50 kN，F(xiàn)D=35 kN，F(xiàn)E=35 kN。

利用ANSYS Workbench分析得出掛鉤的等效變形云圖如圖1所示，等效應(yīng)力云圖如圖2所示。

通過分析可知，在掛鉤受到拉力的時(shí)候，由圖1得出平均最大位移是0.35248 mm，由圖2得出最大應(yīng)力是45.632 MPa，最大位移和最大應(yīng)力均產(chǎn)生于掛鉤的頂端處。在拉出軋輥部件的過程中，掛鉤頂端向上張開，與軋輥部件的接觸面積減少，從而使掛鉤更容易脫落，這與實(shí)際情況相符。為了改善以上狀況，使換輥車能夠正常工作，現(xiàn)將掛鉤改進(jìn)，以使其結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。

3 推拉車的改進(jìn)設(shè)計(jì)

推拉車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度高，對換輥小車推拉車進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，首先要滿足工作要求，提高工作效率，在此前提下提高推拉車的質(zhì)量，減少維修次數(shù)，并根據(jù)故障原因分析，提出改進(jìn)方案。

為了改善電機(jī)驅(qū)動(dòng)掛鉤對軸頸的夾緊力不夠大的問題，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為液壓驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，同時(shí)由于推拉車的拉緊力大，用兩個(gè)掛鉤代替一個(gè)掛鉤共同承受拉力作用，并設(shè)計(jì)緩沖塊，當(dāng)推拉車瞬間力過大時(shí)，防止軋輥將推拉車車架撞壞。改進(jìn)后的掛鉤圖如圖4所示。

換輥小車推拉車通過改進(jìn)將掛鉤分成上下兩部分，通過上下掛鉤的同時(shí)作用，夾緊力有效提高，為了增加驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為液壓驅(qū)動(dòng)，其中液壓缸固定于換輥小車推拉車車架上，驅(qū)動(dòng)液壓缸使夾緊力有效增加，防止了推拉車的脫鉤現(xiàn)象，另外，由于電機(jī)更換為液壓缸，可通過調(diào)節(jié)液壓缸的形成來調(diào)節(jié)掛鉤的張合，避免掛鉤與軋輥的碰撞，防止掛鉤的磨損，同時(shí)在掛鉤中間增加了防碰撞系統(tǒng)，當(dāng)軋輥的軸頸與推拉車發(fā)生碰撞時(shí)，可有效保護(hù)軋輥不受損害。

4 結(jié) 語

改進(jìn)后的模型最大變形和最大應(yīng)力均大大減小。由于將電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為液壓驅(qū)動(dòng)，掛鉤張口角度增大，防止了軋輥對掛鉤的撞擊，在閉合時(shí)，對軋輥部件的夾緊力大，有效防止了運(yùn)行過程中的脫鉤現(xiàn)象，并且改善了掛鉤的受力狀況。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中降低了維修成本，節(jié)省換輥時(shí)間。采用三維建模后的有限元分析，為推拉小車的設(shè)計(jì)、制造、檢修維護(hù)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹建國，顧云舟，張杰，等.1 700 mm冷軋帶鋼軋機(jī)板形控制能力研究[J].鋼鐵研究，2002，（3）.

[2] 張亞歐，谷志飛.ANSYS7.0有限元分析使用教程[M]北京：清華大學(xué)出版社，2004.