棒線步進式冷床的運動分析及局部優化設計

李永峰

（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

試驗研究

棒線步進式冷床的運動分析及局部優化設計

李永峰

（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠，山東萊蕪271200）

棒線步進式冷床結構復雜，其動靜齒條的齒形及床面齊頭輥道的設計直接影響到軋件的成型質量。對步進式冷床進行了主軸偏心輪、動齒條框架的合成運動分析，采取了床面齊頭輥道模塊化懸掛、短靜齒條優化設計，降低了裝配累積誤差量，提高了軋件成型質量。

步進冷床；運動分析；偏心輪；動齒條

1　前言

步進式冷床是棒線生產工藝流程中不可或缺的重要設備，主要作用是承載著高溫軋件橫向移動，并在移動過程中逐漸由900℃的熱態高溫均勻冷卻至220℃以下，并同時對軋件冷卻、矯直成型，使軋件不會產生彎曲、扭轉及表面擦傷的問題。

由于床面倍尺軋件較長，因此對冷床的同步性要求較高，床面動齒條、靜齒條及矯直板在任意位置的平面度誤差要求控制在5 mm之內，其直線度誤差必須滿足用長5 m的檢驗校棒在床面任意位置檢測時，不允許有2個以上不接觸的齒面存在［1］。由于步進式冷床的要求安裝精度高，技術難度大，對施工過程中的的累積誤差要求嚴格，因此，在冷床本體設備裝配前必須對床面動齒條框架進行系統的軌跡運動分析，并對裝配過程中可能存在的累積誤差對軋件直線度及外觀質量所造成的影響做出預判，并在確保其裝配精度的基礎上對部分關鍵結構進行局部優化，降低裝配累積誤差量，提高施工效率。

2　床面結構

步進式冷床本體全部由鋼結構件組合成，動齒框架中的單/雙托輥機構帶動動齒條做步進運動。軋件在動齒條的托動下被舉升、前進、下降、后退，完成1個完整的步距，并滑落入矯直板的下一個齒槽中。經多次的步進循環后，軋件被托入床面齊頭輥道的齒槽中，并在齊頭輥道的驅動下逐步縱向移動至床面固定擋板處，縱向齊頭，方便后續輸送輥道上的冷剪機進行成品定尺剪切。

棒線步進式冷床主要由動齒條組和靜齒條組組合而成，床面鋼結構本體主要包括動齒縱梁、動齒橫梁、靜齒橫梁、齒條支座和動/靜齒條等5大部分。靜齒條組裝配在固定的支座縱梁上，起著在動齒條組運動到極限低位時承載軋件的任務（動靜齒的齒形均采用非對稱結構設計方案，由鋸齒邊和直齒邊兩種不同的線段切割組合而成，軋件的下半部分與齒槽全面接觸，并在移動過程中矯直和緩慢冷卻），床面動齒條組隨著偏心輪的旋轉而同步循環升降步進，將床面矯直板及靜齒條組齒槽中的成品倍尺材步進橫向平移，并同時緩慢冷卻軋件，使其內部晶相組織結構發生變化，提高鋼材的綜合力學和機械性能，提高鋼材的平直度和外觀質量。

主偏心輪的旋轉是由床下主傳動直流電機直接驅動平面二次包絡的蝸輪副減速機而實現的，在主偏心輪傳動軸上設計有若干組的平衡錘，以平衡床面動齒條框架組的重量，降低電機的啟動轉矩。

3　合成運動分析

3.1主軸偏心輪的合成運動分析

通過完整運動周期中8個特殊位置點的運動分解可知，主軸偏心輪在做360°的徑向圓周運動過程中，床面主傳動偏心輪在1個步進循環周期內繞固定點完成1個半徑為1個偏心距的順時針圓周軌跡運動，并同時驅動動齒條齒槽中的軋件完成舉升、前進、下降、后退共4個動作，橫向跨越1個靜齒齒距的位移，滑落入相鄰的另一床面靜齒條的齒槽中，從而形成1個完整的步距循環，完成軋件在床面的輸送。

由偏心輪的合成運動分析可知，動齒條步進的整個運動過程大體可分為2個階段，在90～270°的過程是動齒條直接參與托鋼動作，做出有用功的關鍵步驟，其中90°與270°是2個非常特殊的位置點，這2點之間的垂直高程差為0，但水平間距正好為2個偏心距（即1個齒距），分別是托鋼動作的起點與終點位置。當偏心輪旋轉至270°與90°之間時，動齒條框架處于回落階段，并完全脫離開軋件，不再參與托鋼動作，只是為下一個步進周期做動作儲備，是兩個步進循環周期之間所必須的輔助運動過程。主軸偏心輪運動分解見圖1。

圖1　主軸偏心輪運動分解

3.2動齒條框架的合成運動分析

動齒條框架做為該步進運動的核心部件，在其下底面的動齒橫梁上裝配有單/雙托輥機構，通過其踏面與主傳動軸偏心輪輪緣面面接觸的滾動摩擦配合，構成一組完整運動鏈的低副機構［2］，并依靠動齒縱、橫梁高程的設計將主傳動偏心輪輪緣幾何中心垂線的切點（即托輥的踏面）的偏心量傳遞至床面動齒條支座上，從而驅動動齒條組件做出同步的步進循環運動，托動軋件在床面靜齒上橫向位移。

床面動齒條的實際合成運動軌跡是以矯直槽（即床面靜齒）相鄰2齒根連線的中心為圓心，以偏心距為半徑的圓周，在1個步進周期中按照位置點8、點2、點4、點6的順序做順時針轉動。矯直板、靜齒條、動齒條這三者的齒距是完全相同，正好是主傳動偏心輪偏心距的2倍。主軸偏心輪合成運動分析如圖2所示。

圖2　主軸偏心輪合成運動分析

通過完整的過程運動分析可知，在實際現場施工過程中，床面矯直板及靜齒條組的標高要盡量控制在同一高程上，以使軋件由矯直板平穩的過渡到床面靜齒上。當兩者的累積高程差較大時，只要其最高點的齒頂線不妨礙動齒框架的步進舉升就可以滿足現場的工藝要求。但對動齒框架的安裝標高必須要嚴格控制，以確保系統在最低點（位置8）時動齒的齒頂線低于矯直板（床面靜齒）的齒根線，而在最高點時（位置4）動齒的齒根線要高于矯直板（床面靜齒）的齒頂線，其標高累計誤差必須嚴格控制在±10 mm之內，以防止出現刮蹭軋件的工藝故障，確保步進舉升動作的順利完成。

在齒形設計上，必須要嚴格確保床面動靜齒條及矯直板這三者的齒形及齒距完全一致，尤其是在設計齒頂線標高時必須要進行過程運動分析，防止出現步進舉升的障礙。在齒距已確定的情況下，為更加合理地利用有限的偏心距，最好將齒形設計成鋸齒狀的結構，這樣不但可以降低齒頂高，利于軋件的步進舉升，而且還可增加齒槽的存儲空間。動齒條合成運動分析見圖3。

圖3　動齒條合成運動分析

4　局部優化設計

4.1床面齊頭輥道模塊化懸掛設計

床面齊頭滾道在步進式冷床中主要起到對冷卻后的倍尺材縱向齊頭，方便后續冷剪機定尺剪切的作用。由于其數量較多，布置分散，裝配過程繁瑣，在現場施工過程中往往要耗費大量的時間。

為了在確保其裝配精度的基礎上更加快速便捷的施工，對齊頭輥道支架進行了局部優化設計，采用懸掛式模塊設計方案，將所有的安裝尺寸全部集中到支架上，通過在支架上設計出的定位凹槽結構將整個模塊單元直接插入床面靜齒縱梁H型鋼的上翼緣上，并通過床面靜齒縱梁定位、找正。這種結構設計不但提高了現場的裝配效率而且便于確保其裝配精度。

4.2床面短靜齒條優化設計

步進式冷床的床面靜齒條分為床面長靜齒條及短靜齒條2種結構，主要起到承載軋件及冷卻矯直的作用。短靜齒條做為長靜齒條的輔助機構主要起到增加剛性支撐點，縮短縱向跨度，降低床面倍尺軋材徑向撓度的作用。

常規設計下，短靜齒條與長靜齒條齒形結構及固定方式是完全相同的，床面軋件會同時與短靜齒及長靜齒的齒槽相接觸，雖然這樣有利于軋件的冷卻矯直，但由于接觸支撐點數量較多，工藝上對床面靜齒的安裝精度要求較高，一旦床面靜齒出現應力變形或床面裝配精度較差就會使軋件出現通條彎曲的問題，不利于軋件的冷卻成型，不但會影響產品的外觀質量，而且床面校正起來極其困難。

為了徹底解決上述問題，經多次試驗論證后，將床面短靜齒條由原來的鋸齒狀改為平面結構，不但不會減少床面軋件的剛性支撐點，增加撓曲變形，而且會降低由于床面靜齒條錯齒、變形而對軋件平直度造成的影響，即使床面短靜齒條的橫向裝配精度較差，也不會對軋件的冷卻成型產生影響。

5　結語

通過對棒線步進式冷床系統的運動分析，從中可以充分掌握其運動原理及設計者的設計思路，并對現場的施工過程中關鍵參數點的精度控制起到指導作用，便于及時修正施工過程中的累積誤差，提高裝配質量，并對部分有待改進之處進行局部的優化設計。

［1］盧頌峰.機械零件設計手冊［M］.3版.北京：冶金工業出版社，1994.

［2］吳宗澤.機械設計［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1997.

Abstrraacctt：The bar step type cooling bed structure is complex.The design of dynamic and static rack tooth profile and bed abreast roller directly affects the forming quality of workpiece.The resultant motion of spindle eccentric wheel with the rack frame in step type cooling bed were analyzed.The optimization design is taken for the bed surface abreast modular roller suspension and short static rack，the cumulative error assembly is reduced，the forming quality of workpiece is improved.

Key worrddss：step cooling bed；block motion analysis；eccentric wheel；rack

Local Motion Analysis and Optimization Design of Wire Rod Step Cooling Bed

LI Yongfeng
（The Bar Plant of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271200，China）

TG333.2

B

1004-4620（2016）03-0047-03

2015-11-05

李永峰，男，1976年生，2000年畢業于山東廣播電視大學機械設計制造專業。現為山鋼股份萊蕪分公司棒材廠小型車間設備組組長，工程師，從事設備管理維護工作。