關(guān)于擠壓后部冷床系統(tǒng)中電機(jī)的選型與研究

陳兆兵 江業(yè)東 趙鑫 李鐵軍 孫良龍

[摘 ? ?要 ]鋁型材擠壓生產(chǎn)線(xiàn)中冷床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，電機(jī)選型等關(guān)鍵點(diǎn)往往被忽略。通過(guò)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)冷床系統(tǒng)中電機(jī)的使用情況，結(jié)合理論設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)選型中參數(shù)選擇給出合理建議。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)布局結(jié)構(gòu)來(lái)縮小軸的直徑，從而達(dá)到降低成本的目的。

[關(guān)鍵詞]冷床系統(tǒng);電機(jī)功率;參數(shù)確定;布局結(jié)構(gòu)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273; TP393 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The structure of cooling bed system in aluminum extrusion production line is relatively simple， and the key points such as motor selection are often ignored. By tracking the use of the motor in the cooling bed system and combining with the theoretical design， reasonable suggestions are given for the selection of parameters in the motor selection. At the same time， in the structural design， through optimizing the motor layout structure to reduce the diameter of the shaft， so as to achieve the effect of reducing the cost.

[Keywords]cooling bed system; Motor power; Parameter determination; layout structure

鋁型材擠壓生產(chǎn)線(xiàn)主要由擠壓前處理設(shè)備、擠壓機(jī)以及擠壓機(jī)后部輔助設(shè)備組成。擠壓機(jī)擠出型材，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送至其他設(shè)備進(jìn)行加工。此裝置因兼有運(yùn)輸與冷卻的作用，通常稱(chēng)為冷床系統(tǒng)。冷床系統(tǒng)中橫向運(yùn)輸裝置稱(chēng)之為挑料。運(yùn)輸方式主要為輸送帶輸送。冷床系統(tǒng)分為出料輥道挑料、冷床平臺(tái)、過(guò)橋裝置、儲(chǔ)料冷床、鋸前輥道挑料和鋸后輥道挑料。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作中的電機(jī)參數(shù)，并與理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定電機(jī)功率參數(shù)。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)降低設(shè)備成本，提高效益。

1 減速機(jī)電機(jī)功率的確定

冷床系統(tǒng)動(dòng)力源為減速機(jī)，減速機(jī)通過(guò)鏈輪鏈條將動(dòng)力傳動(dòng)給通軸。通軸上與每根挑料梁對(duì)應(yīng)位置均配有一個(gè)鏈輪，與挑料梁鏈輪組成二級(jí)傳動(dòng)。挑料梁主動(dòng)輪與從動(dòng)輪、輸送帶共同組成了輸送機(jī)構(gòu)對(duì)型材進(jìn)行橫向輸送，挑料裝置如圖1所示。

冷床系統(tǒng)在運(yùn)料過(guò)程中，電機(jī)克服毛氈帶與鋁梁之間的摩擦力做功。所以負(fù)載功率可根據(jù)負(fù)載摩擦力與速度來(lái)確定。

以27.5 MN冷床系統(tǒng)出料挑料為例選擇減速機(jī)電機(jī)功率。出料挑料每次僅運(yùn)送一根物料，每根物料運(yùn)料重90 kg。毛氈帶與鋁的摩擦系數(shù)為0.22，運(yùn)料速度定為0.28 m/s。電機(jī)計(jì)算功率為：P=K×P0/η，負(fù)載功率P0=Fv/1000，摩擦阻力F=μmg，鏈輪傳遞效率0.96，平帶傳遞效率0.98，則總效率η=0.903，工況系數(shù)K=1.6。經(jīng)過(guò)計(jì)算，電機(jī)功率為0.096 kW。以上為標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)選型方法。但是根據(jù)此方式選擇的減速機(jī)電機(jī)功率均不足，電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。分析其原因，從設(shè)備結(jié)構(gòu)上著手，冷床長(zhǎng)度一般為20 ～50 m，通軸的長(zhǎng)度同樣達(dá)到20 ～50 m，需要由數(shù)根軸組合在一起。這樣就會(huì)出現(xiàn)軸與軸之間不同軸的問(wèn)題，在整個(gè)40 m長(zhǎng)度上也會(huì)出現(xiàn)直線(xiàn)度偏差過(guò)大等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)阻加大，耗費(fèi)電機(jī)較多功率。尤其對(duì)于小機(jī)臺(tái)，該功率所占比例相當(dāng)大。因此需要額外增加一個(gè)負(fù)載功率來(lái)保證設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。該功率大小的確定十分困難，無(wú)法從計(jì)算上獲取。因此通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)正在使用27.5 MN電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際功率與計(jì)算功率進(jìn)行對(duì)比，確定此參數(shù)的選擇。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

測(cè)試說(shuō)明：測(cè)試時(shí)儲(chǔ)料平臺(tái)帶料2根，鋸前輥道挑料帶料3根，每根鋁型材為137 kg，鋸后輥道挑料型材定尺長(zhǎng)6 m，帶料3根物料，重59.3 kg。

根據(jù)電流計(jì)算電機(jī)輸出功率：，結(jié)果見(jiàn)表2，按理論計(jì)算公式計(jì)算電機(jī)功率見(jiàn)表3。

根據(jù)以上對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，設(shè)備本身的所耗費(fèi)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于理論計(jì)算值。尤其小機(jī)臺(tái)非常明顯。而對(duì)于75 MN以上的大機(jī)臺(tái)所占比例較小。所以此數(shù)據(jù)不能單純用系數(shù)來(lái)確定。對(duì)于75 MN以下小機(jī)臺(tái)，在減速機(jī)選型時(shí)功率應(yīng)在計(jì)算功率基礎(chǔ)上增加2～4 kW功率來(lái)選擇。而對(duì)于大機(jī)臺(tái)，可以在計(jì)算功率的基礎(chǔ)上乘2.5～4倍的系數(shù)。而此數(shù)與零部件制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝等關(guān)系很大，可通過(guò)安裝調(diào)整來(lái)略降低功率，但無(wú)法完全避免。

2 電機(jī)布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在以往常規(guī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)的布局結(jié)構(gòu)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)詳細(xì)研究，全部設(shè)計(jì)為均勻布置，以求美觀、受力均勻。但是這樣布置并不合理。當(dāng)處在最大米重時(shí)，型材最短，受力集中于前端，此時(shí)軸處在最大負(fù)載階段。在此種情況下以55 MN冷床為例對(duì)通軸進(jìn)行分析（此分析過(guò)程不考慮前面論述需額外增加的功率）。

已知原料棒每根440 kg，型材最大米重50 kg/m。米重最大時(shí)型材長(zhǎng)8.8 m，冷床最多可運(yùn)送15根型材。設(shè)計(jì)最終運(yùn)料速度為0.34 m/s。擠壓后型材長(zhǎng)度，一共3臺(tái)減速機(jī)帶動(dòng)，第一臺(tái)減速機(jī)距前端10 m，每臺(tái)減速機(jī)間距18 m。電機(jī)布置見(jiàn)圖2a）。

按前面方法計(jì)算負(fù)載功率P=5.32 kW。一共有3臺(tái)減速機(jī)帶動(dòng)，所以每臺(tái)減速機(jī)輸出功率為：P=1.77 kW。減速機(jī)速度

26 r/min，減速機(jī)鏈輪齒數(shù)Z1=23，通軸鏈輪齒數(shù)Z2=21，則通軸速度r=28.48 r/min。負(fù)載扭矩T=9550×P/n=1785 N·m，每個(gè)鏈輪處扭矩T=595 N·m。簡(jiǎn)化模型，分析軸扭矩分布，利用截面法分析A-A、B-B、C-C截面扭矩，三個(gè)截面分別為電機(jī)鏈輪前端。A-A扭矩M=1785 N·m，B-B扭矩M=1785-595=1190 N·m，C-C扭矩M=1190-595=595 N·m，如圖3所示。

計(jì)算彎矩，彎矩與鏈輪兩側(cè)軸承位置有關(guān)，兩側(cè)帶座軸承間距l(xiāng)=0.406 m，與兩端軸承座距離分別為a=0.132 m，b=0.274 m。鏈子型號(hào)10A-2-78，節(jié)距P1=15.875，按下列式計(jì)算彎矩：

優(yōu)化電機(jī)位置，將電機(jī)向前移動(dòng)，第一個(gè)電機(jī)放在物料中間，見(jiàn)圖2b），在三處減速機(jī)位置分別取剖面，減速機(jī)右側(cè)軸負(fù)載為總負(fù)載的一半。那么利用截面法重新分析，電機(jī)輸出扭矩不變，截面前端負(fù)載為原負(fù)載一半，A-A截面M=892.5 N·m，B-B截面M=1785-595=1190 N·m，C-C截面M=1190-595=595 N·m。見(jiàn)圖3優(yōu)化后扭矩，可見(jiàn)最大扭矩出現(xiàn)在B-B截面，扭矩值為1190 N。彎矩不變，根據(jù)計(jì)算前面公式計(jì)算軸直徑d≈61 mm，由于軸上有鍵槽，直徑需增加5%，軸直徑至少為d=64 mm，由上面計(jì)算，可見(jiàn)電機(jī)的位置如果處在物料中間物料，那么最大危險(xiǎn)截面轉(zhuǎn)為第二處電機(jī)前，最大扭矩值將下降。

3 結(jié)論

在擠壓機(jī)冷床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于減速機(jī)電機(jī)功率的選擇不能僅根據(jù)一般設(shè)計(jì)計(jì)算確定，而應(yīng)該根據(jù)設(shè)備長(zhǎng)度，機(jī)臺(tái)的大小額外增加一部分負(fù)載功率，如果機(jī)臺(tái)較小，該功率不能按負(fù)載的幾倍確定，而應(yīng)直接增加2～3 kW。因?yàn)樾C(jī)臺(tái)負(fù)載功率較小。而大機(jī)臺(tái)可適當(dāng)提高倍數(shù)來(lái)確定電機(jī)功率。對(duì)于減速機(jī)的布局結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行優(yōu)化。合理的位置可以降低軸內(nèi)力，降低峰值扭矩。在同等的安全系數(shù)下，可適當(dāng)縮減軸直徑。

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