芯棒橫移車設備優化研究

暢興剛

（太原重工股份有限公司,山西 太原 030009）

包鋼無縫100連軋項目中，芯棒橫移車采用了空中橫移機構，對芯棒起到了保護作用，其運行節奏也滿足設計運行的要求，但使用過程中該處成為了整個生產節奏的瓶頸。為進一步優化提高，特對該機構進行了理論分析研究，并結合現場實際進行了對比，確定其優化的方向和空間，更好地服務生產。

1 原有設備的分析和計算[1-3]

1.1 芯棒橫移車運行學分析計算

芯棒橫移車（見圖1）完成一個循環需要進行如下操作：

圖1 芯棒橫移車循環周期圖

1）冷卻后芯棒提升至最高位。芯棒經軋制后溫度過高，需經過冷卻水冷卻后被移送至冷卻裝置出口輥道上。此時，芯棒橫移車料鉤處于輥道下方，當檢測到芯棒后，啟動提升電機將芯棒提到最高位。

2）芯棒小車行走至預穿工位。當檢測元器件檢測到芯棒已到最高位后，行走電機啟動，將帶芯棒的橫移車平移至預穿工位。

3）料鉤下降至最低位。橫移車到達預穿工位后，提升電機啟動，芯棒下降至預穿工位。此時注意芯棒下降速度控制，不允許出現芯棒磕碰現象，芯棒落在預穿輥道后，橫移車料鉤繼續下降至最低位。

4）芯棒橫移車平移出預穿工位。檢測到芯棒橫移車到達最低位后，行走電機啟動平移向后退出預穿工位。

5）料鉤提升至最高位。檢測到芯棒橫移車退出預穿工位后，提升電機啟動，將料鉤提升到最高位。

6）芯棒橫移車行走至待料位。檢測到料鉤最高位后，行走電機反轉將橫移車平移回退至提升待料位。

7）料鉤下降至最低位。橫移車平移到待料位后，提升電機下降至最低位。

8）芯棒橫移車平移至接料位。料鉤到最低位后，行走電機啟動，將橫移車從待料位平移至冷卻裝置出口輥道下方待料，待下一支冷卻芯棒到位后繼續下一個周期操作。此過程共8個動作。其中，提升高度為1.9 m，行走距離為6.75 m，完成一個軋制周期時間不超過32 s。這就對設備的穩定性和控制精度提出了較高的要求。

根據芯棒橫移車運動軌跡特點及軋制周期要求，結合電機特性曲線，對行走電機和提升電機動作進行了動作分解，應用計算初步對芯棒橫移車進行了時間分配（見下頁表1）。

根據表1和行走距離,假定加減速時間均為1 s，且加減速加速度一致，可以初算出行走和提升的速度:

表1 芯棒橫移車運動時間分配表

式中：v0為行走/提升的速度；s為行程；a為加速度；t為總時間。

v提升=0.65 m/s，v行走=1.65 m/s。

受短行程影響，加減速時間較短，按0.5 s加減速進行計算，式（1）和式（2）變更為：

則：v行走=0.75 m/s。

綜合考慮，取v提升=0.85 m/s、v行走=2.1 m/s作為提升和行走的初步最高速度。

1.2 芯棒橫移車動力學分析計算

芯棒總長16 m，另受周邊設備影響，橫移車支撐梁跨距將增大到18 m。芯棒橫移車采用單梁結構，行走采用齒輪齒條驅動，提升采用鏈輪鏈條裝置進行驅動。單梁結構梁截面為長方形，根據梁的受力和變形撓度[2],由公式（5）和（6）可以得出梁的截面積。

式中：fmax表示梁的最大變形量；F表示梁的質量及外力的總和；l表示鉸點位置長度；G表示材料的彈性模量；I表示梁慣性量；Wt表示梁的抗彎截面模量。

計算得出梁的截面為：高度為900 mm，寬度為500 mm，高度方向板厚為20 mm，腹板厚度12 mm。再加上提升和行走機構的安裝板，單梁質量約為11.3t。

1.2.1 提升電機的選擇

根據芯棒質量及吊具質量，由公式（7）和（8）可以計算出提升電機的功率。

式中：J1表示吊具、芯棒等起吊所需物品折算到電機輸出軸上的轉動慣量；J2表示電機本身折算到輸出軸的轉動慣量；m表示吊具、芯棒等的質量；r表示卷筒半徑；i表示減速比；ω表示角加速度。

可以得出，提升電機功率P=75 kW。

1.2.2 行走電機的選擇

依據橫移小車的質量（含提升和行走機構本身質量），根據公式（7）和（8）可以計算出行走電機功率P=132 kW。

通過電機發熱校核可以計算出行走和提升電機功率的發熱系數均小于1，故滿足使用要求。

根據選擇重新計算芯棒橫移車的軋制周期，計算結果為軋制周期T=30.8 s≤32 s?，F場實測，其軋制周期T=31.5 s，這是由于整體設備質量較重、單梁橫移車結構較高、慣性量較大、起停速度較慢引起的。

1.3 芯棒橫移車目前使用狀況及分析

芯棒橫移車目前在正常使用中，現場存在以下的問題：

1）芯棒橫移車運行周期較長，限制了軋機的提速空間。軋機目前的軋制周期為28 s，32 s左右的芯棒橫移車周期對軋機影響較大，限制產能的提高。

2）芯棒橫移車單梁結構設計，重心較高且質量較大，起制動慣性大，設備穩定性差，定位精度不高，由于重心問題導致橫移車速度無法提升。

3）芯棒橫移車吊具采用橫梁式，為防止下撓而結構截面大、質量大，使得提升電機的主要負荷為起吊吊具質量。

2 芯棒橫移車結構優化方案及措施

通過上述分析，芯棒橫移車目前存在的問題歸納為兩點：單梁橫移車結構雖簡單，但設備質量大、重心高，不易實現快速準確定位；橫移車吊具限制了起吊的速度和節奏。

對此，我們對芯棒橫移車進行了優化改進。

2.1 雙梁代替單梁

雙梁代替單梁，設備質量、重心高度雙雙降低，更適合設備運行。

根據公式（5）和（6）計算可知，采用兩件490×260×20×10的方梁能夠滿足撓度及強度要求，其中，方梁高度為490 mm，寬度為260 mm，高度方向板厚為20 mm，腹板厚度10 mm，橫梁的質量由原11.3 t減輕至9.5 t，其重心更是降低到了輪軸中心附近，這種設計更有利于設備的起制動性能。根據公式（7）和（8）計算可知，當行走速度在2.5 m/s時，行走電機的功率選用110 kW就能滿足使用要求，橫移車行走時間可以縮短為4 s。

基于SolidWorks中Simulation分析，可以看出，雙梁代替單梁后，與原單梁橫移車比較，設備的最大彎曲撓度和最大彎曲強度更接近于雙方的理論值，設備設計更合理。分析結果見圖2。

圖2 雙梁小車體彎曲強度和撓度分析

2.2 采用齒輪齒條傳動代替鏈輪鏈條傳動

采用齒輪齒條傳動代替鏈輪鏈條傳動后，吊具更輕巧，傳動效率更高，提升裝置質量大幅度降低。

芯棒起吊采用6件單獨的吊鉤通過齒輪齒條集中進行傳動，吊鉤采用長方形梁截面，抗彎效果好，在剛度相同的條件下，整體吊具質量由原5 t降至3.6 t。同2.1相同計算可知，當提升速度可以達到1 m/s時，電機功率由原75 kW降至45 kW，節約能耗的同時也降低了設備總質量。

3 芯棒橫移車運行優化及措施

3.1 高速運動橫移車設備穩定性及準確性優化

橫移車提升和行走機構如果想要快速、準確，其穩定性能是必不可少的，采用大截面薄壁型鋼是提高橫移車剛性的較好辦法。本項目采用薄壁鋼板焊接式形成大的抗彎截面方梁，既提高了設備的剛度和抗撓度，又降低了設備的質量和整機的能耗。

此外，橫移車能夠快速、準確運行的重點在于設備結構上。需要通過以下幾個方面進行優化：

1）驅動方式上采用較為精確的齒輪齒條型式，定位更加準確可靠。

2）驅動齒輪、行走輪及設備重心軸線盡量重合。驅動輪與設備重心不一致，設備運行時會圍繞重心產生一個扭矩，不僅使設備穩定性降低，而且增加了能耗，不利于設備運行。故采用雙梁結構，降低設備重心，提高行走驅動軸線高度，使驅動齒輪、行走輪及設備重心軸線三線合一，進一步提高了設備的穩定性。

3.2 頻繁起制動電動機及減速比匹配優化

橫移車要求快速頻繁起制動，電動機的轉動慣量與額定轉速平方的乘積最小時，能獲得啟動、制動最快的效果，即公式（9）和（10）。

其最佳傳動比為：

式中：JD表示電動機自身轉動慣量；nN表示電動機額定轉速；Jm表示橫移車轉動慣量；nm表示橫移車行走速度；iJ表示最佳減速機傳動比。

根據公式（9）和（10）可以計算出，提升最佳速度為1.5 m/s，行走的最佳速度為1.75 m/s。

綜合電機功率等因素，取提升最佳速度為1 m/s、行走最佳速度為2 m/s作最佳選擇。

4 結論

芯棒橫移車作為芯棒移送中效果較佳的輸送方式[4]，設備不僅要安全、可靠，而且做到快速、準確且能耗低。通過理論計算及分析，得到以下結論：

1）芯棒橫移車選擇雙梁結構型式要優于單梁結構。

2）芯棒橫移車提升機構選用齒輪齒條式，精度更高，能耗較低。

3）匹配合適的傳動比可以獲得高精度、低能耗的傳動效果。