一種矯直機(jī)換輥車設(shè)計(jì)方案

劉睿平　姚養(yǎng)庫　余濤　姜永濤　盧躍峰

摘 要：本文針對皮帶電機(jī)驅(qū)動形式以及液壓缸驅(qū)動形式的兩種統(tǒng)矯直機(jī)換輥小車在使用中存在的車輪打滑、更換檢修困難，影響換輥效率等問題，根據(jù)生產(chǎn)要求和現(xiàn)場工況，采用一種新的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案：采用齒輪齒條同步裝置，使換輥小車裝置在齒輪齒條機(jī)構(gòu)作用下同步受力；同時(shí)將皮帶傳動機(jī)構(gòu)改為電機(jī)與傳動軸直連的方式，避免采用皮帶傳動方式造成的皮帶輪磨損；其次在設(shè)計(jì)上將軸承座設(shè)計(jì)為一高一低結(jié)構(gòu)形式，使得整體機(jī)構(gòu)安裝及拆卸更加便捷，節(jié)省檢修維護(hù)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：矯直機(jī) 換輥裝置 齒輪齒條機(jī)構(gòu)

Design Scheme of Roller Changing Car of Straightening Machine

Liu Ruiping Yao Yangku Yu Tao Jiang Yongtao Lu Yuefeng

Abstract：In view of the problems of wheel slippage， replacement and maintenance difficulties， affecting the efficiency of roller changing in the use of two types of belt motor drive form and hydraulic cylinder drive form， this paper adopts a new improved design scheme according to production requirements and site conditions. The rack and pinion synchronization device is adopted to make the roller changing trolley device synchronously under the action of the rack and pinion mechanism. At the same time， the belt drive mechanism is changed to the direct connection between the motor and the drive shaft to avoid the wear of the pulley caused by the belt transmission method. The bearing housing is designed as a high and a low structure， which makes the installation and disassembly of the overall mechanism more convenient and saves maintenance time.

Key words：straightening machine， roller changing device， rack and pinion mechanism

1 前言

在中厚板生產(chǎn)線上，矯直機(jī)作為主要設(shè)備之一，用來保證帶材的平直度，避免帶鋼發(fā)生瓢曲、C翹等變形。隨著工藝提高，矯直機(jī)輥系在高速工作環(huán)境下，由于設(shè)計(jì)缺陷等原因，經(jīng)常造成工作輥輥面劃傷、軸承卡死等故障發(fā)生，所以必須經(jīng)常對矯直輥系進(jìn)行更換。常見的矯直機(jī)換輥車經(jīng)過實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，換輥小車車輪與軌道長期接觸后，車輪與軌道動摩擦因數(shù)減小，導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)打滑；而采用液壓推桿的形式的換輥小車，雖然改進(jìn)了車輪打滑動摩擦力不足的問題，但是液壓系統(tǒng)管道安裝復(fù)雜，空間受限，一旦漏油，不方便維護(hù)。隨著生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，生產(chǎn)線檢修很多時(shí)候需要在線進(jìn)行，因此對矯直機(jī)換輥的方式必須進(jìn)行改進(jìn)，以確保生產(chǎn)線高效穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)還要根據(jù)現(xiàn)場對矯直輥系換輥頻率，考慮換輥車的檢修維護(hù)的便捷性，目前國內(nèi)矯直機(jī)換輥車的設(shè)計(jì)在此方面還未給與足夠重視。

2 問題描述

2.1 結(jié)構(gòu)形式

目前常見的換輥小車結(jié)構(gòu)多選用以下兩種方案，如圖1，圖2所示：鞍鋼酸軋擠干輥換輥小車，及馬鋼1#彩涂拉矯機(jī)換輥車，驅(qū)動形式分別是電機(jī)帶動皮帶輪傳動和換輥車底部采用油缸伸縮驅(qū)動兩種結(jié)構(gòu)形式：

皮帶傳動結(jié)構(gòu)的換輥小車普遍存在的問題是皮帶輪通過電機(jī)驅(qū)動傳動輪，由于輥?zhàn)优c軌道基本是鋼對鋼滾動摩擦，使用一定時(shí)間后車輪與軌道表面會存有噴淋清洗造成的積液，以及潤滑油等殘留污漬，傳動軸在皮帶機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動下，車輪與軌道動摩擦因數(shù)減小。如圖3所示為皮帶輪傳動形式的結(jié)構(gòu)布置圖，兩側(cè)車輪在工字鋼軌道的導(dǎo)向下不能同步運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致?lián)Q輥車卡頓，同時(shí)皮帶輪傳動有彈性滑動，傳動效率較低和不能保持準(zhǔn)確的傳動比，且皮帶壽命短，易磨損。

1.工字鋼軌道 2.車輪軸 3.車輪 4.V帶傳動5減速電機(jī) 6.本體與軌道間隙

采用小車底部靠油缸伸縮驅(qū)動小車運(yùn)動的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是可直接避免車輪圓周運(yùn)動導(dǎo)致的打滑，不同步等缺陷。但是這種油缸驅(qū)動的換輥小車，存在安裝難，檢修難，等缺陷，如圖4的結(jié)構(gòu)簡圖可以看出，液壓推桿安裝在矯直機(jī)設(shè)備下方，液壓管路一旦配好后，灌漿后很難更換，一旦油缸漏油，檢修一次耗費(fèi)大量人力，而且存在油缸啟停震動造成的兩側(cè)直線導(dǎo)軌精度下降，影響使用壽命。

若將兩種形式的換輥小車優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來且規(guī)避兩種換輥小車各自的缺點(diǎn)，既可以保證換輥車平穩(wěn)同步前進(jìn)，又能保證拆裝簡單，便于維護(hù)，提高了換輥效率，操作工使用起來也更加方便快捷。

2.2 改進(jìn)方案

根據(jù)以上普遍存在的問題，根據(jù)筆者工程經(jīng)驗(yàn)，將矯直機(jī)結(jié)構(gòu)小車傳動方式改為齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，驅(qū)動機(jī)構(gòu)中部采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)形式，驅(qū)動力全部由齒輪齒條法向力提供。齒輪齒條優(yōu)點(diǎn)在于精度高，同步性好，且允許輕微震動的工況；兩側(cè)設(shè)計(jì)為滾珠直線導(dǎo)軌形式，起導(dǎo)向作用，不再采用車輪傳動。這樣驅(qū)動力矩不再由車輪靜摩擦力提供，而是由齒輪齒條直接提供，徹底解決使用車輪動摩擦因數(shù)小而打滑的難題；且齒輪軸采用變頻減速電機(jī)直接控制，可以調(diào)整輥速及扭矩，既避免采用皮帶輪形式產(chǎn)生的皮帶磨損，以及定位、調(diào)整困難等問題，同時(shí)更方便減速電機(jī)的拆卸安裝，非常便于檢修、維護(hù)。新設(shè)計(jì)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5及圖6所示：序號1為傳動電機(jī)；序號2為傳動軸，序號3為軸承，矯直機(jī)輥盒車輪導(dǎo)軌；序號2為主傳動電機(jī)，驅(qū)動齒輪齒條直線運(yùn)動；序號3為齒輪齒條同步機(jī)構(gòu)；序號4為移動座，在電機(jī)驅(qū)動下整體移動；序號5為直線導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用。換輥時(shí)，輥盒從矯直機(jī)機(jī)架內(nèi)抽出，落在換輥車兩側(cè)的軌道上，軌道兩側(cè)邊緣焊接若干導(dǎo)向板，方便輥盒的吊裝定位。換輥時(shí)，輥盒從矯直機(jī)機(jī)架內(nèi)抽出，降落在換輥車兩側(cè)的軌道上，軌道兩側(cè)邊緣焊接若干導(dǎo)向板，方便輥盒的吊裝定位；拆卸或更換軸承及齒輪齒條時(shí)，松開移動座與電機(jī)連接的螺栓，整體將傳動軸上的齒輪及軸承整體抽出來。此設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新之處在于將軸承座設(shè)計(jì)為一高一低兩種形式，這樣高的軸承座設(shè)計(jì)有定位臺階方便定位，低位的軸承座是為了傳動軸整體安裝后直接能夠插入電機(jī)安裝孔，而避免與移動座干涉，操作工人更換檢修非常方便。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 電機(jī)功率確定

如圖5，電機(jī)安裝在移動座4上面，移動座上與輥盒連接的固定銷座與輥盒通過銷軸連接，電機(jī)通過傳動軸直接帶動齒輪齒條轉(zhuǎn)動。已知矯直機(jī)換輥小車移動速度要求v=2m/min；矯直機(jī)本體重量約30t；矯直機(jī)輥盒車輪直徑d1=0.19m；得出車輪轉(zhuǎn)速：

根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算公式：

考慮電機(jī)啟動扭系數(shù)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩

電機(jī)額定功率：

實(shí)際輸出功率，根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，綜合考慮選用傘齒輪減速電機(jī)KAZ127DRN112M4 4kW;na=3.5r/min，M=1000N.m，速比i=140，fb=2.1。

輸出軸徑校核，根據(jù)45#鋼調(diào)質(zhì)后的需用剪切應(yīng)力：

，則齒輪軸直徑d齒應(yīng)滿足6.5mm

考慮單鍵槽情況，齒輪軸=70mm滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 齒輪齒條參數(shù)設(shè)定：

根據(jù)設(shè)計(jì)空間的限制，以及載荷模數(shù)的優(yōu)先級，預(yù)估齒輪分度圓直徑d=240mm。根據(jù)d=mz，初步設(shè)計(jì)齒輪齒條模數(shù)m=10mm，齒數(shù)z=24；根據(jù)小車本體與軌道之間間隙，齒輪寬度初步設(shè)計(jì)為B=80mm。電機(jī)額定扭矩：T=9216N/m，因?yàn)閾Q輥頻率不高，初步選擇齒輪齒條45#鋼調(diào)質(zhì)處理。

3.2.1 強(qiáng)度校核

將選擇的材料及動載系數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，模擬漸開線校核得出齒輪齒條齒面疲勞安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)齒面疲勞安全系數(shù)為0.6，（實(shí)際齒面安全系數(shù)＞0.8，齒根安全系數(shù)＞2），由于齒面安全系數(shù)小于理論值，所以齒輪調(diào)質(zhì)后另外齒面淬火處理。如圖7，圖8所示，疲勞安全系數(shù)以及靜強(qiáng)度校核安全系數(shù)均在安全范圍。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，兩齒輪均選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，按8級精度設(shè)計(jì)；齒數(shù)Z=24;模數(shù)m=10mm；壓力角α=20°；變位系數(shù)x=0；分度圓直徑240mm；齒輪齒寬80mm，齒條齒寬70mm；根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，齒條齒根圓到齒條底部端面應(yīng)大于2.2倍模數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場空間，齒條齒根圓到齒條底部端面高度為40mm。

4 安裝方法及步驟

具體安裝步驟：

1先將軸承、軸承座、定位套以及齒輪，整體安裝在傳動軸上，注意先安裝一側(cè)的軸承座，再安裝齒輪，最后安裝另一側(cè)軸承座；

2將裝配好的齒輪軸，插入移動座180孔內(nèi)，調(diào)整齒輪齒條變位，用螺栓固定軸承座和底座，底座的高度差是為了此時(shí)傳動軸能順利插入孔內(nèi)而不至于軸承座與底部齒條干涉；

3最后安裝電機(jī)，也可以將電機(jī)提前安裝在180孔內(nèi)；

4拆卸時(shí)，若更換電機(jī)，直接拆卸電機(jī)，若更換齒輪齒條，直接拆卸傳動軸。

5 改進(jìn)后的效果

1）節(jié)省時(shí)間：改進(jìn)前，換輥裝置車輪與軌道不同步，皮帶輪時(shí)常有磨損，有時(shí)要求操作人員輔助助推操作，既耗費(fèi)人力，又耽誤換輥時(shí)機(jī)。采用新的換輥設(shè)備后，換輥時(shí)間縮短近20分鐘。

2）維護(hù)簡便：軸承座底座設(shè)計(jì)有高度差，目的是將齒輪軸上的零件整體裝配好后一次性插入電機(jī)安裝孔中，既滿足定位要求，又維修檢修方便。

3）費(fèi)用成本：小車本體以及兩側(cè)軌道設(shè)計(jì)后總重約3.5噸，加上齒輪齒條機(jī)構(gòu)及傳動電機(jī)的采購費(fèi)用，整體費(fèi)用約5萬元。

6 結(jié)束語

此次優(yōu)化設(shè)計(jì)后的矯直機(jī)換輥小車，在實(shí)際中解決了長期換輥車輪軌道打滑，輥系無法正常更換問題，而且使操作工換輥及維護(hù)更加便捷，進(jìn)一步可以增強(qiáng)設(shè)備的可靠性、降低事故的多發(fā)性、提高生產(chǎn)效力、減輕勞動強(qiáng)度。對換輥小車設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，有效的降低成本，節(jié)約能源，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，為設(shè)計(jì)人員對后期換輥小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的思路。

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