胡 林

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039)

在熱軋、鑄軋、冷軋和精整等卷式生產(chǎn)工藝設(shè)備中，運(yùn)卷小車(chē)是必不可少的物料周轉(zhuǎn)設(shè)備，其主要作用是高效可靠的完成卷材生產(chǎn)時(shí)的上、卸卷操作，并將卷材運(yùn)送至指定工位，對(duì)保證設(shè)備的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全起著重要作用，也是機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的必要設(shè)備。運(yùn)卷小車(chē)有多種結(jié)構(gòu)形式，如圓柱形雙導(dǎo)柱式、方型單導(dǎo)柱式、雙滑板式、剪式等，其中圓柱形雙導(dǎo)柱運(yùn)卷小車(chē)應(yīng)用最為廣泛，本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例，說(shuō)明圓柱形雙導(dǎo)柱運(yùn)卷小車(chē)設(shè)計(jì)的一般方法。

1 設(shè)計(jì)條件

使用場(chǎng)合為拉彎矯直機(jī)組的上卷、卸卷和運(yùn)卷;基礎(chǔ)深度不限，采用地溝式;最大舉升能力＞(最大卷重+套筒重量)16000kg;升降采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，升降速度不小于0.15m/s;行走采用交流減速電機(jī)、變頻控制和鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，行走速度0.1m/s～0.20 m/s。

2 設(shè)計(jì)選型

由于本機(jī)組對(duì)基礎(chǔ)深度沒(méi)有要求和限制，因此選擇常用的深坑+移動(dòng)蓋板方案。運(yùn)卷小車(chē)由小車(chē)本體、小車(chē)行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軌道、移動(dòng)蓋板及其軌道、拖鏈等組成。其中小車(chē)本體主要由托料輥、減速電機(jī)、車(chē)架、鏈輪、鏈條、車(chē)輪、心軸、液壓缸、導(dǎo)柱等零部件構(gòu)成(圖1)。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

圖1 小車(chē)本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Layout of coil car system

3.1 行走驅(qū)動(dòng)裝置計(jì)算

根據(jù)許用輪壓選取車(chē)輪直徑為250mm。小車(chē)采用兩種車(chē)輪，一種不帶輪緣;另一種兩側(cè)均有輪緣，分別安裝在車(chē)軸的兩側(cè)，小車(chē)正常行進(jìn)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能使車(chē)輪起到較好的導(dǎo)向作用。為了提高車(chē)輪表面的強(qiáng)度，輪面通常需進(jìn)行表面淬火。

(1)小車(chē)正常行進(jìn)時(shí)的阻力矩，M1=μk(m1+m2)g;式中，m1為小車(chē)最大舉升重量，16000kg;m2為小車(chē)本體重量，2040 kg;μk為車(chē)輪與軌道滾動(dòng)摩擦因數(shù)，0.1cm;計(jì)算得出，M1=180.4N·m;

(2)小車(chē)啟動(dòng)力矩應(yīng)滿足足夠的加速度(從啟動(dòng)加速至工作速度)，即小車(chē)啟動(dòng)力矩，M2≥M1+amax(m1+m2)R;式中，amax為小車(chē)最大啟動(dòng)加速度，對(duì)于運(yùn)卷小車(chē)，可取0.15m/s2;R為車(chē)輪半徑，0.125m;計(jì)算得出，M2=518.65N·m;

(3)小車(chē)車(chē)輪打滑力矩，M3=μ(m1+m2)gR;式中，μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，0.1;計(jì)算得出，M3=2255N·m。

顯然，M3＞M2，說(shuō)明小車(chē)能夠提供充足的啟動(dòng)力矩來(lái)滿足必要的啟動(dòng)加速度，且不會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。

(4)由于小車(chē)為輪式驅(qū)動(dòng)，為保證小車(chē)有足夠動(dòng)力，通常情況下選取車(chē)輪打滑力矩M3為小車(chē)驅(qū)動(dòng)力矩。所以，初算電機(jī)功率;式中，n為車(chē)輪轉(zhuǎn)速=11.46r/min(v為小車(chē)運(yùn)行額定速度，取0.15m/s);計(jì)算得出，P0=2.7kW。

(5)減速電機(jī)選型?？紤]到小車(chē)軌道安裝時(shí)縱向不水平引起小車(chē)爬坡、小車(chē)車(chē)輪輪緣與主軌道發(fā)生刮蹭等機(jī)械卡阻情況、加載后小車(chē)車(chē)輪出現(xiàn)彈性壓扁造成實(shí)際直徑增大等因素，實(shí)際選型時(shí)會(huì)將功率和輸出扭矩作適當(dāng)放大。本案例中選擇XWDC4－8165－71(天津減速機(jī)廠)，功率4kW、轉(zhuǎn)速1500r/min、速比為71、輸出轉(zhuǎn)矩1808 N·m、輸出轉(zhuǎn)速21.13 r/min;

(6)速度和力矩的修正?？紤]到車(chē)體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在驅(qū)動(dòng)裝置中串聯(lián)一對(duì)鏈輪，修正小車(chē)運(yùn)行的額定速度，確定鏈輪減速比約為1.8，所以驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際輸出力矩為，1808×1.8=3254.4 N·m;車(chē)輪運(yùn)行額定速度為，(21.13/1.80)×0.125×2×π/60=0.15 m/s。

3.2 升降油缸計(jì)算

液壓缸最大提升重量，F(xiàn)=(m1+m3)g;式中，m3為小車(chē)提升區(qū)重量，1040kg;計(jì)算得出，F(xiàn)=170400N。

本方案采用標(biāo)準(zhǔn)冶金缸，缸徑為160mm，過(guò)平衡系數(shù)為1.1倍。油缸的行程以接到最小卷軸直徑為準(zhǔn)。

3.3 重要零部件的校核

托卷時(shí)，卷重(含套筒)和小車(chē)本體自重由兩根軸共同承擔(dān)(軸自重相比負(fù)載過(guò)小，可忽略不計(jì))。車(chē)軸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，對(duì)車(chē)軸做受力分析見(jiàn)圖3，彎矩圖見(jiàn)圖4。

圖2 車(chē)軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of coil car

圖3 車(chē)軸受力示意圖Fig.3 Force analysis of coil car spindle

圖4 彎矩圖Fig.4 Bending moment diagram

由圖 2、3、4 可知，F(xiàn)B=FC=(m1+m2)g/4，計(jì)算得出，F(xiàn)B=45100N;MBC=FB×LAB，計(jì)算得出，MBC=5772.8N·m。危險(xiǎn)截面Ⅴ處軸頸按彎扭合成強(qiáng)度校核應(yīng)不小于;式中，σ 為材料的許－1P用疲勞應(yīng)力，車(chē)軸材料為45，調(diào)質(zhì)處理，許用疲勞應(yīng)力范圍為180～207 MPa，取中間值190MPa;M為最大彎矩，M=5772.8N·m;計(jì)算得出，d=67.7mm。設(shè)計(jì)中采用的軸頸為75mm，安全系數(shù)約為1.1倍。

此外，可以通過(guò)建立三維模型，對(duì)車(chē)軸強(qiáng)度和剛度進(jìn)行力學(xué)分析，三維應(yīng)力分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

該方案設(shè)計(jì)的兩根導(dǎo)柱，保證了小車(chē)托料后升降的平穩(wěn)，且升降液壓缸只有一個(gè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。小車(chē)使用時(shí)，結(jié)合接近開(kāi)關(guān)的位置反饋功能，能精確控制小車(chē)升降時(shí)停留在特定位置。小車(chē)行走驅(qū)動(dòng)動(dòng)采用變頻調(diào)速裝置控制啟動(dòng)、運(yùn)行速度，保證運(yùn)行平穩(wěn)。滿足小車(chē)升降行程的要求，此方案的液壓缸行程均較大，且多采用垂直安裝方式，故需開(kāi)挖較深的地溝。

由于安全生產(chǎn)的需要，小車(chē)地坑多設(shè)計(jì)有可移動(dòng)式封閉蓋板。因此，地坑中不僅有用于車(chē)體行走的主導(dǎo)軌，還有多層伸縮式活動(dòng)蓋板用的導(dǎo)軌。主導(dǎo)軌安裝在地溝基礎(chǔ)牛腿的水平面上，移動(dòng)蓋板導(dǎo)軌安裝在地溝側(cè)壁預(yù)埋的鋼板上。通常上、卸卷車(chē)的移動(dòng)行程均較長(zhǎng)，軌道長(zhǎng)度達(dá)10m以上，為保證小車(chē)行走順暢，避免車(chē)輪卡阻現(xiàn)象，需嚴(yán)格保證主軌道安裝精度。

［1］李毅飛.上、卸卷車(chē)傳動(dòng)功率的計(jì)算與分析［J］.有色金屬加工，2015，(4):