王 莉

(山東鋼鐵股份萊鋼棒材廠(chǎng)，山東271200)

棒線(xiàn)冷床多采用“液壓裙板上卸鋼系統(tǒng)”，剪切后的成品倍尺材經(jīng)活動(dòng)裙板兩級(jí)制動(dòng)后落入冷床床面矯直板的滑槽中?！吧闲朵摶顒?dòng)擋板”的主要作用是防止經(jīng)飛剪剪切提速后的倍尺材在“上卸鋼活動(dòng)裙板”動(dòng)作的過(guò)程中受到干擾而發(fā)生追尾、亂床面的工藝故障。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于車(chē)間加工螺紋的規(guī)格品種比較多，成品軋機(jī)的出口線(xiàn)速度存在較大差異，從煉鋼廠(chǎng)來(lái)的坯料單只坯重離散區(qū)間大，雖經(jīng)多次坯料優(yōu)化，但效果不明顯，因此加裝在“倍尺提速輥道”上的“上卸鋼活動(dòng)擋板”的布置長(zhǎng)度和位置隨床面倍尺材的長(zhǎng)短及制動(dòng)初速度的不同而不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保前后兩根倍尺材的鋼尾與鋼頭不會(huì)同時(shí)被甩入“活動(dòng)裙板”和“固定導(dǎo)板”之間的“一級(jí)滑動(dòng)摩擦制動(dòng)槽”中而追尾。上卸鋼系統(tǒng)裝配圖如圖1所示。

人工調(diào)整上卸鋼活動(dòng)擋板不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)工作量大，而且存在極大的安全隱患，若調(diào)整不到位，前后兩塊活動(dòng)擋板之間的縫隙較大，極易造成高速輥道跑槽內(nèi)堆鋼的工藝故障，處理起來(lái)相當(dāng)困難，會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的熱停工，既影響生產(chǎn)節(jié)奏又降低了成材率，成為制約車(chē)間產(chǎn)能提升的一大技術(shù)瓶頸。

圖1 上卸鋼系統(tǒng)裝配圖Figure 1 Assembly drawing of steel up-discharging system

1 結(jié)構(gòu)

原設(shè)計(jì)“上卸鋼活動(dòng)擋板”采用“插入拼裝式”的安裝方案，現(xiàn)場(chǎng)由6塊長(zhǎng)為1200 mm的單塊活動(dòng)擋板拼插組合而成，總長(zhǎng)7200 mm的整體活動(dòng)擋墻與固定跑槽內(nèi)的“上卸鋼活動(dòng)裙板”隔離，由人工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)整活動(dòng)擋板的數(shù)量從而控制固定跑槽長(zhǎng)度，見(jiàn)圖1和圖2。

每塊活動(dòng)擋板的下底面焊接兩個(gè)定位銷(xiāo)軸，并與“固定導(dǎo)板”上的定位銷(xiāo)孔相配合，固定導(dǎo)板如圖3所示。作為一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件，“上卸鋼活動(dòng)擋板”的內(nèi)側(cè)面與機(jī)架的內(nèi)側(cè)面共同組成“固定跑槽”。經(jīng)加速輥道提速后的倍尺材在減速制動(dòng)階段頭部率先由“固定跑槽”經(jīng)過(guò)“上卸鋼活動(dòng)裙板”的斜面滑入由“固定導(dǎo)板”和“活動(dòng)裙板”側(cè)面組成的“一級(jí)滑動(dòng)摩擦制動(dòng)槽”中，并最終二次制動(dòng)后甩入“矯直板”的矯直槽內(nèi)，尾部則在固定跑槽內(nèi)緊貼活動(dòng)擋板的內(nèi)側(cè)面直接甩入矯直槽中。靜止的“上卸鋼活動(dòng)擋板”對(duì)上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“活動(dòng)裙板”起間隔隔離作用，防止下一根倍尺材頭部隨著“活動(dòng)裙板”的下降而提前甩入“一級(jí)滑動(dòng)摩擦制動(dòng)槽”中，造成前后兩根倍尺材由于制動(dòng)距離變化而在制動(dòng)槽中追尾，一旦發(fā)生追尾會(huì)造成大量的廢品，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及成材率。

圖2 原設(shè)計(jì)活動(dòng)擋板Figure 2 The original designed movable baffle

圖3 固定導(dǎo)板Figure 3 The fixed guide

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，“固定導(dǎo)板”上的定位銷(xiāo)孔由于反復(fù)頻繁地拆裝極易磨損，特別是由于成品倍尺材經(jīng)高速輥道提速后線(xiàn)速度較高，可達(dá)12 m/s，沖擊動(dòng)能大，經(jīng)倍尺材撞擊后的“活動(dòng)擋板”會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的翹曲變形。變形后的活動(dòng)擋板安裝精度差，兩板之間會(huì)形成較大錯(cuò)位縫隙，倍尺材的頭部會(huì)高速插入接縫中造成嚴(yán)重的工藝故障，影響成材率。

為徹底解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)飛剪的倍尺優(yōu)化剪切，提高成品材的成材率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，我們對(duì)“冷床上卸鋼活動(dòng)擋板”進(jìn)行了升級(jí)改造，引入一個(gè)“Ⅱ級(jí)桿組機(jī)構(gòu)”，將原先的“單個(gè)插入式活動(dòng)擋板”改為“氣動(dòng)控制自動(dòng)升降式可調(diào)活動(dòng)擋板”，并與操作臺(tái)上的電控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)電器自動(dòng)化控制，以達(dá)到飛剪倍尺優(yōu)化剪切的目的。

整個(gè)系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)共三大部分組成。原動(dòng)機(jī)采用QGL250X250-MP4雙作用拉桿活塞氣缸,通過(guò)壓縮空氣的輸入來(lái)輸出機(jī)械能。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)依靠杠桿機(jī)構(gòu)力臂的調(diào)整使動(dòng)力源的軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為主傳動(dòng)軸的徑向旋轉(zhuǎn)，并放大傳動(dòng)扭矩。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)引入一個(gè)“Ⅱ級(jí)桿組機(jī)構(gòu)”，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活動(dòng)擋板的上下直線(xiàn)移動(dòng)。帶Ⅱ級(jí)桿組的上卸鋼自動(dòng)升降活動(dòng)擋板裝配圖如圖4所示。

圖4 帶Ⅱ級(jí)桿組的上卸鋼自動(dòng)升降活動(dòng)擋板裝配Figure 4 Assembly of stell up-discharging automatic lifting movable baffle with level II bar group

整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作流程是通過(guò)設(shè)置在3號(hào)飛剪的熱金屬檢測(cè)儀進(jìn)行電信號(hào)傳遞。電控系統(tǒng)從飛剪的熱金屬檢測(cè)儀中取最后一根倍尺尾鋼的電信號(hào)，輸入到2位4通的K25D-25電磁換向閥直流線(xiàn)圈中，通過(guò)氣缸的動(dòng)作拉動(dòng)動(dòng)力杠桿，帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊接在傳動(dòng)軸上的擺臂拉動(dòng)與轉(zhuǎn)軸鉸接的活動(dòng)擋板。

系統(tǒng)的動(dòng)作完全由主操作臺(tái)上的計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)3號(hào)飛剪剪切后最后一根倍尺進(jìn)入固定跑槽時(shí)間而自動(dòng)動(dòng)作，通過(guò)調(diào)整電磁換向閥的通電時(shí)間長(zhǎng)短及延時(shí)信號(hào)來(lái)調(diào)整活動(dòng)擋板的動(dòng)作頻次及觸發(fā)時(shí)間。隨著生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格的不同，優(yōu)化倍尺剪切要求的固定跑槽的長(zhǎng)短也各不相同，可以隨時(shí)調(diào)整活動(dòng)擋板的數(shù)量，暫時(shí)不用的擋板可以通過(guò)鉸接軸的上旋轉(zhuǎn)使其脫離開(kāi)“提速滾道”的滾道接觸面，不再起擋板作用，若需再次使用時(shí)直接旋轉(zhuǎn)放下即可，方便，快捷，同步性較好。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工作需求的前提下，考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及維修操作性，采用了只包含轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的低副機(jī)構(gòu)。由于低副機(jī)構(gòu)所組成的運(yùn)動(dòng)鏈都是面與面相接觸，在承受載荷之后其壓強(qiáng)較低，因此比較耐磨損，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是受到的約束較多，自由度少，因此運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)難度大。由于全部由低副機(jī)構(gòu)所組成的“Ⅱ級(jí)桿組”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)較少，系統(tǒng)內(nèi)部自由度為0，因此比較容易與“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”相匹配，構(gòu)成平面多桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)分析也相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖5 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Figure 5 Sketch of movement

在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使運(yùn)動(dòng)鏈能夠形成規(guī)律性周期運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，而不是穩(wěn)定的剛性桁架，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原動(dòng)件數(shù)目必須等于系統(tǒng)的自由度數(shù)，而機(jī)械設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)通常是由一個(gè)原動(dòng)件和一個(gè)相對(duì)固定的機(jī)架組成的“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”，其自由度數(shù)為1。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。因此我們需要在這個(gè)“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”基礎(chǔ)上添加的“Ⅱ級(jí)桿組”其內(nèi)部自由度必須為0，只有這樣才能確保運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)關(guān)系不會(huì)發(fā)生矛盾和干涉。平面機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3n-2PL-PH

式中，F(xiàn)=0，PH=0。“Ⅱ級(jí)桿組”系統(tǒng)內(nèi)部自由度為0，所含高副數(shù)為0，因此最簡(jiǎn)單的“Ⅱ級(jí)桿組”是由n=2，PL=3所組成的運(yùn)動(dòng)鏈，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。在機(jī)械設(shè)計(jì)中所有的多構(gòu)件機(jī)構(gòu)都是把多個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部自由度為0的桿組依次添加到“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”上所組合而成的，因此我們可以把“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”與這個(gè)“Ⅱ級(jí)桿組”通過(guò)“外副”組合鉸接起來(lái)而構(gòu)成一個(gè)包含移動(dòng)副的“平面多桿機(jī)構(gòu)”。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及校核

3.1 活動(dòng)擋板重量計(jì)算

活動(dòng)擋板作為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其總體積為各組成部分體積之和。

板面體積為：V1=173×10-3×10×10-3×1230 ×10-3=2.12×10-3m3

鉸接耳軸體積為：V2=3.14×[(21×10-3)2-(10×10-3)2]×80×10-3=8.57×10-5m3

背面方剛體積為：V3=(40×40-34×34)×1128× (10-3)3=5.01×10-4m3

活動(dòng)擋板的總體積為：V=V1+2V2+V3=2.79× 10-3m3

根據(jù)ρ=m/V單塊活動(dòng)擋板的總質(zhì)量為：

m=ρV=7.8×103×2.79×10-3=21.8 kg

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝6塊活動(dòng)擋板，總重量為：

F2=6mg=6×21.8×9.8=1281.8 N

3.2 機(jī)構(gòu)輸出功率計(jì)算

實(shí)際工作過(guò)程中，要求活動(dòng)擋板要在0.6 s的時(shí)間內(nèi)最大起升高度為50 mm。車(chē)間產(chǎn)品規(guī)格最大為?22 mm的錨桿鋼,其起升速度為：

V=S/t=50×10-3/0.6=0.08 m/s

機(jī)構(gòu)輸出的名義功率為：

機(jī)構(gòu)由2根傳動(dòng)軸和6套活動(dòng)擋板組合而成，包括2對(duì)滑動(dòng)軸承座，1個(gè)夾克聯(lián)軸器，6對(duì)活動(dòng)鉸接軸，機(jī)構(gòu)總機(jī)械效率為：

η=0.972×0.946×0.99=0.64

查手冊(cè)可知，剛性聯(lián)軸器機(jī)械效率η1=0.99，一對(duì)滑動(dòng)軸承機(jī)械效率η2=0.97，一對(duì)鉸鏈的機(jī)械效率η3=0.94。因此作用在軸上的計(jì)算功率為：

Pr=Ps/η=0.102/0.64=0.159 kW

3.3 傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速及扭矩計(jì)算

活動(dòng)擋板以0.08 m/s的線(xiàn)速度上升，由于擺臂與活動(dòng)擋板鉸鏈連接，鉸軸為擺臂與擋板在Ⅱ級(jí)桿組內(nèi)副的同速點(diǎn)，因此擺臂線(xiàn)速度也為0.08 m/s，經(jīng)CAD運(yùn)動(dòng)分析可知，此同速點(diǎn)到傳動(dòng)軸軸心的曲率半徑ρ=170 mm。

傳動(dòng)軸角速度為：

ω=ν/r=0.08/170×10-3=4.7×10-1rad/s

傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為：

n=30ω/π=30×4.7×10-1/3.14=4.5 rpm

傳動(dòng)軸上的扭矩為：

T=9.55×106×Pr/n=9.55×106×0.159/4.5=3.37× 105N·mm

3.4 傳動(dòng)軸軸頸設(shè)計(jì)

查手冊(cè)可知45鋼調(diào)質(zhì)處理后的許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力[τ]T=30～40 MPa，考慮到傳動(dòng)軸長(zhǎng)徑比較大，需留有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，此處設(shè)計(jì)取30 MPa，由以上設(shè)計(jì)參數(shù)按扭轉(zhuǎn)剪切疲勞強(qiáng)度初步估計(jì)軸頸為：

實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到為增大傳動(dòng)軸與聯(lián)軸器內(nèi)孔的載荷接觸面的面積，使載荷分布更加均勻，要將傳動(dòng)軸端面設(shè)計(jì)成矩形結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)時(shí)要留有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，軸頸取65 mm。

3.5 傳動(dòng)軸矩形端面扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度及剛度校核

傳動(dòng)軸矩形端面的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力作用在長(zhǎng)邊與短邊的中點(diǎn)處，考慮到機(jī)械加工及裝配的工藝性，此處矩形截面設(shè)計(jì)成正方形結(jié)構(gòu)，因此長(zhǎng)寬比h/b=1，由此查機(jī)械手冊(cè)可知載荷系數(shù)а=0.208，正方形截面的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為：

因此傳動(dòng)軸端面矩形截面扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度足夠。

45鋼的剪切彈性模量G=80～84 GPa，取G=82 GPa，傳動(dòng)軸矩形截面長(zhǎng)度為100 mm，則矩形截面的扭轉(zhuǎn)角為：

查手冊(cè)可知一般傳動(dòng)軸每米的許用扭轉(zhuǎn)角為0.5°～1°，扭轉(zhuǎn)角取1°，1×π/180=1.74×10-2rad。

由于3.69×10-4<1.74×10-2，因此傳動(dòng)軸矩形截面的剛度符合設(shè)計(jì)要求。

3.6 動(dòng)力臂的設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸受限，載荷功率較小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源采用QGL250X250的氣缸作為動(dòng)力源。氣缸下拉為工作行程，現(xiàn)場(chǎng)氣壓為0.5 MPa，氣缸活塞直徑為250 mm，活塞桿直徑為50 mm，因此作用在氣缸無(wú)桿腔上的下拉力為：

F1=PS=0.5×106×3.14×10-6×[(250÷2)2-(50÷2)2]=23 550 N

作用在阻力臂(擺臂總成)上的總重力F2=1281.8 N，阻力臂長(zhǎng)L2=169 mm，由轉(zhuǎn)矩平衡條件可知F1×L1=F2×L2，因此若要維持平衡，所需動(dòng)力臂至少為：

設(shè)計(jì)的動(dòng)力臂長(zhǎng)度為：L1″≥L1=9.1 mm

由以上分析計(jì)算可知，氣缸提供的驅(qū)動(dòng)力足夠大，動(dòng)力臂長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)選擇范圍較大，為了配合氣缸250 mm的極限行程，減輕活塞在極限位置的沖頂對(duì)缸筒造成沖擊載荷，最大限度地延長(zhǎng)氣缸的使用壽命，在使用時(shí)，設(shè)計(jì)氣缸的實(shí)際工作行程為250-100=150 mm(留有100 mm的緩沖余量)，即活動(dòng)擋板在0.6 s時(shí)間內(nèi)起升50 mm的過(guò)程中，氣缸同時(shí)下降150 mm，因此動(dòng)力臂的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為：

50/150=169/L1″

得出：L1″=150×169/50=507 mm

取動(dòng)力臂長(zhǎng)度L1″=510 mm

3.7 動(dòng)力臂耳環(huán)、耳軸的強(qiáng)度校核

動(dòng)力臂與氣缸鉸接耳軸部分受氣缸較大拉力作用，內(nèi)應(yīng)力較大，有可能使耳軸剪斷或配合孔壁產(chǎn)生較大塑性變形而導(dǎo)致聯(lián)接失效，因此需要對(duì)耳軸進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核，對(duì)耳環(huán)孔壁進(jìn)行擠壓強(qiáng)度校核。作用在耳軸上的剪切應(yīng)力為：

Q=F1/2=23 550/2=11 775 N

耳軸直徑為20 mm，耳軸面積為：

作用在耳軸兩側(cè)端面的剪切強(qiáng)度為：

τQ=Q/A=11 775/314=37.5 MPa

查手冊(cè)可知45鋼調(diào)質(zhì)處理后的許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力[τ]T=30～40 MPa，因此設(shè)計(jì)直徑為20 mm的耳軸剪切強(qiáng)度足夠，可以完全滿(mǎn)足使用要求。

耳環(huán)孔壁部分受擠壓應(yīng)力作用，當(dāng)擠壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，孔壁邊緣會(huì)受壓起皺，產(chǎn)生較大塑性變形，耳軸局部會(huì)壓扁而失效，因此要對(duì)耳環(huán)孔壁進(jìn)行擠壓強(qiáng)度校核。

每個(gè)耳環(huán)受到的外載荷為：

Fb=F1/2=23 550/2=11 775 N

擠壓面的徑向投影面積為：

A=td=30×20=600 mm2

耳環(huán)的擠壓面強(qiáng)度為：

低碳鋼許用擠壓應(yīng)力為：

[σbs]=(1.7～2.0)[σ]

而低碳鋼的許用拉應(yīng)力為：

[σ]=σs/2=240/2=120 MPa

因此許用擠壓應(yīng)力：

[σbs]=1.7×120=204 MPa

由以上分析可知，動(dòng)力臂耳環(huán)孔壁處的擠壓強(qiáng)度完全足夠，滿(mǎn)足使用要求。

3.8 氣缸輸出功率及現(xiàn)場(chǎng)氣體流量校核

活動(dòng)擋板在0.6 s內(nèi)以0.08 m/s的速度上升50 mm，氣缸在0.6 s內(nèi)下降150 mm，則氣缸的實(shí)際速度為：

ν″=150×10-3/0.6=0.25 m/s

氣缸實(shí)際輸出功率為：

P″=F1ν″=23 550×0.25=5.887 kW

P″=5.88 kW>Pr=0.159 kW>Ps=0.102 kW

因此所選氣缸輸出功率足夠大，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際功率需求。

氣缸活塞以0.25 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，則缸內(nèi)氣體的平均流速也為0.25 m/s，氣缸有桿腔內(nèi)的有效面積為：

由流體的流速公式ν=Q/A可知現(xiàn)場(chǎng)所需氣體的流量為：

Q=νA=0.25×4.71×10-2

=1.1775×10-2m3/s=0.7065 m3/min

現(xiàn)場(chǎng)ARP22A-7螺桿空壓機(jī)的容積流量3.7 Nm3/min>0.7065 m3/min。額定排氣壓力0.7 MPa>0.5 MPa。因此現(xiàn)場(chǎng)壓縮空氣的流量與壓力足夠，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 零件設(shè)計(jì)及制造

4.1 活動(dòng)擋板及擺臂

活動(dòng)擋板及擺臂均采用δ=10 mm低合金結(jié)構(gòu)鋼(16Mn)加工制造，此種材質(zhì)綜合力學(xué)性能好，低溫沖擊韌性、冷沖壓和切削加工性能好，焊接工藝性明顯優(yōu)于碳素結(jié)構(gòu)鋼?；顒?dòng)擋板上方焊接兩套耳軸機(jī)構(gòu)作為“Ⅱ級(jí)桿組”的內(nèi)副，并與固定在傳動(dòng)軸上的擺臂相鉸接，下方與高速輥道相接觸的部分開(kāi)R97 mm圓弧。為了防止由于高溫應(yīng)力引起的熱變形，提高活動(dòng)擋板的剛性，降低重量，在整個(gè)板面切割數(shù)條1.5 mm寬的應(yīng)力卸荷工藝槽，并在非工作面上焊接40 mm×40 mm空心方鋼作為支撐骨架。整個(gè)活動(dòng)擋板系統(tǒng)由6塊長(zhǎng)度為1230 mm的單個(gè)活動(dòng)擋板拼接組合而成，為了防止兩塊活動(dòng)擋板之間配合處出現(xiàn)較大的縫隙，影響倍尺材在固定跑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，每塊活動(dòng)擋板的兩端倒切18°斜面倒角，以便裝配時(shí)相互緊密錯(cuò)位咬合。活動(dòng)擋板如圖6所示。

擺臂的設(shè)計(jì)采用分段式組合結(jié)構(gòu)，擺臂總成由擺臂1和擺臂2裝配組合而成。擺臂1一側(cè)銑R半圓弧與傳動(dòng)軸焊接成整體結(jié)構(gòu)，擺臂2用活動(dòng)鉸鏈與擋板頂部的固定耳軸相鉸接，形成“Ⅱ級(jí)桿組”的內(nèi)副，并同時(shí)與擺臂1用螺栓搭接裝配，形成“Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)”。組合式結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，在支點(diǎn)力臂保持不變的情況下，可以通過(guò)擺臂1上的長(zhǎng)橢圓孔隨機(jī)調(diào)節(jié)擺臂總成的長(zhǎng)度及兩組擺臂的配合角度，使輸出端的移動(dòng)副在較短的位移內(nèi)(50 mm行程)保持線(xiàn)性直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，減少機(jī)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，活動(dòng)擋板的升降運(yùn)動(dòng)靈活平穩(wěn)，無(wú)卡阻現(xiàn)象。擺臂如圖7所示。

4.2 傳動(dòng)軸

傳動(dòng)軸主要作用是支撐擺臂及活動(dòng)擋板等回轉(zhuǎn)零件，傳遞扭矩及運(yùn)動(dòng)。要求其雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此主要承受對(duì)稱(chēng)循環(huán)彎曲應(yīng)力和對(duì)稱(chēng)循環(huán)扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，屬于既承受彎矩又承受扭矩作用的轉(zhuǎn)軸?？紤]到轉(zhuǎn)軸要求具備一定的強(qiáng)度、剛度、韌性及耐磨性，因此我們選用比較常用的、性?xún)r(jià)比較高的優(yōu)質(zhì)碳素鋼(45鋼)作為傳動(dòng)軸的材質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理240～280 HBW。碳素鋼比合金鋼價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中不太敏感，可通過(guò)熱處理工藝提高材質(zhì)的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性，常溫下的彈性模量與合金鋼相差不大，剛性相當(dāng)。

由于采用徑向剖分式滑動(dòng)軸承作為支撐，傳動(dòng)軸的裝配比較方便，可將軸設(shè)計(jì)成雙軸環(huán)對(duì)稱(chēng)式的結(jié)構(gòu)，以提高疲勞強(qiáng)度，減少應(yīng)力集中?？紤]到徑向滑動(dòng)軸承不能承受較大的軸向作用力，安裝誤差造成的附加軸向力全部作用在軸肩上，軸環(huán)的設(shè)計(jì)要留有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，軸肩設(shè)計(jì)高度為12.5 mm，軸環(huán)設(shè)計(jì)寬度為10 mm。傳動(dòng)軸兩側(cè)傳動(dòng)端面采用53 mm×53 mm矩形端面，以增大載荷接觸面的面積，提高抗扭剛度。傳動(dòng)軸如圖8所示。

4.3 滑動(dòng)軸承

圖6 活動(dòng)擋板Figure 6 Movable baffle

圖7 擺臂Figure 7 Swing arms

圖9 剖分式滑動(dòng)軸承座Figure 9 Split sliding bearing chock

由于現(xiàn)場(chǎng)安裝空間狹小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)徑向尺寸受到限制，設(shè)計(jì)比較緊湊，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高，工況惡劣，因此我們采用了承載能力大、抗震性好、旋轉(zhuǎn)精度高、壽命長(zhǎng)的對(duì)開(kāi)式徑向滑動(dòng)軸承。此類(lèi)軸承主要由3大部分構(gòu)成：軸承座、軸承蓋、剖分式軸瓦。采用水平剖分的結(jié)構(gòu)便于拆裝。軸承座與軸承蓋的剖分面設(shè)計(jì)成階梯形結(jié)構(gòu)，防止工作時(shí)軸承座與軸承蓋相互錯(cuò)位。軸瓦磨損后，若軸承配合間隙過(guò)大時(shí)，可以通過(guò)減少剖分面處的金屬墊片來(lái)調(diào)整。特別是軸承座的底部攻M14的內(nèi)螺紋后，可直接用螺栓固定于機(jī)架上方，無(wú)需再額外加工安裝底腳板，可合理有效地利用原機(jī)架上方的安裝空間進(jìn)行可靠牢固地聯(lián)接。剖分式滑動(dòng)軸承座如圖9所示。

圖10 剖分式上下軸瓦Figure 10 Split upper and lower axle bush

滑動(dòng)軸承座的軸瓦采用剖分式軸瓦設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，考慮到滑動(dòng)軸承的磨合性、順應(yīng)性、嵌藏性，采用了低硬度、高塑性、小彈性模量的鉛青銅ZCuPb30，這種材質(zhì)硬度低，磨合性好，具有較高的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，特別適宜于沖擊載荷及變載荷的情況，尤其是在高溫時(shí)能從摩擦表面析出鉛，在銅機(jī)體上形成一層薄膜，從而起到減磨作用。

為了使滑動(dòng)軸承的配合摩擦面充分潤(rùn)滑，采用外界給油潤(rùn)滑和內(nèi)部自潤(rùn)滑相結(jié)合的兩種潤(rùn)滑方式。在上軸瓦頂部(軸孔配合的最大間隙處)鉆油孔，內(nèi)壁開(kāi)徑向、周向潤(rùn)滑油槽，下軸瓦底部油膜承載區(qū)配定位銷(xiāo)，通過(guò)外界強(qiáng)制潤(rùn)滑的方式加注并存儲(chǔ)高溫鋰基脂，并在軸瓦內(nèi)側(cè)壁上鉆孔并鑲嵌石墨棒，通過(guò)配合面上石墨的析出進(jìn)行固體潤(rùn)滑，即使在高溫下注入的潤(rùn)滑油脂失效也能保持較低的摩擦系數(shù)，大大降低了維護(hù)工作量。剖分式上下軸瓦如圖10所示。

4.4 動(dòng)力臂及耳軸

動(dòng)力臂采用分段式焊接工藝拼合而成，材質(zhì)選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，此種材質(zhì)具有一定的強(qiáng)度及韌性，焊接工藝性能較好，屈服極限為240 MPa。端部耳環(huán)部分用30 mm厚的鋼板線(xiàn)切割成型后配鉆?20 mm的光孔。為提高耳環(huán)孔壁的擠壓疲勞強(qiáng)度，對(duì)孔壁火焰淬火處理，以提高其表面硬度，與其相配的耳軸采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼45調(diào)質(zhì)處理，熱處理硬度260 HBW。

動(dòng)力臂的連桿端面銑R33半圓弧面，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)與傳動(dòng)軸調(diào)整好配合角度定位后，焊接固定，另一端面與耳環(huán)拼焊聯(lián)接，采用連續(xù)焊，焊腳厚度不低于5 mm。鉆銑兩端面的孔及圓弧時(shí)，必須確保兩孔中心距離為510 mm，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。動(dòng)力臂及耳軸如圖11所示。

4.5 剛性?shī)A殼聯(lián)軸器

由于系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)功率較小，載荷平穩(wěn)，徑向切線(xiàn)速度小，考慮到機(jī)械加工的工藝經(jīng)濟(jì)性及現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便性，我們采用相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的縱向剖分式夾殼聯(lián)軸器。此種聯(lián)軸器屬于剛性聯(lián)軸器，要求兩軸的對(duì)中性好，同軸度高，由于沒(méi)有彈性元件、無(wú)緩沖減震能力，因此對(duì)兩軸的安裝精度要求較高，當(dāng)兩軸的軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)偏移時(shí)會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生附加載荷，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性要求較高。其突出的優(yōu)點(diǎn)是拆裝比較方便，安裝時(shí)不需要軸向移動(dòng)兩軸，容易保證兩軸的剛性及旋轉(zhuǎn)精度，尤其適用于此類(lèi)長(zhǎng)徑比大的多根小扭矩轉(zhuǎn)軸的軸向聯(lián)接。為了滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)緊湊的需求，在聯(lián)軸器內(nèi)孔設(shè)計(jì)上，我們沒(méi)有采用傳統(tǒng)的A型平鍵側(cè)邊承載的聯(lián)接方式，而是改為正四邊形內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，增大了傳動(dòng)軸與聯(lián)軸器內(nèi)孔的載荷接觸面的面積，使載荷分布更加均勻，縮小了夾殼聯(lián)軸器外圓輪廓的設(shè)計(jì)尺寸，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。外緣線(xiàn)速度小于5 m/s，不用平衡校核。夾殼聯(lián)軸器如圖12所示。

圖11 動(dòng)力臂及耳軸Figure 11 Power arms and ear axis

圖12 夾殼聯(lián)軸器Figure 12 Clamping-shell coupling

圖13 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Figure 13 Schematic diagram of pneumatic system

4.6 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后，活動(dòng)擋板的升降采用氣動(dòng)控制，由上游的AC5000氣動(dòng)三聯(lián)件提供凈化后的潔凈、干燥、穩(wěn)定的氣源。壓縮空氣經(jīng)三聯(lián)件上的減壓閥后穩(wěn)定在0.5 MPa對(duì)外輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用24 V直流電控2位4通氣動(dòng)電磁換向閥(K25D-25)，控制一臺(tái)雙作用拉桿活塞缸。4通電磁換向閥有P、T、A、B共4個(gè)外接口，雙作用氣缸的無(wú)桿腔做為工作腔,始終與電磁換向閥的工作A口相接，有桿腔通B口。工作位時(shí)電磁線(xiàn)圈得電，換向閥的工作口A與氣源P口相通(導(dǎo)通P-A)，氣缸獲得穩(wěn)定壓力、流量的壓縮空氣而向上升起，活動(dòng)擋板上升打開(kāi)，與高速輥道分離，剪切后的成品定尺材的鋼尾通過(guò)活動(dòng)擋板與高速輥道之間的縫隙滑落到固定導(dǎo)板上。常態(tài)位時(shí)電磁線(xiàn)圈失電，換向閥的工作口A與排氣腔T口相通(導(dǎo)通A-T)，B口通有桿腔，氣缸無(wú)桿腔內(nèi)的壓縮空氣排空，活動(dòng)擋板向下回落，與高速輥道接觸，隔斷高速輥道與固定導(dǎo)板之間的通道，并配合冷床步進(jìn)卸鋼。由于重力作用活動(dòng)擋板的回程下降速度較快，為了控制活動(dòng)擋板下落的速度，避免因速度失控而引發(fā)沖擊載荷，必須采用平衡回路控制，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在4通閥的T口加裝了一個(gè)節(jié)流閥作為回程腔背壓閥，通過(guò)主閥芯通流斷面的調(diào)整，使氣缸回程時(shí)的無(wú)桿腔產(chǎn)生0.25 MPa左右的背壓，減緩活動(dòng)擋板下落時(shí)的速度，避免了作用在高速輥道上的沖擊載荷。氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖13所示。

圖14 系統(tǒng)裝配俯視圖Figure 14 Overview of system assembly

4.7 系統(tǒng)裝配

整個(gè)系統(tǒng)由兩根3590 mm傳動(dòng)軸通過(guò)中間夾殼聯(lián)軸器組合而成，每根傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)3套1230 mm活動(dòng)擋板做同步升降運(yùn)動(dòng)。在高速輥道固定跑槽內(nèi)，總共6套活動(dòng)擋板拼合成全長(zhǎng)7200 mm的整體擋墻，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)不同規(guī)格卸鋼速度的需要隨時(shí)調(diào)整固定擋墻總體長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)3#飛剪的倍尺優(yōu)化剪切，并將不需要的活動(dòng)擋板通過(guò)鉸接耳軸上翻后固定在擺臂上，使其脫離輥道，固定跑槽，調(diào)整方便、快捷，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)快速調(diào)整。

此系統(tǒng)通過(guò)與電氣系統(tǒng)PLC的配合，可實(shí)現(xiàn)飛剪的倍尺優(yōu)化剪切，將由坯料長(zhǎng)度誤差造成的床面倍尺誤差全部預(yù)留在剪切后的最后一段倍尺尾鋼上，減輕了后部收集系統(tǒng)挑揀通尺材的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了收集效率及成材率。系統(tǒng)裝配俯視圖如圖14所示。

5 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)傳統(tǒng)的固定式活動(dòng)擋板，采用“Ⅱ級(jí)桿組”杠桿機(jī)構(gòu)的自動(dòng)升降活動(dòng)擋板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，可以實(shí)現(xiàn)倍尺飛剪的優(yōu)化剪切，提高成材率和收集效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1] 蔡春源. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè):第三版.上冊(cè)[M]. 冶金工業(yè)出版社，1994.

[2] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 中央廣播電視大學(xué)出版社，1998.

[3] 單輝祖. 材料力學(xué)教程(第2版)[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 1997.

[4] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 高等教育出版社, 2012.

[5] 張世民主編. 機(jī)械原理[M]. 中央廣播電視大學(xué)出版社，1998.