張義強(qiáng)

(國(guó)機(jī)重裝成都重型機(jī)械有限公司，四川610051)

對(duì)中導(dǎo)板是軋制機(jī)組中輔助正常軋制的重要設(shè)備，通過對(duì)中導(dǎo)板對(duì)坯料的對(duì)中，不僅確保了軋件順利進(jìn)入下一設(shè)備，還對(duì)提高軋制品的板型精度起到很好的輔助作用。

1 設(shè)計(jì)背景

對(duì)中導(dǎo)板的基本結(jié)構(gòu)大體分為兩種，一種是齒輪齒條式對(duì)中導(dǎo)板，通常采用液壓缸傳動(dòng)方式，也可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)；另一種是曲柄連桿式對(duì)中導(dǎo)板，采用液壓缸傳動(dòng)方式。由于曲柄連桿式對(duì)中導(dǎo)板安裝、調(diào)整以及維護(hù)簡(jiǎn)便，對(duì)維護(hù)人員專業(yè)要求不高，受到用戶的青睞，很多用戶指定使用該種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)板。本設(shè)計(jì)正是基于用戶要求(采用曲柄連桿形式，增加檢修開口度)而進(jìn)行的。

2 設(shè)計(jì)過程

曲柄連桿式對(duì)中導(dǎo)板的原理如圖1所示。傳動(dòng)側(cè)推板安裝在拉桿上，通過連桿一與曲柄一相連；操作側(cè)推板安裝在推桿上，通過連桿二與曲柄三相連；曲柄一、曲柄二和曲柄三熱裝于傳動(dòng)軸上，曲柄一和曲柄三等長(zhǎng)，相位差180°安裝；液壓缸與曲柄二相連，帶動(dòng)曲柄一和曲柄三同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)導(dǎo)板關(guān)閉或打開。

曲柄連桿式對(duì)中導(dǎo)板中推桿所處的運(yùn)動(dòng)三角和拉桿所處的運(yùn)動(dòng)三角為相反的變化趨勢(shì)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖如圖2所示，傳動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)α減小，β增大，這種運(yùn)動(dòng)特性造成推桿和拉桿水平位移的不同步。經(jīng)過理論分析和多組數(shù)據(jù)驗(yàn)證，影響推桿和拉桿水平位移的最大因素是曲柄一和曲柄三的長(zhǎng)度，是決定側(cè)導(dǎo)板開口度范圍的關(guān)鍵尺寸，而連桿長(zhǎng)度、推桿、拉桿的高度尺寸、曲柄起始角度、旋轉(zhuǎn)角度范圍等均會(huì)影響側(cè)導(dǎo)板的不同步偏差。

1—連桿一 2—曲柄一 3—曲柄二 4—曲柄三 5—連桿二 6—傳動(dòng)側(cè)推板 7—操作側(cè)推板 8—拉桿 9—導(dǎo)軌箱 10—推桿 11—傳動(dòng)軸 12—液壓缸

圖2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖

Figure 2 Motion principle of crank rod mechanism

通過對(duì)側(cè)導(dǎo)板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和側(cè)導(dǎo)板工作情況的綜合分析，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

(1)滿足在不拆卸側(cè)導(dǎo)板情況下檢修輥道的需求(開口度3100 mm以上)；

(2)工作范圍內(nèi)(開口度750 mm～1780 mm)操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)導(dǎo)板的不同步理論偏差值控制在1 mm左右；

(3)最大限度減小側(cè)導(dǎo)板結(jié)構(gòu)尺寸，改善受力狀態(tài)。

表1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖4 曲軸計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

Figure 4 Calculated model of crankshaft

圖5 推桿計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

Figure 5 Calculated model of push rod

圖6 傳動(dòng)軸應(yīng)力分布圖

Figure 6 Stress distribution of transmission shaft

由于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不確定參數(shù)多，且互相影響，設(shè)計(jì)時(shí)將推桿、拉桿水平位移隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)角的變化值用函數(shù)關(guān)系表示，借助電子表格工具，對(duì)各參數(shù)關(guān)聯(lián)調(diào)整，不斷優(yōu)化，最終確定主要尺寸如下：曲柄一和曲柄三鉸點(diǎn)間長(zhǎng)度為900 mm；連桿一和連桿二鉸點(diǎn)間長(zhǎng)度為1750 mm；操作側(cè)、傳動(dòng)側(cè)導(dǎo)板工作開口度范圍內(nèi)的不同步最大理論偏差值小于1.1 mm；側(cè)導(dǎo)板檢修開口度3156 mm。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖3。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各參數(shù)為：H1=837 mm；H2=850 mm；L=1750 mm；R=900 mm；β1=β2=62.8°；B1=B2=375 mm。

采用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算得出側(cè)導(dǎo)板總開口度和開口度偏差值見表1。

3 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 側(cè)導(dǎo)板機(jī)構(gòu)計(jì)算模型

側(cè)導(dǎo)板曲軸和推桿通過連桿連接，連桿是簡(jiǎn)單的二力桿，可以人工準(zhǔn)確計(jì)算。因建立計(jì)算模型時(shí)，分別考慮曲軸和推桿。

經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化建立曲軸計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(只考慮入口側(cè)一半)，如圖4所示。板材最寬時(shí)，油缸出力最大，上下推桿之一達(dá)到最大推力。推桿計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖5所示。單根推桿最大作用力400 kN，與軸向有一夾角。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 曲軸主要件應(yīng)力

曲軸由傳動(dòng)軸、曲柄組成，分別給出其應(yīng)力分布情況。傳動(dòng)軸應(yīng)力分布如圖6所示。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在圖6局部放大區(qū)域過渡圓弧上，最大值為138.8 MPa208.4 MPa，主要軸段應(yīng)力均不超過50 MPa。

3.2.2 曲軸變形

曲軸在主要變形方向的位移如圖7所示。推桿曲軸鉸接點(diǎn)與理想位置的偏移超過6 mm。推桿驅(qū)動(dòng)曲柄所在位置相對(duì)油缸推桿位置的扭轉(zhuǎn)角度分別為0.303°，0.347°。由于曲軸鉸接點(diǎn)位置的偏移，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮由液壓缸行程進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.3 上推桿應(yīng)力及變形

上推桿應(yīng)力分布如圖8所示，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在推桿滑板配合區(qū)，最大值為82.5 MPa103.6 MPa。與推桿材料性能相比，上推桿應(yīng)力并不高。

上推桿主要變形方向的位移如圖9所示。上推桿鉸接孔中心發(fā)生約14 mm的偏移，水平豎直方向的偏移量分別為：8.3 mm11.9 mm，由于上推桿實(shí)際變形較大，實(shí)際工作過程中應(yīng)考慮由液壓缸行程進(jìn)行補(bǔ)償。

圖7 曲軸主要變形方向位移云圖

圖8 上推桿應(yīng)力分布圖

Figure 8 Stress distribution of upper push rod

圖9 上推桿主要變形方向位移云圖

Figure 9 Displacement nephogram of major deformation direction for upper push rod

圖10 下推桿應(yīng)力分布圖

Figure 10 Stress distribution of lower push rod

3.2.4 下推桿應(yīng)力及變形

上推桿應(yīng)力分布如圖10所示，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在推桿滑板配合區(qū)，最大值為94.3 MPa90.2 MPa。下推桿應(yīng)力也不算高。

下推桿主要變形方向的位移如圖11所示。上推桿鉸接孔中心發(fā)生約19.5 mm的偏移，水平豎直方向的偏移量分別為：8.5 mm17.6 mm，由于上推桿實(shí)際變形較大，實(shí)際工作過程中應(yīng)考慮補(bǔ)償。

圖11 下推桿主要變形方向位移云圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

側(cè)導(dǎo)板機(jī)構(gòu)中的曲軸、上下推桿總體應(yīng)力都不高，能夠滿足強(qiáng)度要求。各曲柄的應(yīng)力則較高，裝配應(yīng)力屬于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力，受載后的附加應(yīng)力較小，能滿足強(qiáng)度要求。

曲軸及上下推桿的鉸接點(diǎn)因變形而發(fā)生較大的偏移，對(duì)于實(shí)際控制位置會(huì)有一定影響，需要注意補(bǔ)償。

4 結(jié)語

本次曲柄連桿式側(cè)導(dǎo)板設(shè)計(jì)是一次全新的結(jié)構(gòu)嘗試，相比開口度范圍750 mm～2000 mm不帶檢修開口度的常規(guī)設(shè)計(jì)，開口度范圍調(diào)整為750 mm～3150 mm，可達(dá)到不拆卸側(cè)導(dǎo)板即可檢修輥道的目的，同時(shí)也提高了檢修輥道的工作效率。由于開口度范圍增大，推桿、拉桿的長(zhǎng)度也增加，導(dǎo)軌箱支點(diǎn)距離拉大，因此在結(jié)構(gòu)尺寸確定后，對(duì)推桿、拉桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，也提高了軋制品板型的精度。