趙 崠

(太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024)

寬厚板矯直機(jī)布置在軋線上，矯直速度高，承受矯直力大，鋼板對工作輥表面會造成磨損與壓痕，因此需要周期性的進(jìn)行輥面修磨；另外，輥系中的軸承與潤滑元件均屬易損件，也要不定期地進(jìn)行維護(hù)和更換；故寬厚板矯直機(jī)常備有多套輥系作為操作更換件，滿足在線快速更換的生產(chǎn)需求。

寬厚板矯直機(jī)的一套輥系分別裝在上、下兩個(gè)輥盒內(nèi)，下輥盒安裝在下機(jī)架內(nèi)，換輥時(shí)由液壓缸直接頂起，即可脫離連接，而上輥盒通過鎖緊裝置安裝在上橫梁下部，換輥時(shí)需將上輥盒與上橫梁快速松開，完成換輥后再快速鎖緊；因此需設(shè)計(jì)一種夾緊可靠、運(yùn)行快速、檢測自動化程度高的上輥盒快速鎖緊裝置，才能滿足輥盒快速更換的要求。

1 上輥盒快速鎖緊裝置的使用特點(diǎn)

寬厚板矯直機(jī)的上輥盒外形尺寸和重量較大，以一臺典型的9輥4300 mm寬厚板熱矯直機(jī)為例，外形尺寸5650 mm×2370 mm×900 mm，重量達(dá)到35 t；結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)和使用要求，上輥盒快速鎖緊裝置需具有以下特點(diǎn)：

(1)要有足夠的夾緊力，結(jié)構(gòu)緊湊便于安裝，運(yùn)行快速平穩(wěn)可靠。

(2)夾緊力分布要均勻；根據(jù)設(shè)備機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，在上橫梁四角位置分別布置一套相同的鎖緊裝置，四套裝置同時(shí)動作實(shí)現(xiàn)夾緊。

(3)鎖緊裝置需具有自鎖功能，完成夾緊后能據(jù)此克服上輥盒重力作用，并保持設(shè)定的夾緊力不變。

(4)換輥時(shí)需將上輥盒提前支撐固定，故鎖緊裝置在鎖緊、松開動作過程中不受上輥盒重力作用。

(5)鎖緊、松開狀態(tài)需有自動檢測，并與相關(guān)換輥操作模式連鎖，防止因誤操作造成事故。

(6)考慮機(jī)構(gòu)自鎖位置調(diào)整的需要，以及消除加工、安裝中產(chǎn)生的累積誤差，鎖緊裝置具有手動微調(diào)功能。

1—上橫梁 2—上輥盒 3—快速鎖緊裝置4—上橫梁鎖緊面 5—壓縮碟簧夾緊頭圖1 上輥盒快速鎖緊裝置Figure 1 Upper roll box fast lock device

2 上輥盒快速鎖緊裝置的總體布置與結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上使用特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的上輥盒快速鎖緊裝置如圖1所示，在上橫梁四角位置分別布置一套結(jié)構(gòu)相同的鎖緊裝置；每套鎖緊裝置由液壓缸帶動的搖塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，搖塊機(jī)構(gòu)中的搖桿為三幅構(gòu)件，液壓缸桿縮回時(shí)，三幅構(gòu)件同時(shí)帶動兩套端部裝有壓縮碟簧夾緊頭的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使夾緊頭按預(yù)期的軌跡運(yùn)動至上輥盒鎖緊面處，利用鎖緊面壓縮碟簧力實(shí)現(xiàn)鎖緊，液壓缸桿伸出時(shí)松開(見圖1放大圖)，通過液壓缸內(nèi)置的接近開關(guān)可檢測整個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。液壓系統(tǒng)控制四套裝置同時(shí)動作，即可完成上輥盒與上橫梁的鎖緊、松開，整個(gè)裝置運(yùn)行快速、平穩(wěn)可靠，滿足使用要求。

3 上輥盒快速鎖緊裝置的鎖緊力與自鎖條件

在夾緊后，鎖緊裝置不僅要產(chǎn)生足夠的夾緊力，而且應(yīng)使鎖緊面具有自鎖功能，以克服上輥盒重力作用，保持設(shè)定的夾緊力不變。

3.1 上橫梁鎖緊面的自鎖條件

由圖2可以看出，在夾緊時(shí)水平推力FT使夾緊頭沿鎖緊斜面向下，摩擦反力Ff沿鎖緊斜面向上，F(xiàn)f與法向反力FN的合力為R，R與FN的夾角ρ為摩擦角，在夾緊后，壓縮碟簧夾緊頭產(chǎn)生向上鎖緊力Fa，上輥盒重力Q向下作用在夾緊頭上，為實(shí)現(xiàn)自鎖，上橫梁鎖緊面角度φ必需小于摩擦角ρ：

ρ=arctanf=8.53°

f為摩擦系數(shù)0.15；選取φ=6°，φ小于ρ具備自鎖條件。

圖2 鎖緊面的自鎖條件Figure 2 Self-locking condition of locking surface

3.2 鎖緊裝置主要力能參數(shù)

上輥盒有四套鎖緊裝置，每套鎖緊裝置包括兩組壓縮碟簧夾緊頭，每個(gè)夾緊頭采用4片AIG6150G-72×140×8壓縮碟簧，按圖1中I放大所示的復(fù)合組合方式安裝。

夾緊頭力能參數(shù)：自由高度38.49 mm，加載高度34.9 mm，壓縮行程3.59 mm，壓縮力FN=120 kN。

Fa=FNcosφ=119.343 kN

夾緊系數(shù)為：

n=2×4×FaQ=2.73

Q為上輥盒重力，Q=350 kN；鎖緊力為上輥盒重力Q的2.73倍，滿足夾緊力要求。夾緊時(shí)水平推力FT大于松開時(shí)水平拉力FL。

FT=Fatan(φ+ρ)

=30.93 kN

4 上輥盒快速鎖緊裝置的機(jī)構(gòu)分析

明確上述使用要求和總體結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步依次分析鎖緊裝置各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況。一套鎖緊裝置由搖塊機(jī)構(gòu)同時(shí)帶動兩曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。

4.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

如圖3所示，為使夾緊頭在圖3(a)中按預(yù)期的軌跡在B1與B2間運(yùn)動，采用如圖3(b)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由曲柄帶動搖桿擺動，使搖桿的B端由B2按預(yù)期軌跡運(yùn)動到B1實(shí)現(xiàn)夾緊，如圖3(c)，反向運(yùn)行即可松開。

1—機(jī)架 2—曲柄 3—搖桿 4—滑塊圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 3 Movement of crank slider mechanism

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊中心D與曲柄中心A的偏心距為0，為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，極位夾角θ=0，因此沒有急回特性。

(1)松開狀態(tài)時(shí)，如圖3(b)所示。機(jī)架(安裝座)為固定件，曲柄為原動件，滑塊與搖桿(裝有夾緊頭)為從動件。機(jī)架與曲柄構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，曲柄與搖桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，搖桿與滑塊構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，滑塊與機(jī)架構(gòu)成滑動副，各運(yùn)動副均為低副，封閉運(yùn)動鏈。

計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度為：

F=3n-2Pl=3×3-2×4=1

n為機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)；Pl為機(jī)構(gòu)中低副數(shù)。在此機(jī)構(gòu)中，自由度數(shù)目為1，等于原動件數(shù)目1，故夾緊頭機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。此機(jī)構(gòu)C2到C1運(yùn)行范圍內(nèi)的最小傳動角為77°，大于許用值[γ]=40°～50°，故傳力性能好。

(2)鎖緊狀態(tài)時(shí)，如圖3(c)所示。曲柄由C2處運(yùn)行到極限位置C1處停止，此時(shí)曲柄2與搖桿3共線，傳動角為0°，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受鎖緊力作用，因此圖中的C1位置為一處死點(diǎn)位置，可利用其來夾緊。

曲柄2作為原動件，在夾緊時(shí)所提供的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值為：

4.2 搖塊機(jī)構(gòu)

為使圖3所示的原動件曲柄于C1、C2間旋轉(zhuǎn)，將曲柄設(shè)計(jì)為一個(gè)三幅構(gòu)件(即為圖4中的可調(diào)節(jié)搖桿)，用圖4所示搖塊機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行傳動。

1—機(jī)架 2—可調(diào)節(jié)搖桿 3—搖桿 4—搖塊圖4 搖塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 4 Movement of swing block mechanism

1—桿體 2—調(diào)節(jié)螺絲 3—接頭圖5 可調(diào)節(jié)搖桿Figure 5 Adjustable rocker

圖6 鎖緊裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖Figure 6 Movement of lock device mechanism

機(jī)架(安裝座)為固定件，搖塊以油缸的形式出現(xiàn)，活塞桿在油壓作用下推動搖桿，按圖3所示的預(yù)期軌跡由C2運(yùn)動至C1處實(shí)現(xiàn)夾緊，反向運(yùn)行即可松開。活塞桿為原動件，搖塊與搖桿為從動件；機(jī)架與搖桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，搖桿與活塞桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，活塞桿與搖塊構(gòu)成滑動副，滑塊與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，各運(yùn)動副均為低副。在此機(jī)構(gòu)中，自由度數(shù)目為1，等于原動件數(shù)目1，故此壓桿機(jī)構(gòu)也具有確定的運(yùn)動，機(jī)構(gòu)最大傳動角γmax=87°，最小傳動角γmin=72°，大于許用值([γ]=40°～50°)，故傳力性能好。

由于每套鎖緊裝置由一搖塊機(jī)構(gòu)同時(shí)帶動兩曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，零件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造安裝過程中會產(chǎn)生較大的誤差累積，造成兩夾緊頭的運(yùn)行不同步，故其中的壓桿采用如圖5所示的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其中的調(diào)節(jié)螺絲為左右螺紋，可起到手動微調(diào)消除誤差的作用。

當(dāng)活塞桿運(yùn)行至缸底位置夾緊輥盒時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Mmax，此時(shí)液壓缸達(dá)最大拉力，計(jì)算油缸桿端拉力為：

=76.42 kN

考慮到機(jī)構(gòu)中摩擦力矩的影響，每套鎖緊裝置可選用型號為CD250B12570-180A02CGDMT液壓缸，工作壓力15 MPa，拉力126.3 kN，作為原動件。

4.3 鎖緊裝置

鎖緊裝置由以上兩套機(jī)構(gòu)共同組成。液壓缸作為原動件，帶動夾緊頭按預(yù)期的軌跡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)上輥盒與上橫梁間的鎖緊、松開，當(dāng)液壓缸活塞桿運(yùn)行至缸底位置時(shí)夾緊輥盒，活塞桿反向運(yùn)行至缸頂位置時(shí)松開輥盒，液壓缸內(nèi)的位置檢測開關(guān)可進(jìn)行狀態(tài)檢測。

由圖6(b)可以看出，C1雖然處于機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，但其位置狀態(tài)并不穩(wěn)定，為防止其回轉(zhuǎn)打開，利用可調(diào)節(jié)搖桿的微調(diào)功能調(diào)整C1向內(nèi)移動4.5 mm至C3處，見圖6(c)，液壓缸卸壓后即可使機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定的鎖緊狀態(tài)。

5 結(jié)論

上輥盒快速鎖緊裝置具有夾緊可靠、快速打開、運(yùn)行檢測自動化程度高的特點(diǎn)，可滿足上輥盒在線快速換輥時(shí)與上橫梁的鎖緊、松開要求；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件加工、裝配精度要求較高；在生產(chǎn)實(shí)際中還應(yīng)制定完善的加工工藝和裝配檢驗(yàn)手段以保證制造精度達(dá)到技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。