吳修文 周 奎

(馬鋼集團設(shè)計研究院責(zé)任有限公司，安徽243000)

在大多數(shù)的鋼廠內(nèi)，不同形狀規(guī)格的鋼錠脫模主要是利用行車將鑄模由豎直旋轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，并移動行車對鑄模底部澆鑄口進行撞擊或者人工錘擊底部，然后人工去掉懸掛在鑄模上吊耳，鑄模再由水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)為冒口朝下的豎直狀態(tài)，最后鑄模內(nèi)鋼錠順著錐度的內(nèi)壁滑落到地面上。這種脫模方式經(jīng)過多次人工干預(yù)，工作效率低，有安全隱患，而且經(jīng)過長期的錘擊，容易造成鑄模報廢[1]。并且在現(xiàn)有鑄模澆鑄工藝中，鑄模形狀分為：圓形鑄模、方形鑄模、六角鑄模以及梅花鑄模等多種形狀規(guī)格。在傳統(tǒng)的脫模工藝中，往往只針對一種特定形狀規(guī)格的鑄模進行相應(yīng)設(shè)計，存在局限性。

目前國內(nèi)也有研發(fā)出較為智能的脫模裝置，如中國專利申請?zhí)朇N110842178[2]，該專利公開了一種脫模機組及脫模方法，該脫模機組包括多自由度升降翻轉(zhuǎn)裝置、頂出裝置和導(dǎo)向裝置。該裝置雖然解決了由于重力強制脫模帶來的損壞，減少了安全隱患，但是水平頂出裝置需要將鋼錠至少頂出一定長度，才可滑落，對于長度較長鋼錠，頂出裝置的油缸和頂桿需要設(shè)計很長，在頂出過程中，較長的頂桿受壓力變形，導(dǎo)致頂出力不在中心線上，并且鑄模內(nèi)一般都為上大下小的錐形，在頂出過程中，錐形鋼錠容易偏心，造成脫?？D；平臺上的限位通槽只能適用于圓形鑄模，針對方形、六邊形、梅花形鑄模無法適用。

本文研究設(shè)計出一種適用于多種形狀鑄模的新型脫模裝置，對鑄模夾緊牢固，工作效率和安全穩(wěn)定性高；脫模方法操作簡便，全程實現(xiàn)自動化操作，節(jié)省人力成本。

1—一層檢修平臺 2—拉緊裝置 3—二層檢修平臺 4—護欄 5—夾緊裝置 6—頂升裝置 7—工作平臺 8—鑄模鋼錠 9—鋼錠夾具 10—行車

1 新技術(shù)設(shè)計方案

該裝置包括無人智能行車、鋼錠夾具、脫模工作平臺、拉緊裝置、鑄模夾緊裝置、頂升裝置、檢修平臺、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，脫模裝置總裝配圖見圖1。工作平臺上設(shè)置有放置鑄模的工作位，工作位上設(shè)置有鑄模夾緊裝置，保證鑄模在脫模過程中的上下約束，同時工作位上還設(shè)置有拉緊裝置，工作位的下方設(shè)置有用于頂升鑄模內(nèi)鋼錠的頂升裝置。工作平臺與旁邊檢修平臺互不干涉，為獨立部件，檢修平臺設(shè)置在地面上。

鑄模脫模裝置工作步驟見圖2。

從圖3液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)布置圖可以看出，液壓系統(tǒng)放置在檢修平臺底部，用于驅(qū)動整機的油缸動作?？刂葡到y(tǒng)在檢修平臺側(cè)面，二層控制室人員可直接觀察脫模工作平臺操作。

圖2 脫模裝置工作步驟

1—共2層。設(shè)置開門，開窗 2—前擋玻璃 3—拉緊裝置 4—一層檢修平臺 5—二層檢修平臺 6—鑄模 7—頂桿 8—夾緊裝置 9—工作平臺 10—頂升裝置 11—液壓站房子

1—連接座 2—脫模油缸 3—螺紋套 4—脫模桿 5—氈圈密封蓋 6—導(dǎo)向套 7—上導(dǎo)向座 8—支撐架臺 9—墊板 10—頂頭 11—鑄模 12—鋼錠

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 頂升裝置

頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。頂升裝置包括頂升油缸，頂升油缸與脫模桿連接，脫模桿的頂端設(shè)置有頂頭，頂頭設(shè)置呈弧面，增大與鋼錠的接觸。通過頂升油缸驅(qū)動脫模桿進行上下直線運動，因鑄模的底部均會設(shè)置有孔，脫模桿上的頂頭穿過該孔對鑄模內(nèi)的鋼錠進行頂升從而完成鋼錠的脫模操作，頂升油缸不直接與鋼錠接觸，因此保護頂升油缸不受損壞。

同時，為了進一步保證脫模裝置的脫模效果，頂升裝置設(shè)置導(dǎo)向機構(gòu)，導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)設(shè)置有供脫模桿穿過的導(dǎo)向套，且導(dǎo)向機構(gòu)的上下兩端均設(shè)置有氈圈密封蓋，能夠有效避免導(dǎo)向套受到外界環(huán)境的污染，提高導(dǎo)向套的使用壽命，導(dǎo)向機構(gòu)通過螺栓固定在工作位上。

2.2 夾緊裝置

夾緊裝置結(jié)構(gòu)見圖5，工作位上設(shè)置有四個鑄模夾緊裝置，兩兩為一組，且一組內(nèi)的兩個鑄模夾緊裝置在一條直線上，四個鑄模夾緊裝置所圍成的區(qū)域即是鑄模放置的工作位。

鑄模夾緊裝置和工作位均設(shè)置在支撐架臺上，鑄模夾緊裝置包括夾緊油缸，夾緊油缸通過銷軸安裝在安裝座上，并且在銷軸和安裝座之間設(shè)置有銅套，潤滑銷軸。夾緊油缸的頭部連接滑座，滑座設(shè)置在平板上。在滑座的底部設(shè)置有滑塊，且在平板上設(shè)置有兩條相對的壓板，壓板上開設(shè)有滑槽，滑塊可以在滑槽內(nèi)進行滑行。通過夾緊油缸驅(qū)動滑座帶動滑塊在壓板內(nèi)滑行實現(xiàn)滑座與鑄模的接觸。

1—平板 2—壓板 3—夾緊機構(gòu) 4—復(fù)位彈簧 5—導(dǎo)向板 6—旋轉(zhuǎn)軸 7—滑座 8—夾緊油缸 9—安裝座

1—平板 2—夾板 3—滑塊

夾緊裝置截面圖見圖6，滑座上設(shè)置有導(dǎo)向板。導(dǎo)向板設(shè)置在滑座的上部，且導(dǎo)向板與鑄模接觸的表面設(shè)置有凹槽，呈“V”形，在導(dǎo)向板上開設(shè)凹槽一是減輕導(dǎo)向板的整體重量從而減輕對滑座的壓力；二是使得與鑄模接觸的導(dǎo)向板具有一定斜度，能夠?qū)﹁T模起到較好的導(dǎo)向作用，使得鑄模順著導(dǎo)向板繼續(xù)下降直至到工作位上。

四組鑄模夾緊裝置能夠?qū)﹁T模進行全方位的夾緊，進一步提高夾緊效果，從而提高脫模過程的安全性。并且在夾緊油缸上設(shè)置有線性位移傳感器，每個線性位移傳感器內(nèi)設(shè)定有固定參數(shù)，該參數(shù)依照不同規(guī)格的鑄模進行選取。在進行吊運鑄模至工作位之前，首先四個鑄模夾緊裝置進行工作，使其圍成的區(qū)域是能夠使用該鑄模的大小，每個夾緊油缸開始動作，等到夾緊油缸工作達到線性位移傳感器固定參數(shù)時，夾緊油缸停止動作，實現(xiàn)四個鑄模夾緊裝置圍成區(qū)域的工作位開口度調(diào)節(jié)，并及時針對不同規(guī)格大小的鑄模進行調(diào)整，進一步提高工作效率以及提高工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，保證鑄模準(zhǔn)確落入工作位中。

夾緊裝置夾緊鑄模受力分析如圖7所示，f為單邊楔塊和鑄模之間摩擦力，取鋼-鋼摩擦因子μ=0.3，F(xiàn)1為單個楔形塊夾緊力，一共四組F1，按照最大的頂升力計算，頂升力取F推=F2=22 t，根據(jù)靜力平衡原理：

G+f總=F2

(1)

由于四邊楔形塊夾緊，故f總=4f

最小圓形鑄模取G=5.4 t，根據(jù)公式(1)，得出

f總=F2-G=22 t-5.4 t=16.6 t

即單邊摩擦力f=f總4=4.15 t，實際工作時，也有可能四組摩擦力的不平均導(dǎo)致單邊摩擦力達不到理論值，所以取摩擦力不平均系數(shù)k=1.2，得到

f實=kf=1.2×4.15 t=4.98 t

根據(jù)f=μF1得出單邊楔塊夾緊力F1=fμ=4.98 t0.3=16.6 t

綜合上述，當(dāng)頂升力最大情況下F2=22 t時，單邊楔形塊夾緊力需要F1=16.6 t，最小鑄模不會被頂起，最大鑄模由于重量大于最小鑄模，更不會被頂起。

根據(jù)單邊夾緊力F1=16.6 t，故選取夾緊油缸?125 mm?70 mm，當(dāng)壓力P=14 MPa時，單個夾緊油缸F夾=17.2 t>F1=16.6 t，滿足要求。

2.3 拉緊裝置

為了進一步保證鑄模在進行脫模過程中的穩(wěn)定性，工作位上還設(shè)置有拉緊裝置(見圖8)。拉緊裝置包括鋼絲繩，鋼絲繩的兩端分別依次穿過導(dǎo)向定滑輪和鑄模上的吊耳，通過鋼絲繩夾和套環(huán)與固定座連接；鋼絲繩的頭部通過連接頭與拉緊油缸連接。將導(dǎo)向定滑輪與中心線偏擺角度β設(shè)置為6°～10°，以便同時適用于最小和最大規(guī)格的鑄模拉力方向。

圖7 夾緊裝置夾緊鑄模受力分析

1—拉緊油缸 2—連接頭 3—鋼絲繩 4—導(dǎo)向定滑輪 5—鋼絲繩夾 6—套環(huán) 7—固定座 8—鑄模上的吊耳

1—多自由度安裝座 2—銅套 3—焊接軸 4—固定底座

圖9為拉緊裝置多自由度安裝座，拉緊油缸上的連接耳軸設(shè)置在多自由度安裝座內(nèi)。拉緊油缸上下均設(shè)置有連接耳軸，使得拉緊油缸能夠繞著連接耳軸進行擺動。同時多自由度安裝座的兩側(cè)設(shè)置有焊接軸，多自由度安裝座通過焊接軸與固定底座連接，焊接軸一端與多自由度安裝座連接，另一端通過銅套插進固定底座的孔中，而多自由度安裝座是設(shè)置在固定底座上的，這樣的設(shè)置使得多自由度安裝座能夠繞著焊接軸進行擺動。整體可以實現(xiàn)拉緊油缸的上下擺動和多自由度安裝座的左右擺動，以便在鋼絲繩拉緊過程中，補償由于鑄模上兩個吊耳制造誤差帶來的影響和兩段鋼絲繩拉緊力不同步的影響，進一步保證了拉緊效果。

3 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計

脫模裝置液壓系統(tǒng)主要為夾緊裝置、拉緊裝置和頂升裝置提供動力。對于夾緊裝置，當(dāng)夾緊力達到液壓系統(tǒng)設(shè)定值，并且四組油缸夾緊力相同時，液壓系統(tǒng)保壓。對于頂升裝置，設(shè)置5種鑄模規(guī)格而頂升力不同的壓力反饋。

為了進一步提高自動化設(shè)置，將拉緊油缸與夾緊油缸進行聯(lián)鎖設(shè)置并且兩個油缸均與脫模控制系統(tǒng)連接，具體如下：因在脫模操作時，會在控制系統(tǒng)中設(shè)定夾緊壓力值和拉緊壓力值，這兩個參數(shù)依據(jù)鑄模的不同進行具體設(shè)定，而拉緊油缸與夾緊油缸也會設(shè)定工作值。夾緊油缸會設(shè)定一個工作壓力值A(chǔ)，控制系統(tǒng)中夾緊壓力值為B，并且A

控制系統(tǒng)的操作屏上設(shè)置：5個“預(yù)夾緊”按鈕，1個“夾緊”按鈕，1個“夾緊松開”按鈕；1個“繩拉緊”按鈕，1個“繩松開”按鈕；5個“頂升伸出”按鈕，1個“頂升縮回”按鈕。

為了加強拉緊裝置安全性，增加1個“繩拉緊自鎖”按鈕，“繩拉緊自鎖”一般是鎖定的，防止誤操作，只有人員遠離脫模平臺，將“繩拉緊自鎖”按鈕解鎖，才可進行“繩拉緊”按鈕操作。5個“頂升伸出”按鈕分別控制5種工作壓力。

4 整機仿真設(shè)計和分析

新型脫模裝置的工作平臺由于鑄模沖擊和頂升力的影響，承受大部分載荷，其強度關(guān)系到整個裝置的穩(wěn)定性和安全性，故采用Inventor軟件本身強大的有限元分析對其進行安全校核，圖10為工作平臺主要框架有限元分析云圖，該過程主要分為3步，導(dǎo)入模型劃分網(wǎng)格，調(diào)整約束與載荷，分析配合和粘結(jié)關(guān)系，最終分析結(jié)果。

圖10 工作平臺主要框架有限元分析云圖

5 結(jié)論

新型鑄模脫模技術(shù)的有益效果：

(1)當(dāng)鑄模放入工作位時，通過夾緊機構(gòu)對不同規(guī)格鑄模進行夾緊固定，夾緊機構(gòu)能夠根據(jù)不同形狀的鑄模進行位置調(diào)整，增加了整個過程的智能化處理，工作效率高，并且通過彈性件實現(xiàn)夾緊機構(gòu)的復(fù)位，操作簡單。

(2)新型脫模裝置工作位上還設(shè)置有拉緊裝置，拉緊裝置實現(xiàn)鑄模向上的約束，并與夾緊裝置聯(lián)鎖，保證脫模過程中鑄模的穩(wěn)固性能和安全性能。

(3)新型脫模裝置通過頂升油缸驅(qū)動脫模桿穿過鑄模底部的孔對鋼錠進行頂升，使得鋼錠與鑄模內(nèi)壁脫離，整個動作簡單平穩(wěn)；避免由于導(dǎo)向桿的脫模力與重力偏移帶來的卡頓和卡死現(xiàn)象。

新型鑄模脫模技術(shù)全程可實現(xiàn)自動化脫模操作，極大提高了鋼錠脫模的效率，同時節(jié)省了人力資源成本的投入，保證脫模過程的安全性，具有較高的經(jīng)濟使用價值和應(yīng)用前景。