梅钢1780热轧钢卷运输系统C型运卷车设计*

2016-09-23徐志杰

现代冶金 2016年1期

关键词：钢卷销轴托架

徐志杰

(上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司，江苏南京　210039)

梅钢1780热轧钢卷运输系统C型运卷车设计*

徐志杰

(上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司，江苏南京210039)

介绍了热轧1780钢卷运输系统中卷取机出口钢卷运卷车的设备构成，根据运卷车的应用环境及特点，对运卷车升降、走行装置和重要零部件进行设计、校核。

运卷车；托架；车轮装置；油缸

引言

上海梅山钢铁股份有限公司(以下简称“梅钢”)为提高生产装备的技术水平，进一步提高产品质量，扩大产品种类，降低生产成本，增强产品在国内外市场上的竞争能力，于2008年开始，进行产品结构调整及工艺装备升级改造，新增一条从原料、炼铁到热轧的生产线。

卷取机区钢卷运输装置是热连轧带钢生产线上的重要配套设备,运卷车位于卷取机的操作侧,用来将钢卷从打捆固定台架运送到钢卷运输机上，钢卷运卷车为热轧钢卷输送系统关键设备，要求运卷车运行稳定、故障率低、维修方便、易于操作。

1　工艺流程

由卸卷小车将钢卷运至打捆工位的固定鞍座上进行打捆，打捆完毕的钢卷由C型运卷车送至快速链的鞍座上，再由快速链将钢卷运至1号步进输送机的取卷位， 1号步进输送机取卷后完成卷芯拍齐、喷印、称重工序，并将钢卷送至十字升降鞍座上，最后由其他运输设备送至钢卷库。

2　运卷车的技术参数

载荷：32.6 t；

走行距离： 5500 mm；

小车停位精度：±5 mm；

走行速度：300 mm/s；

车轮材质为60CrMnMo，淬火层深度3～5 mm，硬度为HB300～380;

轨道采用起重轨QU100；

升降行程：160 mm；

升降速度：0.08 m/s；

升降液压缸：Φ250/Φ160～200 mm；

走行液压缸：Φ160/Φ110～6100 mm；

系统压力：18 MPa。

3　运卷车设计

3.1运卷车的主要部件组成

运卷车总装图如图1所示，主要部件组成包括：C型托架、车体装置、升降装置、走行装置、拖链装置、轨道装置，干油局部集中润滑配管、拉线编码器。

3.2C型托架

托架是承载、运输的支撑部分，必须有足够的强度和刚度，加上从卷取机出来的高温钢卷直接放置在C型托架上，必须要有一定的耐高温性能，因此材料选择由Q345B钢板整体焊接；运卷车需将钢卷运输到快速链的鞍座上，因快速链运行导轨的影响，托架设计成悬臂结构。

C型托架主要由若干钢板整体焊接组成箱形梁结构，梁内设筋板，为保证托架框架的强度及刚度，托架焊接完成后需进行消除应力处理。在设计过程中对于托架整体进行有限元强度的验算，在保证使用强度的基础上，尽量降低成本，如图2所示，托架危险截面为悬臂根部倒圆角位置，应力为210 MPa左右，Q345B屈服强度为345 MPa，因此材料的材质、厚度均满足要求。

3.3车体装置

车体装置主要包括车轮组件、车架、升降导板，如图3所示。

3.3.1车轮装置

车轮的设计要求满足运卷车的运行特点：即较高的轮压，较低的速度。车轮的设计与轨道有关，该运卷车轨道采用起重机轨道QU100，车轮结构采用双轮缘车轮，更好地限制了运卷车的跑偏或横向滑移。车轮材质为60CrMnMo，踏面淬硬至HB300～380，淬硬层深度15～20 mm，承载能力很强。

车轮轴的结构设计必须具有结构简单、制造容易、坚固耐用、运行阻力小、以及维护方便等特点。该运卷车采用开式轮轴，轴端有端盖，端盖与轴承座间采用六角螺栓固定连接，对轮轴的装卸比较方便。车轮轴材料为40Cr，调质处理至HB 217～255，承载能力很强。车轮装配图如图4所示。

由图4可知，车轮轴自身不转动，为固定在车架上的心轴；考虑到运卷车的启动、停止以及升降，可认为应力为脉动循环应力，因此可认为只承受弯矩，设定油缸上升加速度g，则上升过程中，车轮所受的力之和：F=mg+mg=2mg，受力如图5所示。

1.C型托架；2.车体装置；3.拖链装置；4.行走装置；5.升降装置；6.轨道装置图1　运卷车总装图

图2　C型托架应力分析图

1．车轮装置；2.车架；3.升降导板图3　车体装配图

图4　车轮装配图

图5　车轮轴受力简图

其中F1=F2=F/3=2mg/3(最差的情况为3个轮子在辊道上)；

M=F1×0.265=(21+32.6)×2/3×104×0.265 N·m=94.8 kN·m

轴上有一个键槽，因此轴径增大3%，即为186×(1+3%)=192mm，根据轴承选型，结合轴承固定台阶等综合原因，最终得出心轴直径d=205mm。

m为运卷车自重及钢卷重量之和；δp为轴的许用弯曲应力，查表得150MPa；d为轴径；M为轴所受弯矩；F1，F2为轴承处支反力；F为上升过程中车轮所受的力之和；

车轮所承受的载荷与运行机构传动系统的载荷无关，可直接根据外载荷的平衡条件求得。车轮的疲劳计算载荷Pc可由最大轮压和最小轮压来确定，按最大载重量Q=32.6t及运卷车自重G1=21t计算。

运卷车工作时最大轮压Pmax=(Q+G1)g/3=178kN；

运卷车工作时最小轮压Pmin=G1g/3=70kN(即车空载)；

初定车轮直径为500mm，运卷车使用4个车轮，按3个车轮受力考虑，由此可计算出每个轮子的轮压Pc：

按赫兹公式计算接触面疲劳强度，校核其轮压

K1DL C1C2=7.2×500×100×1.11×0.9N=

359.7kN>Pc=142kN

式中K1为与材料有关的许用线接触应力常数，K1=7.2；D为车轮直径，D=500 mm；L为车轮与轨道有效接触长度，L=100 mm；C1为转速系数，C1=1.11；C2为工作级别系数，C2=0.9。

由此得出结论：疲劳强度符合要求，运卷车选用4个车轮，车轮直径为500 mm。

车轮组件的轴承选用单列圆锥滚子轴承(型号为32034)背靠背安装，设备及钢卷总重量为536 kN，单个轴承受力为536 kN/6=98 kN,车速12 r/min，冲击载荷因数fd=1.5；温度因数ft=1；力矩载荷因数fm=1；速度因数fn=1.359；查表得e=0.44，Y0=0.7 ，Y=1.4；Fa/Fr=0/98000=0

Pr=Fr=98000 N

P0r=0.5×Fr+Y0×Fa=0.5×98000+

0.7×0=98000 N

S≈Fr/(2Y)=98000/(2×1.4)=35000 N

Frmin=0.02×Cr=0.02×520000=10400 N

fh=(fn×ft)/(fm×fd)×(Cr/Pr)=

(1.359×1.00)/(1×1.5)×

(520000/98000)=4.80735

查表得轴承寿命Lh=93823.1 h。

其中Fa为轴向载荷；Fr为径向载荷；Pr为径向当量动载荷；P0r为径向当量静载荷；S为附加轴向力；e，Y0，Y计算系数；Frmin为最小径向载荷；Cr基本额定动载荷。

轴承在低速下发热量很小，最有效的润滑方式是脂润滑，定期给轴承座内注入适量润滑脂，即可满足轴承的润滑要求。

3.3.2车架

车架的功能为提升液压缸提供支撑，并为升降台提供导向，为水平移动提供支撑。因此需要设计适合竖直升降的导向框，设计适合油缸支撑架，结合车轮轴设计适合的车架支撑。

3.3.3升降导板

由于升降导板反复工作，靠硬碰硬摩擦会产生热量及磨损，因此要选用有一定润滑性及耐磨的材料，选择自润滑型的铜合金，为了降低成本，并减少摩擦面，在车架导向框四面分别镶嵌两块自润滑铜板，

且根据热轧厂运卷车使用经验，另外增加油脂润滑，能有效地延长铜板的使用寿命。

3.4行走装置

运卷车行走装置主要由油缸支座、横移油缸等组成；其中液压站系统压力是18 MPa，速度为0.3 m/s，因此油缸需带有缓冲装置。

液压驱动具有功率大，运动平稳，易于调速的特点，而冶金设备液压缸属重负荷液压缸，工作可靠，耐冲击，耐污染，适用于高温、高压、环境恶劣的场合。

运卷车在轨道上稳定运行的静阻力Fj由摩擦力Fm，坡道阻力Fp，风阻力Fw组成

Fj=Fm+Fp+Fw

式中Q为车载荷，Q=32.6 t；G为车体自重，G=21 t；f为滚动摩擦系数，f=0.6；μ为车轮轴承摩擦系数，μ=0.015；d为与轴承相配合处车轴的直径，d=170 mm；D为车轮踏面直径，D=500 mm；β为附加摩擦系数，β=1.3；则Fm=5.23 kN。

坡道阻力Fp=(Q+G)i

式中i为坡道阻力系数，i=0.005；则Fp=2.68 kN。

风阻力Fw,因该运卷车是在厂房内运行，可不考虑风阻力，则Fw=0。

运卷车在轨道上稳定运行的静阻力为Fj=Fm+Fp+Fw=7.91 kN，即油缸推力和拉力至少需要7.91 kN；因油缸行程较长，因此油缸活塞杆的稳定性为首要问题，因为是中间耳轴安装方式，根据欧拉公式

其中：活塞杆上的最大压力P=7.91 kN，

活塞杆长度l=5500 mm，

材料选42CrMo， E=210×105N/cm2，

等截面压杆的长度系数μ=1。

根据相同工程的横移油缸使用经验，压杆稳定安全系数一般为2.5～5，因此活塞杆直径d=100～190 mm，为保护油缸两极限位置不受到冲击，延长油缸的使用寿命，油缸端头距离前后极限位置均留20 mm间隙，根据经济性要求以及对照油缸选型手册的其他相关参数，选得油缸规格为Φ160 mm×Φ110 ～5540 mm。

横移油缸的系统设定额定压力为8 MPa，油缸的理论推力和拉力分别为：

F1=A1p×106=ΠD2p/4×106=160kN

F2=A2p×106=Π(D2-d2)p/4×106=84kN

式中p为供油压力(MPa)；A1为活塞无杆侧有效面积(m2)；A2为活塞有杆侧有效面积(m2)；F1,F2为液压缸理论推力和拉力(N)；D为油缸缸筒内径(mm)；d为油缸活塞杆直径(mm)；即油缸推力和拉力均符合要求。

油缸计算速比以及活塞杆速度等其他与液压系统流量、速度等相关参数经过校核均满足要求。

3.5升降装置

升降装置主要由升降油缸、升降架、升降导板、销轴、液压软管等组成，升降架上部通过螺栓与C型托架连接，升降油缸通过推动升降架上下运动而达到钢卷的托举与放置功能，如图6所示。