一种矫直机换辊车设计方案

刘睿平　姚养库　余涛　姜永涛　卢跃峰

摘 要：本文针对皮带电机驱动形式以及液压缸驱动形式的两种统矫直机换辊小车在使用中存在的车轮打滑、更换检修困难，影响换辊效率等问题，根据生产要求和现场工况，采用一种新的改进设计方案：采用齿轮齿条同步装置，使换辊小车装置在齿轮齿条机构作用下同步受力；同时将皮带传动机构改为电机与传动轴直连的方式，避免采用皮带传动方式造成的皮带轮磨损；其次在设计上将轴承座设计为一高一低结构形式，使得整体机构安装及拆卸更加便捷，节省检修维护时间。

关键词：矫直机 换辊装置 齿轮齿条机构

Design Scheme of Roller Changing Car of Straightening Machine

Liu Ruiping Yao Yangku Yu Tao Jiang Yongtao Lu Yuefeng

Abstract：In view of the problems of wheel slippage， replacement and maintenance difficulties， affecting the efficiency of roller changing in the use of two types of belt motor drive form and hydraulic cylinder drive form， this paper adopts a new improved design scheme according to production requirements and site conditions. The rack and pinion synchronization device is adopted to make the roller changing trolley device synchronously under the action of the rack and pinion mechanism. At the same time， the belt drive mechanism is changed to the direct connection between the motor and the drive shaft to avoid the wear of the pulley caused by the belt transmission method. The bearing housing is designed as a high and a low structure， which makes the installation and disassembly of the overall mechanism more convenient and saves maintenance time.

Key words：straightening machine， roller changing device， rack and pinion mechanism

1 前言

在中厚板生产线上，矫直机作为主要设备之一，用来保证带材的平直度，避免带钢发生瓢曲、C翘等变形。随着工艺提高，矫直机辊系在高速工作环境下，由于设计缺陷等原因，经常造成工作辊辊面划伤、轴承卡死等故障发生，所以必须经常对矫直辊系进行更换。常见的矫直机换辊车经过实际使用后发现，换辊小车车轮与轨道长期接触后，车轮与轨道动摩擦因数减小，导致车轮空转打滑；而采用液压推杆的形式的换辊小车，虽然改进了车轮打滑动摩擦力不足的问题，但是液压系统管道安装复杂，空间受限，一旦漏油，不方便维护。随着生产节奏的不断加快，生产线检修很多时候需要在线进行，因此对矫直机换辊的方式必须进行改进，以确保生产线高效稳定的运行。同时还要根据现场对矫直辊系换辊频率，考虑换辊车的检修维护的便捷性，目前国内矫直机换辊车的设计在此方面还未给与足够重视。

2 问题描述

2.1 结构形式

目前常见的换辊小车结构多选用以下两种方案，如图1，图2所示：鞍钢酸轧挤干辊换辊小车，及马钢1#彩涂拉矫机换辊车，驱动形式分别是电机带动皮带轮传动和换辊车底部采用油缸伸缩驱动两种结构形式：

皮带传动结构的换辊小车普遍存在的问题是皮带轮通过电机驱动传动轮，由于辊子与轨道基本是钢对钢滚动摩擦，使用一定时间后车轮与轨道表面会存有喷淋清洗造成的积液，以及润滑油等残留污渍，传动轴在皮带机构转动下，车轮与轨道动摩擦因数减小。如图3所示为皮带轮传动形式的结构布置图，两侧车轮在工字钢轨道的导向下不能同步运转，导致换辊车卡顿，同时皮带轮传动有弹性滑动，传动效率较低和不能保持准确的传动比，且皮带寿命短，易磨损。

1.工字钢轨道 2.车轮轴 3.车轮 4.V带传动5减速电机 6.本体与轨道间隙

采用小车底部靠油缸伸缩驱动小车运动的设计结构，其优点是可直接避免车轮圆周运动导致的打滑，不同步等缺陷。但是这种油缸驱动的换辊小车，存在安装难，检修难，等缺陷，如图4的结构简图可以看出，液压推杆安装在矫直机设备下方，液压管路一旦配好后，灌浆后很难更换，一旦油缸漏油，检修一次耗费大量人力，而且存在油缸启停震动造成的两侧直线导轨精度下降，影响使用寿命。

若将两种形式的换辊小车优点结合起来且规避两种换辊小车各自的缺点，既可以保证换辊车平稳同步前进，又能保证拆装简单，便于维护，提高了换辊效率，操作工使用起来也更加方便快捷。

2.2 改进方案

根据以上普遍存在的问题，根据笔者工程经验，将矫直機结构小车传动方式改为齿轮齿条同步机构设计形式，驱动机构中部采用齿轮齿条机构形式，驱动力全部由齿轮齿条法向力提供。齿轮齿条优点在于精度高，同步性好，且允许轻微震动的工况；两侧设计为滚珠直线导轨形式，起导向作用，不再采用车轮传动。这样驱动力矩不再由车轮静摩擦力提供，而是由齿轮齿条直接提供，彻底解决使用车轮动摩擦因数小而打滑的难题；且齿轮轴采用变频减速电机直接控制，可以调整辊速及扭矩，既避免采用皮带轮形式产生的皮带磨损，以及定位、调整困难等问题，同时更方便减速电机的拆卸安装，非常便于检修、维护。新设计改进方案设计结构如图5及图6所示：序号1为传动电机；序号2为传动轴，序号3为轴承，矫直机辊盒车轮导轨；序号2为主传动电机，驱动齿轮齿条直线运动；序号3为齿轮齿条同步机构；序号4为移动座，在电机驱动下整体移动；序号5为直线导轨起导向作用。换辊时，辊盒从矫直机机架内抽出，落在换辊车两侧的轨道上，轨道两侧边缘焊接若干导向板，方便辊盒的吊装定位。换辊时，辊盒从矫直机机架内抽出，降落在换辊车两侧的轨道上，轨道两侧边缘焊接若干导向板，方便辊盒的吊装定位；拆卸或更换轴承及齿轮齿条时，松开移动座与电机连接的螺栓，整体将传动轴上的齿轮及轴承整体抽出来。此设计中的创新之处在于将轴承座设计为一高一低两种形式，这样高的轴承座设计有定位台阶方便定位，低位的轴承座是为了传动轴整体安装后直接能够插入电机安装孔，而避免与移动座干涉，操作工人更换检修非常方便。

3 设计验证

3.1 电机功率确定

如图5，电机安装在移动座4上面，移动座上与辊盒连接的固定销座与辊盒通过销轴连接，电机通过传动轴直接带动齿轮齿条转动。已知矫直机换辊小车移动速度要求v=2m/min；矫直机本体重量约30t；矫直机辊盒车轮直径d1=0.19m；得出车轮转速：

根据电机功率计算公式：

考虑电机启动扭系数，电机额定转矩

电机额定功率：

实际输出功率，根据结构方案，综合考虑选用伞齿轮减速电机KAZ127DRN112M4 4kW;na=3.5r/min，M=1000N.m，速比i=140，fb=2.1。

输出轴径校核，根据45#钢调质后的需用剪切应力：

，则齿轮轴直径d齿应满足6.5mm

考虑单键槽情况，齿轮轴=70mm满足设计要求。

3.2 齿轮齿条参数设定：

根据设计空间的限制，以及载荷模数的优先级，预估齿轮分度圆直径d=240mm。根据d=mz，初步设计齿轮齿条模数m=10mm，齿数z=24；根据小车本体与轨道之间间隙，齿轮宽度初步设计为B=80mm。电机额定扭矩：T=9216N/m，因为换辊频率不高，初步选择齿轮齿条45#钢调质处理。

3.2.1 强度校核

将选择的材料及动载系数输入计算机，模拟渐开线校核得出齿轮齿条齿面疲劳安全系数，发现齿面疲劳安全系数为0.6，（实际齿面安全系数＞0.8，齿根安全系数＞2），由于齿面安全系数小于理论值，所以齿轮调质后另外齿面淬火处理。如图7，图8所示，疲劳安全系数以及静强度校核安全系数均在安全范围。

3.3 设计结果及分析

设计选用标准直齿圆柱齿轮传动，两齿轮均选用45钢调质处理，按8级精度设计；齿数Z=24;模数m=10mm；压力角α=20°；变位系数x=0；分度圆直径240mm；齿轮齿宽80mm，齿条齿宽70mm；根据设计规范，齿条齿根圆到齿条底部端面应大于2.2倍模数，结合现场空间，齿条齿根圆到齿条底部端面高度为40mm。

4 安装方法及步骤

具体安装步骤：

1先将轴承、轴承座、定位套以及齿轮，整体安装在传动轴上，注意先安装一侧的轴承座，再安装齿轮，最后安装另一侧轴承座；

2将装配好的齿轮轴，插入移动座180孔内，调整齿轮齿条变位，用螺栓固定轴承座和底座，底座的高度差是为了此时传动轴能顺利插入孔内而不至于轴承座与底部齿条干涉；

3最后安装电机，也可以将电机提前安装在180孔内；

4拆卸时，若更换电机，直接拆卸电机，若更换齿轮齿条，直接拆卸传动轴。

5 改进后的效果

1）节省时间：改进前，换辊装置车轮与轨道不同步，皮带轮时常有磨损，有时要求操作人员辅助助推操作，既耗費人力，又耽误换辊时机。采用新的换辊设备后，换辊时间缩短近20分钟。

2）维护简便：轴承座底座设计有高度差，目的是将齿轮轴上的零件整体装配好后一次性插入电机安装孔中，既满足定位要求，又维修检修方便。

3）费用成本：小车本体以及两侧轨道设计后总重约3.5吨，加上齿轮齿条机构及传动电机的采购费用，整体费用约5万元。

6 结束语

此次优化设计后的矫直机换辊小车，在实际中解决了长期换辊车轮轨道打滑，辊系无法正常更换问题，而且使操作工换辊及维护更加便捷，进一步可以增强设备的可靠性、降低事故的多发性、提高生产效力、减轻劳动强度。对换辊小车设备进行技术改造，有效的降低成本，节约能源，创造更大的经济效益，为设计人员对后期换辊小车的优化设计提供新的思路。

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