冶金起重机卷筒车削加工阻尼防振动装置研究及应用*

李静宇 张杰义 刘艳芳 孙宇航 宋 伟

河南卫华重型机械股份有限公司 长垣 453400

0 引言

随着社会的不断进步，起重机行业也在不断向前发展，越来越多的起重机种类逐渐出现，冶金起重机作为起重机行业中不可或缺的一种，主要应用于冶金领域，是冶金行业炼钢的主要设备之一[1，2]。冶金起重机根据其吨位的不同所应用的场合也不同，吨位较轻的适用于吊运钢水、铁水等的冶金场合，主要有1 套起升机构；而对于吨位较大的冶金起重机，结构较为复杂，主起升机构设置2 套驱动装置，主要是为了防止其中一套装置在运行过程中出现问题时另一套装置能够保证工作正常进行，其构造型式也可根据吨位的不同设计成不同的形式，例如，对于中、大吨位的铸造起重机，设计时其形式可以采用双梁双轨及四梁四轨[3]。

冶金起重机主要用于冶金生产过程中的冶炼、铸造、锻造、热轧等作业，具有工作环境温度较高、工作现场粉尘多、空气湿度大、冶金起重机工作时间长等工作特点[4-6]。由于冶金起重机工作环境较为恶劣，工作时容易发生安全事故，故制造时对冶金起重机加工质量要求较高。卷筒作为冶金起重机起升机构的重要结构件，是保证起重机正常运行工作中承载载荷的主要部件。卷筒的加工精度高低不仅影响着冶金起重机起升机构的正常运行，也影响着冶金起重机的产品质量，而卷筒车削加工时产生的振动是影响卷筒加工精度及加工质量的主要因素。为了减小卷筒车削加工过程中的振动，提高卷筒的加工精度，保证冶金起重机的正常运行，必须采取有效的措施来减小卷筒车削加工时产生的振动。

1 冶金起重机卷筒结构分析

本文所述的卷筒为冶金起重机的主要结构件，该冶金起重机起重量为500 t，属于大吨位铸造起重机，卷筒直径较大（约3 m），尺寸也较长（约为3.5 m），卷筒结构示意如图1 所示，属于单轴卷筒，卷筒进行车削加工前端面板、内衬板及卷筒轴等已经由焊接作业人员焊接至卷筒体上，焊接完毕后需要在车床上加工卷筒外圆、法兰内孔及端面、卷筒左右旋绳槽及卷筒轴。由于卷筒壁厚较薄，车削加工卷筒时的表面加工量大，其特殊的结构导致在车削加工卷筒时表面极易产生振刀纹，振刀纹的出现会对严重降低卷筒的加工质量，因此，为了提升卷筒的表面加工质量，必须采取相应的措施解决加工过程中产生的振动。

图1 卷筒结构示意图

2 卷筒车削加工方法及振动原因分析

2.1 卷筒车削加工方法

卷筒在车床上进行车削加工前需要对卷筒进行划线，目的是为了保证车削加工时卷筒的加工尺寸，划线前卷筒轴、法兰板及端面板已焊接至卷筒体上。将检验合格的卷筒放置在滚轮架上后，用高度尺测量已加工卷筒轮带顶部，目的在于保证卷筒轮带顶部水平。将卷筒旋转180°，同样通长打表拉直卷筒外壁周围，根据圆度偏差调节卷筒中心，旋转卷筒，划两端法兰板和卷筒轴端的中心线、参考余量线，并引线到卷筒外壁上，之后钻卷筒轴端面中心孔以便在车床上装夹卷筒。划线完毕后准备对卷筒在车床上进行车削加工，车削加工卷筒过程如下：

1）对卷筒车削加工前，利用车床顶尖顶紧卷筒轴端面中心孔，起到定位作用，卷筒端面板一侧利用四爪卡盘辅助夹紧。

2）对卷筒进行车削加工，卷筒外圆见光，车法兰内孔与端面，加工过程中要保证粗糙度要求。

3）工件调头，四爪卡盘内撑法兰内孔，利用车床右尾座顶尖将卷筒轴端面中心孔顶紧，加工卷筒外圆，保证卷筒的粗糙度及径向跳动公差满足图纸要求。

4）划绳槽的加工位置线，划线完毕后依照图纸检查绳槽的旋向正确。

5）车床车削卷筒的左右旋绳槽，保证槽数、槽深、槽形及螺距满足图纸要求。

6）车床车削卷筒轴外圆，保证图纸粗糙度及尺寸要求，同时车角焊缝外圆见光至法兰面处，留过渡圆角。

从卷筒的车削加工过程可以看出，卷筒加工时主要是通过四爪卡盘辅助夹紧与顶尖顶紧，这就导致车削加工卷筒时卷筒筒体缺乏支撑，在车削加工过程中刀具和卷筒便会产生相对振动，在对卷筒进行车削加工时会在卷筒表面留下一段振刀纹，当再次对卷筒筒体进行下一步车削加工时，卷筒表面会出现振刀现象，由于车削加工时厚度大小不同，产生的振动会发展为持续振动，严重影响卷筒的加工质量与加工精度。

2.2 车削加工卷筒振动原因分析

由于卷筒自身质量、卷筒长度、直径、机床及刀具的影响，在车床上对卷筒进行车削加工时容易产生振动，振动的产生不仅会降低卷筒的加工精度和表面质量，而且还会缩短刀具的使用寿命，降低生产效率。为了减小车削加工过程中的振动，提高刀具的使用寿命，提高生产效率，对导致卷筒加工过程中产生振动的3 个原因进行了分析，并针对产生振动的原因给出了相应的解决方案，以此达到减小振动或者消除振动的效果。

2.2.1 车削加工卷筒振动的产生原因

1）机床内部产生的振动

机床内部产生振动的原因主要有2 个方面。①由于卷筒本身材料不均匀、卷筒外形的误差、加工卷筒时产生的误差及卷筒结构形状局部不对称等原因，卷筒在车削加工时会因为旋转产生不均匀的惯性力[7]，当四爪卡盘夹持卷筒进行车削加工时会因为机床主轴转速过高导致卷筒离心力增大，从而引起机床的振动，进而导致卷筒加工表面不光滑。②因为机床本身的精度问题导致传动时出现缺陷，从而引起振动。

2）机床外部产生的振动

机床外部产生的振动主要是通过外部因素引起的。当机床放置在无任何防护措施的地面上时，地面的振动等外部因素则会通过地基传给机床，从而引起车削加工过程中工件的振动，外部因素产生的振动对卷筒的加工质量影响是较小的。

3）卷筒本身的固有频率

卷筒本身的固有频率影响也会使卷筒在加工过程中产生振动。当车削加工卷筒时的刀架系统受到偶然干扰发生了振型耦合，刀架系统频率与卷筒自身频率相等时，则会发生自振现象，卷筒受共振现象影响产生的振动是影响卷筒加工质量的主要原因。

2.2.2 消振或减振的有效措施

通过对卷筒产生振动的原因进行分析，得出产生振动的主要原因有机床内部、机床外部以及卷筒自身固有频率的影响。针对车削加工过程中产生振动的原因可以通过有效措施来消除或减小，可以针对产生振动的原因采取相对应的有效措施。

1）消除或减小机床内部振源

由机床内部原因的影响而产生振动时，可以通过确认产生振动的源头采取相应的措施，针对振源的产生采取有效的措施来减振或者消振。在对卷筒进行车削加工前，需要保证机床上的四爪卡盘等高速运转的零件精度达到合格的要求，对于没有满足精度及质量要求的零件要及时更换，同时机床在进行车削加工时要保证传动过程平稳，选取合适的转速，减小因为机床传动缺陷引起的振动。

2）采取相应的隔振措施

这类措施主要是针对机床外部因素产生的振动，由于机床外部产生的振动是通过地基传给机床的，所以可通过设置相应的隔振措施来排除外部因素产生的影响，车削加工过程中常用的隔振材料有木屑、橡皮等。

3）调整振源频率

为了减小由于卷筒本身固有频率影响产生的振动，车削加工时需要使刀架系统的固有频率值远离卷筒本身的固有频率，避免产生共振现象。为了提高卷筒加工质量，设计了一种起重机卷筒车削加工阻尼防振动工装，通过改变支撑卷筒的支撑架的固有频率，进一步减小车削加工过程中卷筒产生的振动。

3 工装设计

本文所述的卷筒为大直径冶金起重机卷筒，通过对卷筒车削加工方法及加工过程中产生振动的原因进行分析可知，由机床内部原因与机床外部原因产生的振动在车削加工过程中对卷筒表面加工质量的影响较小，加工过程中可以通过车削前检查零件是否合格及采用橡胶皮等防振来减小这2 类原因产生的振动。而针对由于卷筒本身原因使得加工过程中产生的振动对卷筒加工质量影响是较大的，因此，针对这类产生振动的原因必须设计相应的工装，主要是通过增加滚轮架及热塑层来减小振动。

由于卷筒加工过程中特殊的装夹方式，导致卷筒加工过程中缺乏支撑，故在切削加工过程中会出现加工振动。为了减少加工过程中的共振现象，设计了一种起重机卷筒车削加工过程中用的阻尼防振动装置，支撑卷筒的同时可通过改变支撑轮的固有频率来减小振动，起重机卷筒车削加工阻尼防止振动装置结构示意如图2所示。

由图2 可知，加工时装置中的支撑轮及阻尼防振动装置等配合工作，既可实现对卷筒的夹持支撑，又可改变支撑轮的固有频率，减小车削过程中的振动。

图2 起重机卷筒车削加工阻尼防止振动装置结构示意图

在车削加工前，该装置可通过底座面放置在加工卷筒用的车床导轨上，放置时可与导轨对应连接，从而使得装置能在车床上移动，底座能沿卷筒的轴线方向移动，从而调整装置对卷筒的支撑位置。底座上设置有齿轮传动机构，主要结构件为传动齿轮和连接杆，工作时可通过驱动装置转动连接杆，从而使连接杆带动齿轮沿齿条移动，最终带动底座沿着车床的导轨滑动。连接杆工作时垂直安装在底座上，连接杆的头端能够与驱动部件连接，驱动部件主要有驱动轮、驱动电动机等。

底座的顶部设有滑轨，为保证加工精度，滑轨的轴线与车床导轨的轴线是互相垂直的，工作时可通过转动驱动装置（见图3）中的螺杆带动滑座沿螺杆方向移动，滑座相向移动时，能实现对卷筒的加持支撑，滑座相背移动时，能松开卷筒。滑座的顶部有支撑轮，由于卷筒在车削加工时需要转动，驱动装置中的支撑轮可夹持支撑着卷筒，支撑轮外缘面包裹具有弹性变形能力的热塑层，加工过程中能够适应卷筒外径的椭圆应力进行变形，从而能够保证支撑轮支撑卷筒时支撑力的有效性、可靠性。

图3 驱动机构结构示意图

为了减小车削加工过程中的振动，工装设有旋转阻尼结构，旋转阻尼机构结构示意图如图4 所示。工作时弹簧通过对壳体内的挤压盘施加力而使挤压盘向滑座方向移动，壳体的开口端侧面设有注油口，目的是通过注油口向壳体内注入高粘性油，齿轮与支撑轮的轮轴对应连接。由于高粘性油所处的空间为负压状态，在壳体内注入一小部分高粘性油后，通过施加力驱动挤压盘向滑座方向移动，随着挤压盘向滑座方向的移动，使得高粘性油的空间大小减少、液面高度上升，进而增大了高粘性油与齿轮之间的接触面积，接触面积增大意味着支撑轮随着卷筒旋转时的阻力增大，即改变了支撑轮的固有频率，从而达到了减小车削加工过程中产生的振动的目的。

图4 旋转阻尼机构结构示意图

该工装主要是通过改变支撑轮的固有频率减小车削卷筒过程中振动的产生，使用时，先通过注油口向壳体内注入一部分高粘性油，之后密封注油口，根据卷筒加工实际情况将底座移动到合适位置，底座底面对应连接在车床的导轨上，通过驱动部件驱动2 滑座沿工装装置滑轨移动，卷筒加工时利用四爪卡盘卡紧端面板，顶尖顶紧卷筒轴端中心孔，之后使2 个支撑轮的外缘面均与卷筒的筒壁抵触，调整好卷筒与工装所在位置之后，最后启动车床对卷筒进行车削加工，车削加工卷筒如图5所示。工装使用前后卷筒表面加工质量对比图如图6 所示。可以看出工装使用后卷筒加工表面振动纹减少，卷筒的表面加工质量及加工精度得到了大幅度提高。

图5 车削加工卷筒

图6 工装使用前后卷筒表面加工质量对比图

4 结语

本文所述的卷筒作为冶金起重机的重要结构件，由于卷筒直径及卷筒质量较大，加工过程中容易出现加工振动，振动的产生影响着卷筒的表面加工质量与加工精度，由于对车削加工过程中振动的控制较困难，工装的使用提升了卷筒的加工质量与加工效率，对减小车削加工卷筒过程中产生的振动效果非常明显。

本文通过对冶金起重机卷筒结构特点进行分析，同时对车削加工卷筒过程产生振动的原因进行了论述，针对产生振动的原因给出了相对应的解决方案，设计起重机卷筒车削加工用的阻尼防振动装置，可以减小卷筒车削加工过程中产生的振动。通过采用工装两滑座顶部支撑轮夹持卷筒，能够对卷筒的筒身进行支撑，从而防止卷筒车削加工过程中产生的振动。工装的使用使卷筒加工效率提升了100%，同时提高了卷筒的加工质量。使用该工装不仅实现了对卷筒的夹持支撑，同时减小了加工时产生振动，不仅为其他卷筒的车削加工提供了参考，也为类似卷筒结构的工件加工提供了保障。