热送分滑钢机构的设计与应用

摘 要：为了增加高线厂加热炉生产效率及匹配炼钢厂的热送系统，高线厂在不破坏原地基的基础上，进行液压系统、曲柄摇杆机构的设计—— 分滑钢机构的设计，从而实现钢坯热送最大化。其占地面积小，投资少，完全满足工艺要求。

关键词：热送 曲柄摇杆机构 液压系统 分滑钢机构

中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0119-02

高速线材厂新炉区设备是在原生产系统的基础上，为了增加加热炉生产效率及匹配炼钢厂的热送系统而进行的项目，分滑钢机构的设计与改造就是其中最重要的部分之一。

分滑钢机构的设计因现场旧厂房部分基础不允许破坏，且场地狭窄无法选用减速机电机传动系统，其平面占地面积大，基础无法牢固布置。经测量计算决定增设液压系统加机械曲柄摇杆机构（见图1），其平面占地面积小，旧基础不但可以利用还易于牢固落位，既节省施工量也节省资金。

1 增设分滑钢机构的作用

（1）使炼钢热坯和轧钢生产节奏良好的匹配，以保证热送坯料数量的最大化。

（2）由于旧厂房部分基础不允许拆除，选择分滑钢机构使得热坯可以顺利的进入轧钢生产线。

2 分滑钢机构的动作原理

分滑钢机构由长摇杆系统和短摇杆系统组成，各七组，短摇杆位于长摇杆中间（见图2），短摇杆系统中的滑轨机构与长摇杆的排钢架对接处，即A、B点之间的距离为130 mm

使得最下面一根热坯P总能落在短摇杆的摆动范围内。长、短摇杆各由两个油缸经过长主、被动摇杆和短主、被动摇杆驱动（见图2）。分滑钢机构左侧是移钢机构，热坯由移钢机构输送到分滑钢机构的长摇杆排钢架处，从排钢架慢慢下滑到最低位B，第一根热坯正好落在滑钢架上。在分滑钢机构得到进钢指令时，长摇杆油缸活塞杆缩回，使长摇杆沿主轴逆时针旋转约48°，在排钢架上的热坯（3～4根）随着下降直到C点，使得A点左侧的热坯与热坯P错开，到位后，短摇杆开始动作，沿主轴逆时针旋转约48°带动最下面热坯P沿滑轨弧面滑落到入炉辊道上，再由入炉辊道送入加热炉。短摇杆动作完成并完全复位后，长摇杆复位，使得倒数第2根热坯进入短摇杆滑轨架AB处，等待第二次进钢指令，分滑钢机构一个周期动作完成，周期40s。

3 长、短摇杆的受力分析

因长、短摇杆逆时针方向旋转时受力均远小于顺时针旋转时，逆时针旋转受力可不予以分析，以下的受力分析均是指顺时针旋转时的受力。

3.1 长摇杆的受力分析

图3为长摇杆顺时针旋转48度完全复位时的位置，已知：4根钢坯重量G钢=90160 N，7组长摇杆重量G长=51292.2 N，2组主动摇杆重G1=3008.6 N，7组被动摇杆单重G2=10921.1 N。

按长摇杆动作要求，当油缸活塞杆伸出时，α角不变，被动摇杆将顺时针旋转48度。在这过程中被动摇杆所受竖直方向力的力臂逐渐减小，受力则越来越大，当转过48度时达到最大值。由此可知长被动摇杆在最高位B点所受力最大，力的方向沿着摇杆向下，如图3中的F2。

（1）当被动摇杆处B点时的受力分析。

对于A点：MA=G钢×L钢+G长×L长'-F2'×L2=0；MA=G钢×L钢+G长×L长/2-F2'×L2=0F2'≈113650 N

由作用力与反作用力可知：被动摇杆所受竖直方向力F2=F2'=113650 N，力的方向相反。

对于O点：因此时被动摇杆所受力对于“O”点力臂为0，所以MO=G1×L1-F缸×L缸=0。

由此可知：此时油缸所承受的力只有主动摇杆的重力，受力最小，即当被动摇杆到达B点时，被动摇杆所受力最大，但对于此时的液压缸所受力却是最小。（此时应该考虑到被动摇杆的抗压强度并进行校核，这里不予详细分析）

（2）当被动摇杆处于B'位（最低位）的受力分析。

如图5所示，由于长摇杆绕A点旋转角度很小（只有5°）相对热坯的重量、摇杆本身及被动摇杆的力距影响很小，可忽略不计。

对于B'点，被动摇杆上的滚轮与长摇杆是点接触，被动摇杆受力方向是垂直于长摇杆的底面，由于长摇杆旋转角度很小，其受力方向可看作近似竖直计算，如图5中的F2。

对于A点在竖直方向：MA=G钢×L钢+G长×L长'-F2'×L2'=0

L2'=1335+L被×Sin48°=1673mmF2'≈91875N

由作用力与反作用力可知：被动摇杆所受竖直方向力F2=F2'=91875 N，方向相反。

对于O点：MO=F2×L2+G1×L1+G2×L2/2-F缸×L缸=0；F缸=（F2×L2+G1×L1+G2×L2/2）/L缸F缸≈108351 N

由于两根液压缸驱动，所以单根缸的最大受力：F=54175.5 N（摩擦力不考虑），活塞杆受压（此时需对长摇杆主动轴进行抗扭、对主动摇杆进行抗弯强度的校核，这里不予详细分析）。

（3）油缸选型。

由长摇杆的动作要求可得，油缸的行程为280 mm，长摇杆的动作周期按20 s算。参照《机械设计手册》第5卷中表37.5-6，油缸工作压力为10 Mpa>7.0 MPa，选d/D= 0.7。查《机械设计手册》第5卷当往返速度相同时有d/D=0.71，由0.7≈0.71可知油缸的往返速度近似相同。即油缸活塞伸长280 mm时可按10 s算。

所以油缸活塞相对缸体的速度：v1≈v2=0.028 m/s

由对长摇杆系统的受力分析可知油缸活塞杆在原始点，且受压时受力最大，即活塞杆刚伸出（长摇杆复位）的瞬时受力最大，见图7。

活塞杆受压时：F=P1A1-P2A2

则：A1=（F+P2A2）/P1（A1=πD2/4）；D2=4 F/π[P1-P2×0.72）]G钢D=84.1 mm

P1为液压缸工作腔压力；P2为液压缸回油腔压力；

由于油缸所接液压回路系统简单，按《机械设计手册》第5卷中表37.5-5，取：P2=0.5MPa。

考虑到分滑钢机构中的机械卡阻力、油缸的机械效率等因素，油缸缸径选100mm，故选择C25ZB型油缸型号：C25ZB100/70-280MIA-K220。

3.2 短摇杆的受力分析（图4为短摇杆起始位置）

已知：1根钢坯重量约为：G钢=22540 N，7组短被动摇杆重量：G钢=19708.8N，2组主动摇杆重：G=2028.6 N。

在起始位置，如图4。

（1）对于A点存在：MA=G钢×L钢+G被×L被+G主×L主-F缸×L缸=0；F缸=（G钢×L钢+G被×L被+G主×L主）/L缸F缸=55407N

在旋转48度后，此时短摇杆处于最高位，如图6。

对于A点同样存在：MA=G钢×L钢+G被×L被+G主×L主-F缸×L缸=0；F缸=G钢×L钢+G被×L被+G主×L主/L缸≈37757.2N

因55407 N>37757.2 N，可知油缸在初始位置受力最大，此时活塞杆受压。（在初始位置需对短摇杆主动轴进行抗扭、对主、被动摇杆进行抗弯强度的校核，这里不予详细分析）

由于是两根液压缸驱动，所以单根缸的最大受力：F=27703.5 N（摩擦力不考虑）

（2）油缸选型

和长摇杆分析一样，由短摇杆的动作要求可得，油缸的行程为375 mm，短摇杆的动作周期也是20秒。取d/D=0.7≈0.71油缸的往返速度近似相同。即油缸活塞伸长375 mm时可按10 s算。

油缸活塞相对缸体的速度：v1≈v2=0.0375 m/s。

根据短摇杆系统受力分析可知油缸在原始点受力最大，此时活塞杆受压，和长摇杆油缸受力分析一样。

活塞杆受压时：F=P1A1-P2A2 A1（A1=πD2/4）D2=4F/π[P1-P2×0.72）]D=60.1 mm

考虑到分滑钢机构中的机械阻力、油缸机械效率等因素，油缸缸径选80 mm，故选择C25ZB型油缸型号：C25ZB80/56-375MIA-K300。

4 应用效果

高线厂分滑钢机构的投入使用已经5年多，与预计效果一样，完全满足设备工况、工艺要求，设备故障率低，维修方便，在不损伤原地基的基础上完成了整个布局，安装放便、施工周期短、投资少，实现了热坯输送的最大化。

参考文献

[1] 徐灏.机械设计手册[M].机械工业出版社，1991.