液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計(jì)和有限元分析

趙勛亞 彭 誠(chéng) 閻建武

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

1 翻轉(zhuǎn)冷床的特點(diǎn)

翻轉(zhuǎn)冷床位于連鑄機(jī)出坯系統(tǒng)中，是連鑄機(jī)的重要設(shè)備。翻轉(zhuǎn)冷床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備噸位大，承載能力強(qiáng)，設(shè)備運(yùn)行軌跡精度要求高。經(jīng)過澆鑄、成型、剪切而成的定尺高溫鑄坯(包括方坯和圓坯)，通過翻轉(zhuǎn)冷床，能使其盡快地、均勻地冷卻下來，并且在冷卻過程中鑄坯不產(chǎn)生彎曲變形，而且通過齒形的相互作用，起到一定的矯直作用［1］。

對(duì)于生產(chǎn)長(zhǎng)定尺的方坯及圓柱坯連鑄機(jī)而言，由于長(zhǎng)定尺方坯、圓坯在出坯過程中需經(jīng)輥道運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)裝置傾翻、移鋼機(jī)推動(dòng)等，極易產(chǎn)生彎曲變形，這樣的成品鑄坯不能進(jìn)入下道工序［2，3］。所以，在出坯系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)冷床是不可缺少的設(shè)備，實(shí)踐證明其作用及效果也是明顯的。

相對(duì)于傳統(tǒng)的采用電動(dòng)集中傳動(dòng)的步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床，液壓步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床具有以下兩個(gè)重要特點(diǎn):

(1)冷床的重量小，結(jié)構(gòu)緊湊。升降液壓缸和平移液壓缸直接和冷床的動(dòng)框架相連接，不需要眾多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接機(jī)構(gòu)，因而冷床的重量小。液壓缸所占空間較小，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也好布置。

(2)冷床運(yùn)動(dòng)噪音小。冷床的動(dòng)齒由液壓缸控制，運(yùn)動(dòng)平緩，沖擊小，現(xiàn)場(chǎng)噪音小，明顯改善生產(chǎn)環(huán)境。

2 液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計(jì)

2.1 液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計(jì)參數(shù)

冷床由4 個(gè)升降液壓缸和2 個(gè)橫移液壓缸驅(qū)動(dòng)，能夠滿足多種斷面的生產(chǎn)要求。冷床的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 冷床的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of cooling bed

2.2 冷床的傳動(dòng)方案

冷床的負(fù)載大，適合采用液壓式冷床。冷床有4 個(gè)升降液壓缸和2 個(gè)橫移液壓缸，為了保證冷床動(dòng)作的同步性，采用了集中式傳動(dòng)，且每個(gè)液壓缸上都帶有位移傳感器。液壓集中傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，運(yùn)動(dòng)平緩，沖擊小。

2.3 冷床的進(jìn)坯方案

由于連鑄機(jī)生產(chǎn)的鑄坯規(guī)格眾多，尺寸差異大，為了更好的適應(yīng)冷床的功能要求，冷床采用了鉤鋼機(jī)上坯的方式。鉤鋼機(jī)可以保證鑄坯停位準(zhǔn)確，適合各類規(guī)格的鑄坯，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。

2.4 冷床的步進(jìn)翻轉(zhuǎn)

冷床的齒板由動(dòng)齒和定齒兩種構(gòu)成。定齒板固定不動(dòng)，上面存放鑄坯。動(dòng)齒板完成一個(gè)向上、前進(jìn)、向下和返回的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，將鑄坯向前推進(jìn)一個(gè)齒距，同時(shí)也將鑄坯翻轉(zhuǎn)90°。在冷床的運(yùn)動(dòng)過程中，隨著液壓油缸的收縮，動(dòng)齒板下降，鑄坯將由動(dòng)齒板轉(zhuǎn)放到定齒板上，且依靠鑄坯重力繞支撐點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，翻鋼冷床將會(huì)承受很大的橫向力。由于冷床的豎向承載能力強(qiáng)，橫向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的問題。

圖1 為連鑄機(jī)的鑄坯步進(jìn)翻轉(zhuǎn)軌跡及原理圖。動(dòng)齒板每運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，通過動(dòng)、定齒板齒形的配合完成鑄坯的90°翻轉(zhuǎn)，并向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)齒距，這就完成了冷床的步進(jìn)翻轉(zhuǎn)功能。

2.5 冷床的出坯方案

冷床的后面一般布置有鑄坯收集成組下線裝置。冷床直接采用動(dòng)齒板出坯，即當(dāng)鑄坯到達(dá)定齒板最后一個(gè)齒形時(shí)，動(dòng)齒板將坯子抬起，直接放到收集裝置的臺(tái)面上。這種出坯方式不增加其它設(shè)備，不用額外控制，對(duì)于減少投資、提高生產(chǎn)效率有積極意義。

2.6 冷床的結(jié)構(gòu)

液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床主要由定齒板、動(dòng)齒板、動(dòng)框架、橫移液壓缸和升降液壓缸等組成。定齒板固定在齒板支架上，動(dòng)齒板安裝在動(dòng)框架上，平移液壓缸和升降液壓缸帶動(dòng)動(dòng)框架運(yùn)動(dòng)，動(dòng)齒板的運(yùn)動(dòng)軌跡大小由平移和升降液壓缸控制。冷床的設(shè)計(jì)總圖如圖2 所示。由于冷床較長(zhǎng)，升降液壓缸在動(dòng)框架上的支撐點(diǎn)間距達(dá)到10 860 mm。

3 冷床動(dòng)框架的有限元分析

在受坯過程中，冷床不僅受到豎向載荷的作用，還要受到橫向力作用。冷床的動(dòng)框架支撐點(diǎn)間距10 860 mm，若冷床框架本身的強(qiáng)度和剛度不夠，變形過大，會(huì)降低冷床的步進(jìn)翻轉(zhuǎn)精度，直接影響冷床的使用效果。要精確得到冷床框架在工作過程中的應(yīng)力大小和變形，有限元法是較好的選擇。

圖1 鑄坯步進(jìn)翻轉(zhuǎn)軌跡及原理Figure 1 Casting blank walking beam overturning trace and principle

圖2 冷床的設(shè)計(jì)總圖Figure 2 General chart of cooling bed design

3.1 冷床動(dòng)框架的力學(xué)簡(jiǎn)化模型

冷床結(jié)構(gòu)中，定齒板通過支座固定在土建基礎(chǔ)上，承載能力好，抗沖擊性能強(qiáng)，因此只對(duì)冷床的動(dòng)框架進(jìn)行有限元分析。動(dòng)框架的力學(xué)簡(jiǎn)化模型去除了螺孔、小倒角等對(duì)整體框架強(qiáng)度影響不大的特征。冷床動(dòng)框架的機(jī)構(gòu)主要包括2 根橫梁、6 根豎梁及60 個(gè)齒板支座，模型中認(rèn)為鋼板與鋼板之間的焊接完好。冷床動(dòng)框架的力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖3 所示。

圖3 冷床動(dòng)框架的力學(xué)簡(jiǎn)化模型Figure 3 Simplified model of cooling bed dynamical frame mechanics

3.2 材料參數(shù)

冷床的動(dòng)框架采用Q345-B 板材焊接制造，材料性能參數(shù)如表2 所示。

表2 材料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of material

3.3 約束條件及載荷

冷床動(dòng)框架所受載荷包括自重和外載荷，外載荷主要是坯子翻轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)冷床動(dòng)框架的反作用力。計(jì)算模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省略了齒板，通過對(duì)鑄坯和齒板進(jìn)行受力平衡分析后，直接將載荷施加到齒板支座的銷軸上。動(dòng)框架上存放的坯子重量為210 t，動(dòng)框架本身重量取為70 t。

根據(jù)冷床動(dòng)框架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，動(dòng)框架升降液壓缸支撐位置約束上下運(yùn)動(dòng)自由度，橫移液壓缸支撐位置約束橫向移動(dòng)自由度。

3.4 網(wǎng)格的劃分

整個(gè)結(jié)構(gòu)采用精度較好的六面體線性單元離散，如圖4 所示。

圖4 冷床動(dòng)框架網(wǎng)格劃分Figure 4 Grid partition of cooling bed dynamical frame

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床是連鑄機(jī)出坯區(qū)的重要設(shè)備，不僅要求功能完善，還要求在運(yùn)行過程中安全可靠。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中對(duì)冷床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次優(yōu)化，使其功能更加完善，結(jié)構(gòu)更加可靠。

圖5 冷床動(dòng)框架的變形Figure 5 Deformation of cooling bed dynamical frame

圖6 冷床動(dòng)框架的橫向(Z 方向)變形Figure 6 Horizontal(Z direction)deformation of cooling bed dynamical frame

圖7 冷床動(dòng)框架的應(yīng)力分布云圖Figure 7 Distribution nephogram of cooling bed dynamical frame stress

冷床動(dòng)框架的變形如圖5 所示，最大變形量為4.36 mm，出現(xiàn)在第3 根豎梁的中部位置，橫梁的變形量較小，中部變形量2.56mm。動(dòng)框架的橫向變形最大為2.11 mm，出現(xiàn)在第4 根豎梁的中部位置，另外，第2 和第5 根豎梁中部的變形量也較大，見圖6。因此冷床動(dòng)框架的剛度足夠，變形量小，不影響冷床的使用功能。

冷床動(dòng)框架的應(yīng)力分布如圖7 所示，最大應(yīng)力為103.71 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒板支座的加強(qiáng)筋上，橫梁的應(yīng)力最大值為72.63 MPa。齒板支座的加強(qiáng)筋上可能存在應(yīng)力集中，動(dòng)框架的整體應(yīng)力水平較低，均在80 MPa 以內(nèi)，遠(yuǎn)低于Q345-B 材料的屈服強(qiáng)度。因此冷床動(dòng)框架強(qiáng)度足夠，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)論

通過以上液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計(jì)和動(dòng)框架有限元分析，得出如下結(jié)論:

(1)液壓式步進(jìn)翻轉(zhuǎn)冷床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能多樣，能滿足多種規(guī)格鑄坯的生產(chǎn)需求，且能在以后的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

(2)通過有限元分析，液壓式步進(jìn)冷床的剛度和強(qiáng)度都滿足生產(chǎn)的需求。實(shí)踐也證明，冷床現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

［1］李杰.鑄坯翻轉(zhuǎn)冷床的設(shè)計(jì)與研究.冶金設(shè)備［J］，2000，(02).

［2］朱鳳華.多功能翻轉(zhuǎn)式冷床在生產(chǎn)中的應(yīng)用.天津冶金［J］，2000，(05).

［3］王浦江.小方坯連鑄［M］.北京:中國(guó)金屬學(xué)會(huì)連鑄分會(huì)，1998.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.