雙導(dǎo)柱運卷小車設(shè)計方法分析

胡 林

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039)

在熱軋、鑄軋、冷軋和精整等卷式生產(chǎn)工藝設(shè)備中，運卷小車是必不可少的物料周轉(zhuǎn)設(shè)備，其主要作用是高效可靠的完成卷材生產(chǎn)時的上、卸卷操作，并將卷材運送至指定工位，對保證設(shè)備的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全起著重要作用，也是機組實現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)的必要設(shè)備。運卷小車有多種結(jié)構(gòu)形式，如圓柱形雙導(dǎo)柱式、方型單導(dǎo)柱式、雙滑板式、剪式等，其中圓柱形雙導(dǎo)柱運卷小車應(yīng)用最為廣泛，本文通過一個實例，說明圓柱形雙導(dǎo)柱運卷小車設(shè)計的一般方法。

1 設(shè)計條件

使用場合為拉彎矯直機組的上卷、卸卷和運卷;基礎(chǔ)深度不限，采用地溝式;最大舉升能力＞(最大卷重+套筒重量)16000kg;升降采用液壓缸驅(qū)動，升降速度不小于0.15m/s;行走采用交流減速電機、變頻控制和鏈輪鏈條驅(qū)動車輪，行走速度0.1m/s～0.20 m/s。

2 設(shè)計選型

由于本機組對基礎(chǔ)深度沒有要求和限制，因此選擇常用的深坑+移動蓋板方案。運卷小車由小車本體、小車行走傳動機構(gòu)、軌道、移動蓋板及其軌道、拖鏈等組成。其中小車本體主要由托料輥、減速電機、車架、鏈輪、鏈條、車輪、心軸、液壓缸、導(dǎo)柱等零部件構(gòu)成(圖1)。

3 設(shè)計計算

圖1 小車本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Layout of coil car system

3.1 行走驅(qū)動裝置計算

根據(jù)許用輪壓選取車輪直徑為250mm。小車采用兩種車輪，一種不帶輪緣;另一種兩側(cè)均有輪緣，分別安裝在車軸的兩側(cè)，小車正常行進(jìn)時，這種結(jié)構(gòu)能使車輪起到較好的導(dǎo)向作用。為了提高車輪表面的強度，輪面通常需進(jìn)行表面淬火。

(1)小車正常行進(jìn)時的阻力矩，M1=μk(m1+m2)g;式中，m1為小車最大舉升重量，16000kg;m2為小車本體重量，2040 kg;μk為車輪與軌道滾動摩擦因數(shù)，0.1cm;計算得出，M1=180.4N·m;

(2)小車啟動力矩應(yīng)滿足足夠的加速度(從啟動加速至工作速度)，即小車啟動力矩，M2≥M1+amax(m1+m2)R;式中，amax為小車最大啟動加速度，對于運卷小車，可取0.15m/s2;R為車輪半徑，0.125m;計算得出，M2=518.65N·m;

(3)小車車輪打滑力矩，M3=μ(m1+m2)gR;式中，μ為滑動摩擦因數(shù)，0.1;計算得出，M3=2255N·m。

顯然，M3＞M2，說明小車能夠提供充足的啟動力矩來滿足必要的啟動加速度，且不會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。

(4)由于小車為輪式驅(qū)動，為保證小車有足夠動力，通常情況下選取車輪打滑力矩M3為小車驅(qū)動力矩。所以，初算電機功率;式中，n為車輪轉(zhuǎn)速=11.46r/min(v為小車運行額定速度，取0.15m/s);計算得出，P0=2.7kW。

(5)減速電機選型?？紤]到小車軌道安裝時縱向不水平引起小車爬坡、小車車輪輪緣與主軌道發(fā)生刮蹭等機械卡阻情況、加載后小車車輪出現(xiàn)彈性壓扁造成實際直徑增大等因素，實際選型時會將功率和輸出扭矩作適當(dāng)放大。本案例中選擇XWDC4－8165－71(天津減速機廠)，功率4kW、轉(zhuǎn)速1500r/min、速比為71、輸出轉(zhuǎn)矩1808 N·m、輸出轉(zhuǎn)速21.13 r/min;

(6)速度和力矩的修正?？紤]到車體驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計，在驅(qū)動裝置中串聯(lián)一對鏈輪，修正小車運行的額定速度，確定鏈輪減速比約為1.8，所以驅(qū)動裝置實際輸出力矩為，1808×1.8=3254.4 N·m;車輪運行額定速度為，(21.13/1.80)×0.125×2×π/60=0.15 m/s。

3.2 升降油缸計算

液壓缸最大提升重量，F(xiàn)=(m1+m3)g;式中，m3為小車提升區(qū)重量，1040kg;計算得出，F(xiàn)=170400N。

本方案采用標(biāo)準(zhǔn)冶金缸，缸徑為160mm，過平衡系數(shù)為1.1倍。油缸的行程以接到最小卷軸直徑為準(zhǔn)。

3.3 重要零部件的校核

托卷時，卷重(含套筒)和小車本體自重由兩根軸共同承擔(dān)(軸自重相比負(fù)載過小，可忽略不計)。車軸結(jié)構(gòu)見圖2，對車軸做受力分析見圖3，彎矩圖見圖4。

圖2 車軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of coil car

圖3 車軸受力示意圖Fig.3 Force analysis of coil car spindle

圖4 彎矩圖Fig.4 Bending moment diagram

由圖 2、3、4 可知，F(xiàn)B=FC=(m1+m2)g/4，計算得出，F(xiàn)B=45100N;MBC=FB×LAB，計算得出，MBC=5772.8N·m。危險截面Ⅴ處軸頸按彎扭合成強度校核應(yīng)不小于;式中，σ 為材料的許－1P用疲勞應(yīng)力，車軸材料為45，調(diào)質(zhì)處理，許用疲勞應(yīng)力范圍為180～207 MPa，取中間值190MPa;M為最大彎矩，M=5772.8N·m;計算得出，d=67.7mm。設(shè)計中采用的軸頸為75mm，安全系數(shù)約為1.1倍。

此外，可以通過建立三維模型，對車軸強度和剛度進(jìn)行力學(xué)分析，三維應(yīng)力分析結(jié)果與理論計算結(jié)果相吻合。

4 結(jié)束語

該方案設(shè)計的兩根導(dǎo)柱，保證了小車托料后升降的平穩(wěn)，且升降液壓缸只有一個，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便。小車使用時，結(jié)合接近開關(guān)的位置反饋功能，能精確控制小車升降時停留在特定位置。小車行走驅(qū)動動采用變頻調(diào)速裝置控制啟動、運行速度，保證運行平穩(wěn)。滿足小車升降行程的要求，此方案的液壓缸行程均較大，且多采用垂直安裝方式，故需開挖較深的地溝。

由于安全生產(chǎn)的需要，小車地坑多設(shè)計有可移動式封閉蓋板。因此，地坑中不僅有用于車體行走的主導(dǎo)軌，還有多層伸縮式活動蓋板用的導(dǎo)軌。主導(dǎo)軌安裝在地溝基礎(chǔ)牛腿的水平面上，移動蓋板導(dǎo)軌安裝在地溝側(cè)壁預(yù)埋的鋼板上。通常上、卸卷車的移動行程均較長，軌道長度達(dá)10m以上，為保證小車行走順暢，避免車輪卡阻現(xiàn)象，需嚴(yán)格保證主軌道安裝精度。

［1］李毅飛.上、卸卷車傳動功率的計算與分析［J］.有色金屬加工，2015，(4):