無縫鋼管齒條步進(jìn)式冷床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

魏 昊，王 成，張本彤，馬然然

（湖北新冶鋼特種鋼管有限公司，湖北 黃石 435001）

齒條步進(jìn)式冷床近年來在熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中應(yīng)用較多。這種類型的冷床由定齒梁和動(dòng)齒梁等組成，通過動(dòng)齒梁的上升和平移運(yùn)動(dòng)，將定齒梁上的鋼管步進(jìn)式地向前移送，鋼管在這個(gè)過程中由流動(dòng)空氣或強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)行冷卻。如果合理地設(shè)計(jì)定齒梁、動(dòng)齒梁的齒形以及二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，鋼管可在移送過程中實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)，使鋼管在圓周方向上均勻冷卻，避免發(fā)生彎曲。

由于冷床工作負(fù)載大，帶載啟動(dòng)頻繁，傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的正確計(jì)算是設(shè)備正常運(yùn)行的前提條件。本文著重探討冷床升降傳動(dòng)裝置及橫移傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以對(duì)同類型冷床的設(shè)計(jì)提供參考［1-3］。

1 冷床結(jié)構(gòu)組成

齒條步進(jìn)式冷床一般由定齒梁、動(dòng)齒梁、升降傳動(dòng)裝置及橫移傳動(dòng)裝置4個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。定齒梁對(duì)鋼管起靜支撐作用，升降傳動(dòng)與橫移傳動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)齒梁分別產(chǎn)生升降及橫移運(yùn)動(dòng)，從而使鋼管在前進(jìn)過程中滾動(dòng)并均勻冷卻。

升降傳動(dòng)裝置由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿的上下擺動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)齒梁升降。搖桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為直角T型擺軸，擺軸底部由數(shù)組拉桿沿冷床長(zhǎng)度方向（即料流方向）首尾串聯(lián)起來，擺軸的另一端安裝有滾輪，動(dòng)齒梁底部的楔形滑塊在滾輪上能橫向移動(dòng)。升降傳動(dòng)裝置的變頻電機(jī)是雙出軸形式，連接若干臺(tái)減速器沿冷床寬度方向串聯(lián)布置（減速器數(shù)量由冷床寬度確定），減速器輸出軸與充當(dāng)曲柄的偏心軸相連，偏心軸與T型擺軸通過連桿連接。升降過程中整個(gè)床面負(fù)荷由升降裝置承擔(dān)，升降過程是靠相互串聯(lián)的拉桿將升降裝置的動(dòng)力傳動(dòng)到整個(gè)床面；因此，升降傳動(dòng)裝置一般位于冷床入口處。升降傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 齒條步進(jìn)式冷床的結(jié)構(gòu)示意

圖2 升降傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意

橫移傳動(dòng)裝置與升降傳動(dòng)裝置類似，也是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，減速器輸出軸（偏心軸式的曲柄）驅(qū)動(dòng)連桿通過搖桿（直角L型擺軸）兩直角邊長(zhǎng)放大關(guān)系推（拉）著動(dòng)齒梁產(chǎn)生橫移，橫移傳動(dòng)裝置電機(jī)及減速器的排列形式與升降傳動(dòng)裝置一樣，都是沿冷床寬度方向排列。橫移傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 橫移傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意

齒條步進(jìn)式冷床有兩種工作模式：一種是步進(jìn)模式，另一種是踏步模式。步進(jìn)模式就是每一個(gè)動(dòng)作周期冷床都將鋼管沿料流方向向前傳遞一個(gè)（或者兩個(gè)）工位；而踏步模式就是鋼管被動(dòng)齒梁抬起后動(dòng)齒梁后退一小段距離將鋼管又放在原定齒梁齒槽中，鋼管在原地踏步過程中發(fā)生兩次滾動(dòng)并得到均勻冷卻。在正常連續(xù)軋制過程中為步進(jìn)模式，在軋管機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不來料時(shí)，可采用踏步模式。

由此可見，齒條步進(jìn)式冷床的每一個(gè)工作周期都是由兩個(gè)升降動(dòng)作及兩個(gè)橫移動(dòng)作間隔排序組成的。在冷床傳動(dòng)計(jì)算時(shí)，冷床的動(dòng)作周期不得大于軋管機(jī)的軋制周期。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)力能參數(shù)計(jì)算

冷床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括升降傳動(dòng)裝置計(jì)算和橫移傳動(dòng)裝置計(jì)算兩部分。從上述工作原理可知，升降傳動(dòng)裝置和橫移傳動(dòng)裝置類似，因此以下詳細(xì)介紹升降傳動(dòng)裝置計(jì)算，橫移傳動(dòng)裝置的計(jì)算可與之對(duì)照進(jìn)行。

要確定冷床升降傳動(dòng)和橫移傳動(dòng)裝置的電機(jī)功率，首先必須確定負(fù)載軸功率（即電機(jī)輸出軸處的負(fù)載功率）。負(fù)載軸功率是通過負(fù)載總轉(zhuǎn)矩計(jì)算出來，對(duì)于冷床來說，負(fù)載總轉(zhuǎn)矩T總從性質(zhì)上可以分為重力矩TG、摩擦力矩Tf和慣性力矩Ta，即：

2.1 重力矩TG的計(jì)算

冷床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，傳動(dòng)裝置要克服與設(shè)備自身質(zhì)量及鋼管質(zhì)量相關(guān)的阻力矩，在此可以理解為冷床在任意位置保持靜止時(shí)電機(jī)的輸出力矩。

由于T型擺軸的擺動(dòng)特性，在一個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，冷床的重力矩是隨時(shí)間變化的，為確定電機(jī)的功率，一般取最大值進(jìn)行估算，即取力臂為最大時(shí)的力矩值作為重力矩的計(jì)算力矩。

式中Gg——冷床上盛放鋼管的總重量，N；

Gd——?jiǎng)育X梁的自重，N；

LT——T型擺軸負(fù)載側(cè)的最大力矩長(zhǎng)度，m；

i——減速機(jī)傳動(dòng)比。

2.2 摩擦力矩Tf的計(jì)算

在冷床的傳動(dòng)裝置中，存在較多的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)摩擦副，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)中心的摩擦力矩，而且由于在空轉(zhuǎn)和帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載不同，所以摩擦力矩也是變化的，這里同樣取其最大值作為計(jì)算用的摩擦力矩。

在冷床的升降傳動(dòng)系統(tǒng)中，主要的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)副有曲柄-大連桿處和T型擺軸的4處鉸接點(diǎn)，最大摩擦力矩可按公式（3）～（4）計(jì)算［4］：

式中Tq——曲柄-大連桿處的最大摩擦力矩，N·m；

TTx——T型擺軸上4處鉸接點(diǎn)處的最大摩擦力矩，N·m；x=1，2，3，4；

k——系數(shù)，對(duì)于跑合過的軸徑，k=1.27；

μ——運(yùn)動(dòng)副元素是平面時(shí)的摩擦因數(shù)；

G——各運(yùn)動(dòng)副處沿軸的直徑方向上作用的最大載荷重量，N；

R——運(yùn)動(dòng)副處軸徑的半徑值，m。

考慮所有的摩擦力矩比較繁瑣，工程計(jì)算時(shí)，摩擦力矩也可以根據(jù)裝置的工作效率整體考慮。

2.3 慣性力矩Ta 的計(jì)算

冷床在運(yùn)行過程要頻繁帶載啟動(dòng)，因此除了重力矩和摩擦力矩，在計(jì)算時(shí)還要考慮在加速過程中鋼管和動(dòng)齒梁等的慣性力矩。在升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置中，為了克服設(shè)備自身的慣性所需要的力矩為［5］：

式中Jg，Jl，Js，Jz——轉(zhuǎn)化到電機(jī)輸出軸的鋼管、動(dòng)齒梁、減速器、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

Jj——電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ε——冷床啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的角加速度，rad/s。

上述計(jì)算方法為工程上常用的簡(jiǎn)便方法，可以初步快速地估計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率。如果要較精確地計(jì)算，根據(jù)冷床的傳動(dòng)特性，可以采用等效轉(zhuǎn)矩法［6］：在冷床的動(dòng)作周期內(nèi)，隨著曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)位置的不同，整個(gè)床面負(fù)荷產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩是不同的，為了準(zhǔn)確地計(jì)算其數(shù)值，可以將曲柄轉(zhuǎn)過的角度等距平分，取一系列的點(diǎn)，計(jì)算出每點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的重力矩、摩擦力矩和慣性力矩，最后匯總出每個(gè)位置點(diǎn)的合力矩，按照公式（6）計(jì)算出當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Te［3］：

式中T1，T2，...，Tm——各分段轉(zhuǎn)矩值，N·m；

t1，t2，...，tm——各分段負(fù)載持續(xù)時(shí)間，s。

3 電機(jī)功率計(jì)算

因?yàn)槔浯驳倪\(yùn)轉(zhuǎn)速度相對(duì)較慢，為了更好地發(fā)揮電機(jī)的效能，一般選擇8級(jí)交流變頻調(diào)速電機(jī)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n為750 r/min。至此，根據(jù)公式（7）即可計(jì)算出升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總功率P［7］：

式中z——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的個(gè)數(shù)；

η——系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。

減速機(jī)的傳動(dòng)比是根據(jù)軋制節(jié)奏來推導(dǎo)，升降傳動(dòng)裝置提升/下降的時(shí)間tv可以先按照公式（8）進(jìn)行初步計(jì)算：

式中t——每支鋼管的軋制周期，s；

Sv，SH——升降、橫移行程，m。

公式（8）只是初步計(jì)算時(shí)用來粗略估計(jì)提升或下降過程所需要的時(shí)間，且是假設(shè)升降速度等于橫移速度的條件下進(jìn)行計(jì)算的。于是，升降減速機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成一次升降所需的時(shí)間為2tv，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n1=30/tv，減速機(jī)傳動(dòng)比為：

4 結(jié) 語

在分析冷床運(yùn)動(dòng)過程的基礎(chǔ)上，討論冷床升降傳動(dòng)及橫移傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。需要說明的是，為了實(shí)現(xiàn)鋼管輕拿輕放，減小設(shè)備的沖擊載荷，并保證鋼管表面質(zhì)量，還需要在此基礎(chǔ)上合理設(shè)定升降和橫移傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)位置和速度。