现代化小型冷床上料装置结构设计分析及计算

1、第6期总第166期冶金丛刊Su m.166No.62006年12月M ET ALLURGI C AL C OLLECTI O NS Dece mber2006现代化小型冷床上料装置结构设计分析及计算郑建华(中国冶金建设集团包头钢铁设计研究总院摘要近年来,由于轧钢工艺趋向于采用无扭轧制等先进技术,使轧制速度迅速提高,对冷床高速上料装置提出了更高的要求。冷床高速上料装置是冷床设计中的难点,也是关键设备,它的设计质量与安装精度直接决定着产品的最终质量。本文对冷床高速上料装置进行了结构分析与计算,对冷床的设计、维护有一定的指导意义。关键词冷床;高速上料装置;结构分析与计算中图分类号:TG33312文献

2、标识码:A文章编号:1671-3818(200606-0018-05THE STRUCTURE ANALY S I S AND CALCU LAT I O N O F FEED I NG FAC I L I TY O N MOD ERN S M ALL COOL I NG2BEDZhen J ianhua(China Metallurgical Constructi on Gr oup Baot ou Engineering&Research Cor p.of Ir on&Steel I ndustryAbstractI n recent years,the s peed of r ollin

3、g has been i m p r oved because of the technical trend of no2 t w ist r olling,and the require ment of quick2s peed feeding facility on cooling2bed has been put for ward.The quick2s peed feeding facility on cooling2bed is the difficulty and key equi pment in design,its quality and installati on accu

4、racy will directly influence the final quality of the p r oduct.This paper gives the structure analysis and calculati on for this facility,having s ome instructi on meaning in design and mainte2 nance of the cooling2bed.Key wordscooling2bed;quick2s peed feeding facility;structure analysis and calcul

5、ati on1前言冷床是中小型棒材车间不可缺少的辅助设备之一。它的功能是将轧机轧制后经飞剪剪切成倍尺长度的棒材,输送并卸到冷床齿条上冷却,使其温度由900降至100300,然后由冷床下料装置将其收集成组送至输出辊道上,再由输出辊道将其送到冷剪剪切成定尺成品。冷床的设计质量与安装精度直接决定着产品的最终质量。近年来,为适应轧制制度变化繁多,产品规格多、优质产品及高产量等要求,我院认真消化、吸收国内外先进技术,设计了一套具有同类国际先进水平的高速度、多品种、高质量的小型型钢和棒材冷床设备,年产棒材可达90万吨,已达到了国外同类设备的先进水平。2现代冷床上料装置结构2.1冷床的设备组成冷床由三大部分

6、组成:冷床上料装置、锯齿型步进式冷床本体、冷床下料装置及输出辊道。其中的冷床上料装置(见图1是冷床设计中的难点,也是咽喉设备,本文就此设备进行结构分析与计算 。1-矫直板;2-支架;3-副冷床;4-制动裙板;5-输入辊道;6-支座;7-连杆;8-液压缸图1冷床上料装置2.2冷床上料装置的组成及其结构分析第6期郑建华:现代化小型冷床上料装置结构设计分析及计算19上料装置由辊入辊道、矫直板、制动裙板及气动分钢装置组成。上料装置的结构特点是在120m长度方向上每12m布置一液压缸,所有液压缸同步运行,通过连杆、同步轴带动裙板同时升降。该装置的性能特点是:在同步轴上设置接近开关,检测和控制提升裙板的升

7、降位置,保证动作准确可靠;液压缸的控制阀采取就近配置,以最大限度地减少压力误差,保证动作同步;在控制回路设置直动溢流阀和防气蚀阀,配合液压缸的优化设计,有效地解决巨大冲击对液压系统的破坏问题,保证了液压系统的安全性。液压缸侧面驱动,在各液压缸保持同步时,5块提升裙板升降所需的扭转应力,而同步轴由于是旋转运动,几乎不产生惯性力。裙板的惯性力由于分散到各个液压缸上,机构受力状态得到极大改善。连杆上设有调整机构,可方便地调整裙板的上下位置。由于对机械结构进行了优化设计,电气控制采用了计算控制技术,液压系统采取了安全措施,赋予了该装置优越的使用性能,全部裙板的水平度和直线度在工作时得到可靠保证。212

8、11输入辊道(1功能。将分段飞剪剪后的倍尺棒材运输到冷床区并加速,使棒材产生一定的初拉力,保持棒材在平直状态下运行,也使棒材被剪断后能够快速升速,与其后一根仍在轧制的棒材拉开距离。(2输入辊道参数辊子直径:188mm;辊身长度:175mm;辊间距:1200mm;轧件速度:4.518m/s;辊道线速度:4.520m/s;辊道辊面与水平夹角:12(前部由0逐渐过渡到12。(3传动结构辊子悬臂安装,采用交流变频电机单独传动。为了使棒材能够顺利滑入制动板,辊道向冷床部倾斜,其角度由0逐渐倾斜到12。辊子直接装在电机轴上运转,电机选用一种新型高效节能调速加强型变频电机。该电机调速范围宽,震动噪音低,外形

9、尺寸小、重量轻。(4控制要求所有辊道均为不可逆连续运转。根据末架轧机轧制速度预先设定辊道速度。为避免棒材开始制动时尾部与后一棒材头部干涉,同时使热金属检测器可靠地检测到棒材的尾部,辊道速度应大于轧制速度的5%10%。输入辊道增速段可分为三段控制。通常第一段比末架轧机轧制速度超前5%;第二段超前10%;第三段超前5%。生产不同规格轧件时,采用不同的超前量。(5输入辊道的长度(见图2输入辊道的长度可分两段,第一段为增速段,第 二段为制动段。图2前段辊道长度计算图前段辊道的长度决定棒材间拉开的距离,而此距离的大小直接影响制动板的制动和卸料。将脱离轧机的棒材首先在辊道速度下由轧速升至辊道速度需要用的时

10、间设为t1;升速所走的距离为S1。则t1=(V1-V0/a(1S1=V0t1+12at21(2式中V轧制速度m/s;V1辊道速度(第二段升速辊道速度m/s;a加速度m/s2。由此可算出S1的距离。棒材升速完成后,钢材先要按照匀速继续运行一段距离后才开始制动。这段距离为S2,仍在轧制中的棒材以V匀速运行的距离为S,可计算出前后两根棒材的头尾间距SD。SD=S1+S2+S0(3一般应保证SDV1t/2(t为制动板由低位到高位的动作时间。根据不同规格,不同成品速度可得出一系列满足不同要求的卸钢速度。21212制动裙板制动裙板是位于输入辊道一侧的一条可在垂直方向上下运动的板。利用板与钢材之间的磨擦阻力

11、使钢材制动,并通过提升运动把钢材送入冷床矫直板。制动裙板是由多个液压缸驱动的。液压缸推动曲柄连杆使长轴旋转带动制动裙板升降,通过液压20冶金丛刊总第166期控制回路,可准确控制制动裙板的上升、下降及中间停位。传动长轴上装有接近开关,用于检测裙板的高位和低位。这种传动形式结构简单,调整方便,动作可靠。轧件长度:114m;拨料块总长:165m (冷床前45m ;拨料块宽度:130m;拨料块与水平面夹角:35; (1分段剪剪切棒材,剪切的长度是按冷床宽度或根据用户要求自动设定的。(2棒材头尾之间的分离是通过辊道增速和在冷床入口设置一个拔钢装置实现的。(3剪切后的棒材卸入制动板后开始制动,靠自然磨擦制

12、动。(1轧件上冷床的制动过程(见图3 图3冷床上钢装置及副冷床结构图根据成品轧机轧制速度与临界速度的关系,轧件在冷床的制动过程可分为不同阶段。精轧机轧制速度小于临界速度时,则轧件上冷床的制动过程有以下两个阶段。第一阶段:轧件在制动裙板上表面(E 面向下运行和向前滑行;第二阶段:轧件在制动裙板上表面(E 面与副冷床外侧壁(F 面之间向前滑行。如果成品轧机轧制速度大于临界速度,则轧件上冷床制动过程有以下四个阶段。第一阶段:轧件在制动裙板上表面(E 面向下运行和向前滑行;第二阶段:轧件在制动裙板上表面(E 面与副冷床外侧壁(F 面之间向前滑行;第三阶段:轧件在副冷床内侧壁(G 面向下运行,及向前滑行

13、;第四阶段:轧件在副冷床两内侧壁(G 面和H 面之间向前滑行。(2计算轧件在制动裙板上表面(E 面上的制动距离。图4轧件在制动裙板表面受力分析首先确定轧件在E 面向下运行的时间。轧件在E 面向下运动时的受力分析见图4。轧件在E 面下向运动的加速度a 由滚动加速度a 1和滑动加速度a 2两部分组成。a =a 1+a 2(4若轧件为非圆折面,则a 1=0根据动量矩定理J z =M e (F e 式中J z 轧件对中心轴的转动惯量,J z =0.5m R 2;轧件滚动角加速度,=a 1/R;M e (F e 外力对轧件中心轴力矩,M e (F e =m gf cosR;f 轧件与E 面磨擦系数;g

14、重力加速度;E 面与水平面的夹角。则:轧件向下运行滚动加速度a 1=2fg cos(5因m g sin-m gf cos =m a 2故a 2=g (sin-f cos (6由(5、(6式代入(4式得:第6期郑建华:现代化小型冷床上料装置结构设计分析及计算21a=g(f cos+sin(7因此,轧件在E面向下运行的时间t1=2S/a即:t1=2S/g(f cos+sin(8式中m轧件质量;S轧件在E面向下的运行距离(可近似为上钢装置上表面宽度。轧件在E面制动减速度计算如下:由于m a1=m gf cos故:a1=gf cos(9式中a1轧件在制动裙板上表面制动减速度;m g轧件重力;f磨擦系数

15、。轧件在E面的制动距离S1计算如下:S1=V0t1-12a1t21(10将(8、(9式代入(10式,得:S1=V02S/g(f cos+sin-fScos/(f cos+sin(11式中S1轧件在制动裙板上的表面制动距离;S轧件在制动裙板上的表面向下运行距离;V0轧件向前运行(轧制方向初速度;g重力加速度;f磨擦系数;制动裙板上表面与水平面夹角。(3确定轧件在E面与副冷床外侧壁(F面之间的制动距离确定轧件在E面与F面之间向前滑行的初速度将(8、(9式代入V1=V0+a1t1,得出V1=V0-gf cos2S/g(f cos+sin(12式中V1轧件在E面与F面之间向前滑行的初速度;V0轧件向前

16、运行初速度;g重力加速度;f磨擦系数;S上钢装置上表面宽;上表面与水平面夹角。确定轧件制动减速度轧件在E面与F面之间的受力分析见图5。由图5可知,垂直、水平方向的力平衡条件为:P1 cos+P2cos=m g(13图5轧件在上钢装置与副冷床外侧壁之间的表面受力分析P1sin=P2sin(14由(P1+P2f=m a2,代入(13、(14式得: a2=gf(1+sinsin/(cos+sinctg(15式中P1E面对轧件的作用力;P2F面对轧件的作用力;E面与水平面夹角;F面与水平面夹角;m轧件质量;g重力加速度;a2轧件在制动裙板上表面与副冷床外侧壁之间的制动减速度。确定轧件在E面与F面之间制

17、动距离轧件在E面与F面之间制动距离S2=V1t2-12a2t22,将(12、(15式代入得: S2=V0+gf cosg(f cos+sint2-12gf(1+sinsin/(cos+cosctgt22(16式中V轧件向前运行初速度;t2轧件在E面与F面之间向前滑行的时间(该时间与制动裙板技术特性有关。(4计算轧件在副冷床内侧壁(G面以及轧件在副冷床两内侧壁(G面与H面之间的制动距离。同理轧件在副冷床侧壁(G面以及其在副冷床两内侧壁(G面与H面之间的制动距离S3和S4分别按照上述S1、S2的计算方法可得:S3=V0-cos2S/g(f cos+sin-gft2(1+sinsin/(cos+si

18、nctg2S(f cos+sin-fScos/(f cos+sin.(17 S4=(cos+sintgV-gf cos2S/g(f cos+sin-gft2(1+sinsin/(cos+sinctg-22冶金丛刊总第166期gf cos2S/g(f cos+sin2/2gf(1+sinsin (18式中V轧件向前运行的初速度;E面与水平面夹角;F面与水平面夹角;G面与水平面夹角;H面与水平面夹角;SE面宽度;SG面宽度;t2轧件在E面与F面之间向前滑行的时间;g重力加速度;f磨擦系数。(5确定轧件上冷床的制动距离轧件上冷床的制动距离S为上述4个阶段制动距离之和,即S=S1+S2+S3+S4,将

19、(11、(16、(17和(18式代入并进行整理可得:S=K1V20+K2V0+K3(19式中K1、K2、K3与制动裙板及副冷床结构型式、材质、技术参数等有关的常数;V0轧件向前运行初速度。由(19式可以看出,轧件上冷床的制动距离S 与轧件向前运行(轧制方向的初速度V呈二次函数曲线关系。21213气动分钢装置气动分钢装置安置在活动段裙板的入口处,其作用是当前一根定尺棒材的尾部正下滑和制动时,由气缸将可动拨钢器抬起,防止下一根钢材头部进入裙板。在拔钢器抬起的同时,活动裙板升主中位,后一根钢材沿裙板侧面制动运行,拔钢器的运动与活动裙板的运动和下一根钢的头部位置同步。在棒材运行速度低于10m/s时,不采用气动分钢装置。气动分钢装置包括气缸操纵摆杆机构和插销固定机构。它的安装位置是根据轧制产品规格品种的不同,需要制动的时间或距离来决定的,可在冷床输入辊道上由人工任意放置调整,操作非常灵活方便。21214矫直板矫直板位于冷床入口侧,由制动裙板拔入的轧制棒材首先落到矫直板上,使棒材保持最大平直度。矫直板每块长1.15m,宽250mm,上有10个齿形,块与块之间只留出动齿条移动间隙