熱軋帶鋼地下卷取機卷筒空心軸承載能力的分析

熱軋帶鋼地下卷取機卷筒空心軸承載能力的分析

1地下卷取機主傳動系統(tǒng)承載能力分析地下滾機是生產(chǎn)熱帶鋼的重要設(shè)備。其卷繞能力直接影響到熱帶鋼的品種規(guī)格。而在生產(chǎn)過程中,沖擊載荷對卷筒主傳動系統(tǒng)的影響是不可忽略的,因此對卷取機卷取能力的分析中,卷筒主傳動系統(tǒng)的承載能力尤為重要。筆者通過對某熱軋帶鋼廠的地下卷取機的力能參數(shù)進行兩次現(xiàn)場檢測試驗,對其主傳動系統(tǒng)的承載能力進行了分析,重點介紹了整個系統(tǒng)中受力較為復(fù)雜的卷筒空心軸承載能力的建模與分析。該分析為地下卷取機卷取能力的評估提供了依據(jù)。某廠依據(jù)該評估結(jié)果,對卷筒主傳動系統(tǒng)進行了改造,使得該廠解決了生產(chǎn)國家“西氣東輸”工程急需的X70管線鋼卷取能力不足的瓶頸問題。2計算和分析空心朱軸的承載能力2.1卷筒空心軸載荷卷筒主傳動系統(tǒng)組成如圖1所示。圖2是卷取機布置簡圖。由圖2可見,卷筒受到帶鋼張力、助卷輥壓力、自重及鋼卷重量作用。這些載荷都由卷筒空心軸承受。以上載荷在卷筒空心軸上轉(zhuǎn)化為扭矩T和徑向載荷。由圖3的力學(xué)模型可得卷筒空心軸的徑向載荷計算公式為式中:P1,P2——1#,2#助卷輥的壓力;Q——帶鋼張力;G卷筒重,G帶卷——卷筒自重及鋼卷重量;α——張力與水平方向夾角,卷入時(卷徑為760mm)α=35.5°,卷尾時(卷徑為1900mm)α=22.4°。徑向合力為合力F合與水平向左方向的夾角為徑向力以均布載荷的形式作用在卷筒空心軸上,其均布載荷為式中:c——帶鋼寬度,c=1535mm。帶剛卷入瞬間、卷取即將結(jié)束及卷取剛結(jié)束三個階段卷筒的負(fù)荷最大,其空心軸的受載也最大。2.1.1#助卷輥對卷筒的最大沖擊壓力和帶鋼張力的確定卷入瞬間,卷筒受到強大的沖擊扭矩。根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),生產(chǎn)X70管線鋼時,卷筒及其空心軸承受的最大沖擊扭矩為其徑向受載最惡劣的情況是1#,2#助卷輥壓上(3#助卷輥尚未壓上)時,此時徑向受力如圖3(b)所示。由助卷輥驅(qū)動油缸的缸徑、桿徑及支臂杠桿尺寸可得1#助卷輥對卷筒的最大沖擊壓力為式中:PH1——助卷輥驅(qū)動油缸無桿腔油壓峰值(剛卷入時),根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),其值為20.57MPa;PR1——助卷輥驅(qū)動油缸有桿腔油壓對應(yīng)于PH1峰值的值,根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),其值為4.83MPa。按同樣的方法,可得2#助卷輥對卷筒的最大沖擊壓力為P2max=1.362(25.447PH2-17.593PR2)(8)式中:PH2——助卷輥驅(qū)動油缸無桿腔油壓峰值(剛卷入時),取PH2=22.83MPa;PR2——助卷輥驅(qū)動油缸有桿腔油壓對應(yīng)于PH2峰值的值,PR2=4.83MPa。帶鋼張力為式中:σ0——帶材單位張力,由試驗數(shù)據(jù)得σ0=0.2kg/mm2=1.96N/mm2;h——帶材厚度,h=14.7mm;c——帶材寬度,c=1535mm。計算,得Q=44.23kN2.1.2卷輥壓力作用卷取即將結(jié)束時卷筒所受的最大沖擊扭矩實測值為T主max=106.03kN·mm,徑向受力如圖3(c)所示。此時帶鋼尾部已離開最后一架精軋機F7,其張力由夾送輥建立,由夾送輥建立的張力小于剛卷入時由F7軋機建立的張力,這種情況下帶材張力Q只有卷入時的1/2。由于鋼卷直徑已由最初的Φ760增大為Φ1900,故張力Q與水平線的夾角變?yōu)棣?22.4°。此時助卷輥尚未壓上,故無助卷輥壓力作用,P1=P2=0。鋼卷重已接近最大重量,取G帶卷=30000kg。2.1.3助卷輥徑向受力卷取剛結(jié)束時,帶尾已脫離夾送輥,帶鋼中已無張力存在,但卷筒仍在轉(zhuǎn)動,且1#助卷輥已壓上,帶尾對1#助卷輥進行強烈拍打。其徑向受力簡圖如圖3(d)所示。此時助卷輥驅(qū)動油缸無桿腔的油壓PH1沖擊峰值及其對應(yīng)的PR1分別為37.37MPa和6.08MPa。此時卷筒及其空心軸承受的最大扭矩為T主max=92.08kN·mm。2.1.4徑向合力及橫向均布載荷按式(1)、式(2)算出x,y方向的徑向力Fx,Fy;按式(3)算出徑向合力F合,按式(4)算出卷筒空心軸上的徑向均布載荷q。將各階段的載荷列入表1中。2.2簡化的支梁根據(jù)卷筒的受力狀況及圖紙上的尺寸,將其簡化為圖4所示的簡支梁。根據(jù)卷筒所受的彎矩及扭矩圖可知卷筒的危險點為圖3中A點及B點(B點為最大彎矩處)。2.3從應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為126次時植物葉片應(yīng)力由圖4模型算出危險截面A,B的等效應(yīng)力列于表2中。卷筒空心軸材質(zhì)為SNCM439-QT(日本鋼號),相當(dāng)于國產(chǎn)40CrNiMoA,當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為105次時(按生產(chǎn)300萬tX70(14.7mm×1535mm)管線鋼計),其疲勞許用應(yīng)力為[σ]=127MPa,表2的計算結(jié)果與許用應(yīng)力127MPa對比可知,卷筒空心軸強度足夠,能夠承受最大沖擊扭矩392.69kN·m及由1#助卷輥驅(qū)動油缸無桿腔油壓PH1達37.37MPa引起的載荷。3其他附加分析其他各部分按強度分析法分別進行分析。3.1卷取機電流運行卷筒主電機是雙電樞直流電動機,功率N=2×370kW。額定電流1800A,允許過載電流3240A,過載電流下允許持續(xù)時間60s。實際工作時,兩臺卷取機輪流工作。為安全起見,按一臺卷取機單獨工作考慮,取每卷帶鋼的生產(chǎn)周期為110s計算。根據(jù)實測數(shù)據(jù),卷取X70管線鋼時卷筒主電機等效電流為1696A,該值小于主電機的額定電流1800A。主電機最大電流為3095.57A,持續(xù)時間7s;穩(wěn)態(tài)電流2420A左右,持續(xù)時間23s左右,過載電流小于允許值3240A,過載持續(xù)時間小于允許值60s。說明卷筒主電機能力足夠。3.2循環(huán)鋼芯壓測數(shù)據(jù)每卷帶鋼重約30t,按生產(chǎn)300萬tX70管線鋼計算,主傳動系統(tǒng)受到105次沖擊扭矩峰值作用。由實測數(shù)據(jù)知,卷取X70管線鋼時,減速機輸入軸的最大沖擊扭矩為193.92kN·m,穩(wěn)態(tài)扭矩為24.42kN·m,減速機速比為2.025。減速機齒輪副、低速空心軸能承受193.92kN·m的輸入沖擊扭矩,減速機高速軸只能承受140kN·m的輸入沖擊扭矩。減速機能長期承受的穩(wěn)態(tài)輸入扭矩為51.16kN·m。3.3傳輸軸根據(jù)制造廠家提供的Φ500鼓型齒輪聯(lián)軸器圖紙,該聯(lián)軸器長期承受的扭矩為51.16kN·m,能承受的最大扭矩為127.89kN·m。3.4齒輪副能承受沖擊扭矩情況由計算知,變速箱(速比為1∶1)能長期承受的穩(wěn)態(tài)扭矩為51.16kN·m。變速箱齒輪副能承受的沖擊扭矩為140kN·m扭矩。齒輪軸(輸入軸)能承受127.89kN·m扭矩。輸出軸只能承受105kN·m的沖擊扭矩,若將輸出軸材質(zhì)由45鋼改為40CrNi,則可以承受140kN·m的沖擊扭矩。4降低沖擊扭矩峰值(1)除卷筒本體外,主傳動系統(tǒng)其余部件(減速機、傳動軸、變速箱)皆不能承受高達193.92kN·m的輸入沖擊扭矩峰值(折算到傳動軸上,下同),必須采取措施將帶鋼卷入時的沖擊扭矩峰值降低到125.8kN·m