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改造数控火焰切割机走行机构

2019-03-01 10:11   森昂机电

    改造数控火焰切割机走行机构
    引言
    攀钢方坯连铸机采用FGB系列数控火焰切割机,是整个连铸工艺流程中十分重要的主体设备,用于把矫直的铸坯切割成所需的定尺长度。数控火焰切割机能在高温连续生产的条件下,快速准确完成各种规格方坯的切割。火焰切割机在定尺、行走机构方面存在不足,导致使用中频繁出现故障。统计结果显示,每月坯子表面割伤(5~10)支,铸坯定尺合格率≤80%,严重制约方坯连铸机稳定运行。通过跟踪统计,发现切割机走行机构故障是影响火焰切割机自动切割率低的主要因素。对火焰切割机走行机构进行改造后效果显著,铸坯合格率上升至98%。
    1原因分析
    火焰切割机车体走行系统包括“电机→减速机→离合器→联轴器→车轮”各分部结构,走行机构结构见图1。
    电机采用YS-71240.37KWAC380VB5型电机,不带电闸,靠离合器分离制动。减速器为一级蜗轮减速器,选用国家标准型号SCWO80传动比i=40。电磁离合器选用单片离合器,通过电磁离合器的吸合来实现行走轮运行和停止。经过研究分析,离合器(图2)失效,造成走行机构不能实现与铸坯同步运行,分析铸坯切斜、割伤,离合器失效的原因有3个方面。
    (1)离合器长期处于高温、高粉尘区域,电磁线圈易退磁。
    (2)电磁线圈与电磁盘之间的间隙d太小(d=1mm),生产过程中,氧化铁粉尘进入该间隙处,也引起电磁线圈旋转,使接线脱落致使离合器失效。
    (3)电磁盘与摩擦片间在电磁线圈失电时存在间隙,氧化铁粉尘易被吸入,导致离合器摩擦片之间摩擦力显著降低,离合器在接合与分离时,摩擦盘间产生相对滑动,从动轴转速总是小于主动轴转速,车体走斜。
    2改造方案
    为有效解决切割机走行机构故障,取消原有机构中的电磁离合器,采用蜗轮、蜗杆减速机集中驱动方式,1台减速机同时输出,2个车轮中间用浮动轴连接。为减小设计、改造和安装的工作量,新改造走行机构符合原安装方式和结构尺寸。在满足现有生产规模和工艺条件下,提高设备使用寿命,减少维护、检修工作量。
    2.1车轮强度计算
    根据设计图纸,小车自重为GXC=15kN,工作时的冷却水、气等介质重量Q=3kN,同步机构位于小车轨道的纵向对称轴线上,可以近似认为由4个车轮平均承受。车轮处的最大轮压Pmax可由式(1)计算出,车轮处的最小轮压Pmin可由式(2)算出,载荷率Q/GXC由式(3)算出。
    Pmax=(Q+GXC)/4={(15+3)×103}/4=4.5×103N(1)
    Pmin=GXC/4=(15×103)/4=3.75×103N(2)
    Q/GXC=3/15=0.2<1.6(3)
    由起重机设计手册[1]表3-8-12对车轮进行选择,选取运行速度<30m/min,Q/GXC≤1,选取工作类型为轻型级别。为降低成本,利用原设备旧车轮,车轮直径D=160mm,轨道选30mm×30mm的方形钢轨,而后校核强度。车轮计算载荷Pj见式(4)。
    Pj=(2Pmax+Pmin)/3={(2×4.5+3.75)/3}×103=4.25×103N(4)
    车轮踏面疲劳接触压应力Pc可用式(5)计算。计算时车轮与轨道为线接触,可将轨道的曲率半径视为∞,车轮半径r=D/2。
    车轮踏面疲劳接触压应力Pc≤K1DlC1C2(5)
    式中K1——许用线接触应力常数,N/mm2;车轮材料为球墨铸铁则取σb≥500N/mm2,查起重机设计手册[1]表3-8-6,K1=3.8L——轨道与车轮有效接触长度,查起重机设计手册[1]表3-8-10,L=B=37mm
    C1——转速系数,查起重机设计手册[1]表3-8-7,C1=1.13
    C2——工作级别系数,起重机设计手册[1]表3-8-8,C2=0.8
    车轮踏面许用疲劳接触压应力用式(6)计算。
    [Pc]=K1DlC1C2=3.8×160×37×0.97×1=21.82×103N(6)
    比较Pc与[Pc],得出Pc<[Pc],符合要求。
    2.2电机选型
    (1)摩擦总阻力矩Mm的计算,见式(7)。
    Mm=(Q+GXC)(k+(μd)/2)(7)
    式中β——车轮轮缘与轨道摩擦、轨道弯曲与平行性、轨道直线度以及运转时车轮的摆动等因素有关的系数,查机械设计手册[3]表7-3,β=2
    GXC——切割机小车重量
    Q——冷却水、气等介质重量
    k——滚动摩擦因数,它与车轮和轨道的材料性质、几何尺寸及接触表面情况有关,查机械设计手册[3]表7-1,k=0.0005
    μ——车轮轴承摩擦因数,查起重机设计手册[1]表7-2,μ=0.02
    d——轴承内径,d=40mm,轴承型号30208
    将以上数据带入式(7)得满载时的运行阻力矩Mm=82.8N·m;相应的运行摩擦阻力Pm可由式(8)算出。
    Pm=Mm(/D/2)=82.8/(0.16/2)=1.035kN(8)
    式中D——车轮直径,mm
    (2)电机的静功率Nj可由式(9)计算。
    Nj=PjVXC/60ηm=(1035×15)(/60×0.9×1)=0.29kW(9)
    式中Pj——小车满载运行时的静阻力
    VXC——小车运行速度,VXC=42.4m/min
    η——走行机构传动效率,取η=0.9
    m——驱动电机台数,m=1
    初选电机功率N,可参考式(10)。
    N≥KdNj=1.15×0.29=0.33kW(10)
    式中Kd——电机功率增大系数,查机械设计手册[3]得Kd=1.15
    查机械设计手册[3],选用电机型号YSJ7134/0.55kW/380V/IP55/B5,功率0.55kW,电机转速n1=1400r/min。
    2.3减速机选型
    车轮转速nc用式(11)计算,机构传动比i0计算见式(12)。
    nc=VXC/πD=15/(3.14×0.16)=29.86r/min(11)
    i0=n1/nc=1400/293.86=46.89(12)
    式中n1——电机转速,r/min查机械设计手册[3],可选用YK100-37-0.37B减速器,传动比i=38。
    车轮实际运行速度VXC'用式(13)计算。
    VXC'=VXCi0/i0'=15×38/46.89=12.2r/min(13)
    误差ε用式(14)计算。
    ε=(VXC'-VXC)/VXC=(15-12.2)/12.2=22.95%(14)
    运行速度误差符合要求。
    实际所需电机静功率Nj'用式(15)计算。
    Nj'=NjVXC'/VXC=0.55×12.2/15=0.48kW<Ne(15)
    式中Ne——电机额定功率,kW所选电机和减速器均合适。
    2.4传动轴设计
    取消电磁离合器后,原传动轴已经不能满足使用要求,需重新进行设计,材料还是选用45#钢。根据轴的设计计算轴的直径,见式(16)。
    式中d——轴的直径,mm
    N——轴的转速,取车轮转速29.86r/min
    P——轴传递的功率,取电机功率0.55kW
    τp——轴的许用扭应力,查得τp在(30~40)MPa,取τp=35MPa
    γ——空心轴的外径与孔径之比,实心轴为0
    为节省成本,在车轮设计过程中车轮未改动,因此传动轴直径与原设计相同,d=40mm。
    3结束语
    通过对切割机走行机构的改造,火焰切割机各系统得到优化,切割机故障率大大降低,铸坯定尺合格率达到98%以上,每月铸坯表面割伤数量<5支,铸坯切割质量及自动切割率提高,基本实现连铸机的稳定运行。

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