钢坯上料台架的分析与改造

曹丙起 曹玥（天津天铁冶金集团天铁轧二制钢有限公司，天津300400）

钢坯上料台架的分析与改造

曹丙起 曹玥（天津天铁冶金集团天铁轧二制钢有限公司，天津300400）

天铁轧二制钢有限公司引进意大利POMINI公司的棒材生产线，由于加热炉输送钢坯的上料台架设计不合理，在运行过程中频繁损坏，严重地影响了公司的正常生产。通过对上料台架存在问题进行了分析和论证，制定了平移液压缸位置、改进四连杆结构型式、降低升降液压缸载荷等改造方案并实施，保证了上料台架的平稳运行。

钢坯上料台架设备改造有限元分析

1 引言

天铁轧二制钢公司的棒材生产线为立体结构布置，二层是轧制平台，一层码放原料、成品、备件，原料经由电磁吊、上料台架进入加热炉，最终进入轧制区。生产线投产一年间，上料台架的托梁、拉杆、升降液压缸底座等处频繁出现开焊、断裂、高周疲劳等现象，平均每1~2周就会发生影响生产的设备故障，而且该设备机械结构体积庞大，空间布局狭窄，检修维护非常不便，为此需彻底解决这一问题。

2 分析与改造

2.1 平移液压缸安装位置改造

在原始设计中用于实现台架整体进退的平移液压缸安装于机架中部下方，因其位置特殊，点检工作很难进行，液压缸密封失效后产生泄漏不易发现，增加了设备维护成本，更换备品备件难度很大。见图1。

改造后平移液压缸的安装位置移动到机架外侧，保持其型号和安装形式不变。改造后的设备即使在运行中也能进行检查，而且可以随时更换损坏零件，节省了维修时间，消除了设备隐患，提高了台时利用率。见图2。

图1

2.2 开式四连杆结构与闭式四连杆结构

图3是改造前的上拖梁结构图，左侧圈选处为闭式铰接结构，该梁在使用过程中频繁出现连杆断裂、焊缝开裂等事故，见图4，经分析发现是以下三点原因所造成。

2.2.1 由于闭式四连杆机构的特性，无法抵消因安装误差和制造误差产生的应力集中，使上拖梁在频繁的升降过程中承受过高的载荷(相当于设备在装配后便产生了较大的预应力)。

2.2.2 上拖梁的升降过程受左右两侧液压缸控制见图1，理论上两个液压缸的动作周期应保持一致，行程应保证相反，但在实际的使用过程中，该理想状态很难达成，这是导致连杆断裂和焊缝开裂的主要成因。

2.2.3 上料台架上的钢坯是由电磁吊运输的，一些不规范的操作或天车故障导致电磁块吸附的钢坯直接掉落于拖梁上，瞬间产生的冲击载荷直接作用于托梁上平面，对于传动结构为闭式的四连杆机构，该载荷无法被卸载，最后作用于拉杆或液压缸的铰接处，导致受力处频繁开焊或断裂。

图3

图4

2.2.4 图5是改造后的上拖梁结构图，其钢结构形式基本形式保持不变，将左侧闭式铰接结构改为开式滑块结构，见图6。从其详图可见，销轴安装于一矩形滑块中央，滑块左右各有10 mm的滑动空间(实际滑动量远小于该值)，滑块由下方安装的压板固定，在上拖梁在升降过程，销轴会带动滑块按箭头方向往复运动，抵消由于挠曲变形、安装误差、制造误差、液压系统误差以及落物造成的大应力或冲击载荷。

图5

图6

2.2.5 在改造方案确定之前，技术人员已对该处结构特性进行了分析计算，并使用Pro/E的结构分析模块进行了有限元分析，分析过程不做赘述，仅叙述流程，并对结构分析在设备改造中的进行可行性进行研究。

（1）首先确定使用理想化梁模型模拟出上拖梁结构，其简化表示见图7。

（2）建立Beam截面，使用软件给定的标准梁截面并赋值(注意：软件中的H型钢并不符合GB标准，若对工字钢进行模拟，需要自行建立Beam截面)。

（3）设置材料，可先借用材料库中的STEEL，根据自己选定的材料参数稍做修改即可，设置结束后将材料应用在零件整体上。

（4）设置约束条件，改造前的左右两个铰接点约束全部六个自由度；改造后的左端释放一个平移自由度(其坐标轴视模型坐标系给定即可)，右端约束全部六个自由度。

（5）添加载荷，根据工况为P点设置一个垂直向下的载荷值。

（6）运行静力分析，对两种结构的有限元分析结果进行对比评估见图8。左上为旧结构应力图，左下为旧结构变形图；右上为新结构应力图，右下为新结构变形图。

2.2.6 通过图8对比发现，旧结构应力集中较明显(红色区域位于梁中部，面域很长)，结构变形较大；新结构载荷集中不明显，结构变形较小。从数值上对比，老结构的最大应力约为新结构的10倍，而最大挠度也在新结构的两倍以上，可见新结构基本满足预期的设计要求，可以按照该方案进行改造。

图7

图8

2.2.7 设备投产以后，上拖梁及其拉杆均未出现过开焊和断裂等情况。

2.3 滑动轴承的改进

图号2455-02576是材料为G-CUSN10PB10的铜套，在使用过程中，因无法加油润滑并且承受较高的应力集中，在短期内（通常为1~2周）便会严重磨损。图9是已废止的改造前的台架运动副，可以看到铜套磨损相当严重，特别是右侧铜套已完全磨透。由于设备空间布局限制，更换铜套十分困难，维修上料台架期间只能使用天车吊送料坯，给周边作业工人造成很大的安全隐患。

改造后，该处采用嘉善双飞的JDB系列无油润滑轴承，投产至今已近5年，从未更换过备件。去年大修中，技术人员对无油润滑轴承的磨损情况进行了测绘，其最大磨损不足0.03 mm，一般控制在0.01 mm~0.02 mm之间。

图9

2.4 升降液压缸的改造

2.4.1 原始设计中，升降平台液压缸设计不理想,见图1，液压缸负载等于上料台架所承受的钢坯重量和台架自身重量之和，使液压系统压力增大，造成系统元件寿命缩短。改造的目的是将液压系统载荷控制在之前的50%~70%，降低液压系统压力，保证设备长时间正常工作，从而做到顺利投达产。

2.4.2 在设计方案敲定之前，技术人员同样对新老两种结构进行了有限元分析和评估，图10是进行有限元分析前制定的流程图。

图10

从设备的复杂程度和功能上分析，对整体进行分析是没有必要的；从软件解算时间考虑，对整体进行分析势必会造成计算机资源浪费，也是不可行的。所以，找到能反映设备整体受载情况的“有限元关键结构”是分析的重点。图1和图2中的连杆，既有销钉固定结构，又连接着液压缸和上拖梁，通过它，我们可以分析出液压缸的实际受力情况，而无须对整体进行模拟，既可节省解算时间又能降低仿真难度。图11为理想化的零件示意，添加载荷、约束和材料特性参数的方法在2.2节内已经阐述过了，不再赘述。

图11

2.4.3 需要指出的是，该方案实施之初，Pro/E的版本还较低，通常使用Pro/MECHANICA 2001进行结构分析，Pro/MECHANICA 2001软件功能并不完善，而且没有整合在Pro/E的安装文件内，是作为独立软件或插件形式授权和使用的。软件版本发展到了野火5.0，Pro/MECHANICA不仅完成了和Pro/E的整合，其功能也在很大程度上得到了扩充和完善，比如在写论文时，我们就使用“销钉约束”对结构进行了重新分析，并就两次分析的结果进行了对比。该约束类型是野火5.0新增加的边界条件，它可以很方便地释放旋转自由度，而无须设置圆柱坐标系。通过云图（略）的分布情况和解算数值对比可以看出，原设计的载荷是现行设计载荷的2倍左右，可以验证改造思路是正确的，改造方案可行。

3 结论

3.1 在原设计基础上改进后的上料液压系统载力只是钢坯重量的二分之一，降低了液压系统压力；平移液压缸安装在横梁的末位端，易于维修；运动副处铜瓦改为无油润滑轴承，从安装至今未发生损坏；四连杆机构采用了开放式结构，消除了安装误差和制造误差所造成的应力集中。

3.2 在原设计基础上改进后的上料台架使用后节省了大量人力及备件，保证了长时间正常工作。节省了台时，提高了台时利用率，对生产上能够顺利投达产起到了重要作用。

（收稿2010－03－20责编崔建华）

[1]方建军，刘任良．机械动态仿真与工程分析一Pro/E Wildfire工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2004.

[2]孙江宏，黄小龙，高宏．Pro／E Wildfire／2001结构分析与运动仿真[M]．北京：中国铁道出版社，2004．

Analysis and modification of Billet Skid

Cao Bingqi,Cao Yue

Due to the unreasonable design of billet skid of reheat furnace,the bar mill of Second Rolling Mill,TIANTIE,imported from Italian POMINI Company,suffers frequent damage during running,which seriously affects the normal production.Through analysis and demonstration on the existing problems of billet skid,modification plans of horizontally moving hydraulic cylinder position,improving tie rod structure and reducing the load for lifting cylinder are formulated and executed.As a result,the stable running of the billet skid is ensured.

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曹丙起，工程师，1983年毕业于天津大学机电分校机械制造工艺与设备专业，现任天津轧二制钢有限公司副总经理，主管设备工作。