基于换辊小车推拉车脱钩的原因分析及结构改进研究

李志星

摘 要：针对换辊小车推拉车挂钩在更换轧辊时产生的脱钩现象，阐明了引起脱钩的原因，据此对挂钩结构作出相应的改进。利用SolidWorks软件建立推拉车的三维模型，通过与ANSYS软件的接口，将模型调入ANSYS中，对挂钩进行有限元分析，得出挂钩在工作时的变形及应力分布，结果表明此结构的挂钩容易脱钩。最后对换辊小车的推拉车挂钩进行了改进。

关键词：换辊小车；推拉车；脱钩原因；有限元分析

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）03-0010-02

冷连轧六辊轧机轧制速度高，轧辊在运行一段时间后要及时更换，以保证薄板的质量要求，现代化的钢厂采用换辊小车更换轧辊，大大缩短了换辊时间。某厂冷连轧六辊轧机换辊小车，由于长时间使用，换辊时换辊小车挂钩与轧辊部件出现脱钩现象，严重影响生产的正常进行。通过对换辊小车挂钩进行有限元分析，找出了脱钩的原因，并改进挂钩的结构。

1 推拉车的工作原理及脱钩原因分析

1.1 推拉车结构及工作原理

推拉车是换辊小车的非常重要机构之一，推拉车的工作状况好坏直接影响换辊小车的正常运行同时影响生产效率。当换辊小车更换轧辊时，通过齿轮的传动使换辊小车推拉车行至轧机最前端，由于曲柄受电机驱动将挂钩顶起，另外连杆机构向下将挂钩抬起，且电机通过驱动上下工作轧辊的挂钩使其落下，将轧辊轴颈挂住，从而实现轧辊在轧机内的往复运动。

1.2 造成脱钩的原因

换辊小车推拉车在运转过程中，由于设计原因或者长时间损耗容易造成脱钩，将会增大更换轧辊时间，根据现场实际状况分析，挂钩存在以下几个问题：

①由于换辊小车在运行过程中的运转偏差等原因，从而使得轴颈与挂钩不能对中，即使对中也无法有力使其啮合；②由于电机使用同一电机驱动，存在力度不均状况，容易产生一端挂钩力较大，另一端挂钩力较小的状况，因此，当更换轧辊时容易产生挂钩脱钩的现象；③由于驱动挂钩的电机功率较小，从而使挂钩无法大幅度张开，使轧辊轴颈与挂钩产生碰撞力，使曲柄与连杆机构在碰撞力的作用下产生损坏；④由于轧辊轴颈与挂钩之间的撞击，使得连杆机构、电机与曲柄系统之间的运动副间隙较大，从而使得运动副之间的传力效果较差，影响换辊小车的顺利运行；⑤由于采用电机驱动，存在夹紧力不足的状况。

由于以上几种原因的同时存在作用，使换辊小车在运行过程中产生推拉车挂钩脱钩的现象，使维修成本增加，生产效率降低，影响了企业的正常生产运行。

2 推拉车挂钩的静力分析

由于推拉车在工作过程中，轧辊对推拉车的作用力施加在挂钩上，其余所受的力可忽略不计，因此只需要用SolidWorks对挂钩以及与其相连接的挂钩架进行建模，然后保存IGS格式，通过ANSYS Workbench打开文件。设置材料为Q345钢，弹性模量为2.06e11，泊松比为0.3，设置模型网格边界为10，划分后单元总数为35 876个，节点总数为50 835个，对车架A面进行全自由度约束，挂钩与挂钩架采用铰链连接。

已知工作辊质量为3 500 kg，中间辊质量为5 000 kg，根据驱动电机图纸所提供的数据，在不考虑摩擦情况下，在推拉车启动的瞬间加速度为9.7 m/s2，在此取加速度值为10 m/s2，从而由：

F=ma

得出：FC=50 kN，FF=50 kN，FD=35 kN，FE=35 kN。

利用ANSYS Workbench分析得出挂钩的等效变形云图如图1所示，等效应力云图如图2所示。

通过分析可知，在挂钩受到拉力的时候，由图1得出平均最大位移是0.35248 mm，由图2得出最大应力是45.632 MPa，最大位移和最大应力均产生于挂钩的顶端处。在拉出轧辊部件的过程中，挂钩顶端向上张开，与轧辊部件的接触面积减少，从而使挂钩更容易脱落，这与实际情况相符。为了改善以上状况，使换辊车能够正常工作，现将挂钩改进，以使其结构更加优化。

3 推拉车的改进设计

推拉车结构复杂，要求精度高，对换辊小车推拉车进行改进时，首先要满足工作要求，提高工作效率，在此前提下提高推拉车的质量，减少维修次数，并根据故障原因分析，提出改进方案。

为了改善电机驱动挂钩对轴颈的夹紧力不够大的问题，将电机驱动改为液压驱动，如图3所示，同时由于推拉车的拉紧力大，用两个挂钩代替一个挂钩共同承受拉力作用，并设计缓冲块，当推拉车瞬间力过大时，防止轧辊将推拉车车架撞坏。改进后的挂钩图如图4所示。

换辊小车推拉车通过改进将挂钩分成上下两部分，通过上下挂钩的同时作用，夹紧力有效提高，为了增加驱动连杆机构的刚度和强度，将电机驱动改为液压驱动，其中液压缸固定于换辊小车推拉车车架上，驱动液压缸使夹紧力有效增加，防止了推拉车的脱钩现象，另外，由于电机更换为液压缸，可通过调节液压缸的形成来调节挂钩的张合，避免挂钩与轧辊的碰撞，防止挂钩的磨损，同时在挂钩中间增加了防碰撞系统，当轧辊的轴颈与推拉车发生碰撞时，可有效保护轧辊不受损害。

4 结 语

改进后的模型最大变形和最大应力均大大减小。由于将电机驱动改为液压驱动，挂钩张口角度增大，防止了轧辊对挂钩的撞击，在闭合时，对轧辊部件的夹紧力大，有效防止了运行过程中的脱钩现象，并且改善了挂钩的受力状况。在实际生产应用中降低了维修成本，节省换辊时间。采用三维建模后的有限元分析，为推拉小车的设计、制造、检修维护提供了科学的理论依据。

参考文献：

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