棒线步进式冷床的运动分析及局部优化设计

李永峰

（山钢股份莱芜分公司棒材厂，山东莱芜271200）

试验研究

棒线步进式冷床的运动分析及局部优化设计

李永峰

（山钢股份莱芜分公司棒材厂，山东莱芜271200）

棒线步进式冷床结构复杂，其动静齿条的齿形及床面齐头辊道的设计直接影响到轧件的成型质量。对步进式冷床进行了主轴偏心轮、动齿条框架的合成运动分析，采取了床面齐头辊道模块化悬挂、短静齿条优化设计，降低了装配累积误差量，提高了轧件成型质量。

步进冷床；运动分析；偏心轮；动齿条

1　前言

步进式冷床是棒线生产工艺流程中不可或缺的重要设备，主要作用是承载着高温轧件横向移动，并在移动过程中逐渐由900℃的热态高温均匀冷却至220℃以下，并同时对轧件冷却、矫直成型，使轧件不会产生弯曲、扭转及表面擦伤的问题。

由于床面倍尺轧件较长，因此对冷床的同步性要求较高，床面动齿条、静齿条及矫直板在任意位置的平面度误差要求控制在5 mm之内，其直线度误差必须满足用长5 m的检验校棒在床面任意位置检测时，不允许有2个以上不接触的齿面存在［1］。由于步进式冷床的要求安装精度高，技术难度大，对施工过程中的的累积误差要求严格，因此，在冷床本体设备装配前必须对床面动齿条框架进行系统的轨迹运动分析，并对装配过程中可能存在的累积误差对轧件直线度及外观质量所造成的影响做出预判，并在确保其装配精度的基础上对部分关键结构进行局部优化，降低装配累积误差量，提高施工效率。

2　床面结构

步进式冷床本体全部由钢结构件组合成，动齿框架中的单/双托辊机构带动动齿条做步进运动。轧件在动齿条的托动下被举升、前进、下降、后退，完成1个完整的步距，并滑落入矫直板的下一个齿槽中。经多次的步进循环后，轧件被托入床面齐头辊道的齿槽中，并在齐头辊道的驱动下逐步纵向移动至床面固定挡板处，纵向齐头，方便后续输送辊道上的冷剪机进行成品定尺剪切。

棒线步进式冷床主要由动齿条组和静齿条组组合而成，床面钢结构本体主要包括动齿纵梁、动齿横梁、静齿横梁、齿条支座和动/静齿条等5大部分。静齿条组装配在固定的支座纵梁上，起着在动齿条组运动到极限低位时承载轧件的任务（动静齿的齿形均采用非对称结构设计方案，由锯齿边和直齿边两种不同的线段切割组合而成，轧件的下半部分与齿槽全面接触，并在移动过程中矫直和缓慢冷却），床面动齿条组随着偏心轮的旋转而同步循环升降步进，将床面矫直板及静齿条组齿槽中的成品倍尺材步进横向平移，并同时缓慢冷却轧件，使其内部晶相组织结构发生变化，提高钢材的综合力学和机械性能，提高钢材的平直度和外观质量。

主偏心轮的旋转是由床下主传动直流电机直接驱动平面二次包络的蜗轮副减速机而实现的，在主偏心轮传动轴上设计有若干组的平衡锤，以平衡床面动齿条框架组的重量，降低电机的启动转矩。

3　合成运动分析

3.1主轴偏心轮的合成运动分析

通过完整运动周期中8个特殊位置点的运动分解可知，主轴偏心轮在做360°的径向圆周运动过程中，床面主传动偏心轮在1个步进循环周期内绕固定点完成1个半径为1个偏心距的顺时针圆周轨迹运动，并同时驱动动齿条齿槽中的轧件完成举升、前进、下降、后退共4个动作，横向跨越1个静齿齿距的位移，滑落入相邻的另一床面静齿条的齿槽中，从而形成1个完整的步距循环，完成轧件在床面的输送。

由偏心轮的合成运动分析可知，动齿条步进的整个运动过程大体可分为2个阶段，在90～270°的过程是动齿条直接参与托钢动作，做出有用功的关键步骤，其中90°与270°是2个非常特殊的位置点，这2点之间的垂直高程差为0，但水平间距正好为2个偏心距（即1个齿距），分别是托钢动作的起点与终点位置。当偏心轮旋转至270°与90°之间时，动齿条框架处于回落阶段，并完全脱离开轧件，不再参与托钢动作，只是为下一个步进周期做动作储备，是两个步进循环周期之间所必须的辅助运动过程。主轴偏心轮运动分解见图1。

图1　主轴偏心轮运动分解

3.2动齿条框架的合成运动分析

动齿条框架做为该步进运动的核心部件，在其下底面的动齿横梁上装配有单/双托辊机构，通过其踏面与主传动轴偏心轮轮缘面面接触的滚动摩擦配合，构成一组完整运动链的低副机构［2］，并依靠动齿纵、横梁高程的设计将主传动偏心轮轮缘几何中心垂线的切点（即托辊的踏面）的偏心量传递至床面动齿条支座上，从而驱动动齿条组件做出同步的步进循环运动，托动轧件在床面静齿上横向位移。

床面动齿条的实际合成运动轨迹是以矫直槽（即床面静齿）相邻2齿根连线的中心为圆心，以偏心距为半径的圆周，在1个步进周期中按照位置点8、点2、点4、点6的顺序做顺时针转动。矫直板、静齿条、动齿条这三者的齿距是完全相同，正好是主传动偏心轮偏心距的2倍。主轴偏心轮合成运动分析如图2所示。

图2　主轴偏心轮合成运动分析

通过完整的过程运动分析可知，在实际现场施工过程中，床面矫直板及静齿条组的标高要尽量控制在同一高程上，以使轧件由矫直板平稳的过渡到床面静齿上。当两者的累积高程差较大时，只要其最高点的齿顶线不妨碍动齿框架的步进举升就可以满足现场的工艺要求。但对动齿框架的安装标高必须要严格控制，以确保系统在最低点（位置8）时动齿的齿顶线低于矫直板（床面静齿）的齿根线，而在最高点时（位置4）动齿的齿根线要高于矫直板（床面静齿）的齿顶线，其标高累计误差必须严格控制在±10 mm之内，以防止出现刮蹭轧件的工艺故障，确保步进举升动作的顺利完成。

在齿形设计上，必须要严格确保床面动静齿条及矫直板这三者的齿形及齿距完全一致，尤其是在设计齿顶线标高时必须要进行过程运动分析，防止出现步进举升的障碍。在齿距已确定的情况下，为更加合理地利用有限的偏心距，最好将齿形设计成锯齿状的结构，这样不但可以降低齿顶高，利于轧件的步进举升，而且还可增加齿槽的存储空间。动齿条合成运动分析见图3。

图3　动齿条合成运动分析

4　局部优化设计

4.1床面齐头辊道模块化悬挂设计

床面齐头滚道在步进式冷床中主要起到对冷却后的倍尺材纵向齐头，方便后续冷剪机定尺剪切的作用。由于其数量较多，布置分散，装配过程繁琐，在现场施工过程中往往要耗费大量的时间。

为了在确保其装配精度的基础上更加快速便捷的施工，对齐头辊道支架进行了局部优化设计，采用悬挂式模块设计方案，将所有的安装尺寸全部集中到支架上，通过在支架上设计出的定位凹槽结构将整个模块单元直接插入床面静齿纵梁H型钢的上翼缘上，并通过床面静齿纵梁定位、找正。这种结构设计不但提高了现场的装配效率而且便于确保其装配精度。

4.2床面短静齿条优化设计

步进式冷床的床面静齿条分为床面长静齿条及短静齿条2种结构，主要起到承载轧件及冷却矫直的作用。短静齿条做为长静齿条的辅助机构主要起到增加刚性支撑点，缩短纵向跨度，降低床面倍尺轧材径向挠度的作用。

常规设计下，短静齿条与长静齿条齿形结构及固定方式是完全相同的，床面轧件会同时与短静齿及长静齿的齿槽相接触，虽然这样有利于轧件的冷却矫直，但由于接触支撑点数量较多，工艺上对床面静齿的安装精度要求较高，一旦床面静齿出现应力变形或床面装配精度较差就会使轧件出现通条弯曲的问题，不利于轧件的冷却成型，不但会影响产品的外观质量，而且床面校正起来极其困难。

为了彻底解决上述问题，经多次试验论证后，将床面短静齿条由原来的锯齿状改为平面结构，不但不会减少床面轧件的刚性支撑点，增加挠曲变形，而且会降低由于床面静齿条错齿、变形而对轧件平直度造成的影响，即使床面短静齿条的横向装配精度较差，也不会对轧件的冷却成型产生影响。

5　结语

通过对棒线步进式冷床系统的运动分析，从中可以充分掌握其运动原理及设计者的设计思路，并对现场的施工过程中关键参数点的精度控制起到指导作用，便于及时修正施工过程中的累积误差，提高装配质量，并对部分有待改进之处进行局部的优化设计。

［1］卢颂峰.机械零件设计手册［M］.3版.北京：冶金工业出版社，1994.

［2］吴宗泽.机械设计［M］.北京：中央广播电视大学出版社，1997.

Abstrraacctt：The bar step type cooling bed structure is complex.The design of dynamic and static rack tooth profile and bed abreast roller directly affects the forming quality of workpiece.The resultant motion of spindle eccentric wheel with the rack frame in step type cooling bed were analyzed.The optimization design is taken for the bed surface abreast modular roller suspension and short static rack，the cumulative error assembly is reduced，the forming quality of workpiece is improved.

Key worrddss：step cooling bed；block motion analysis；eccentric wheel；rack

Local Motion Analysis and Optimization Design of Wire Rod Step Cooling Bed

LI Yongfeng
（The Bar Plant of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271200，China）

TG333.2

B

1004-4620（2016）03-0047-03

2015-11-05

李永峰，男，1976年生，2000年毕业于山东广播电视大学机械设计制造专业。现为山钢股份莱芜分公司棒材厂小型车间设备组组长，工程师，从事设备管理维护工作。