废品收集装置卷扬打滑问题研究

赵强

摘 要：废品收集装置是轧钢生产线上比较常见的设备，应用十分广泛，但在生产现场常出现传动系统中的卷扬打滑现象。针对这一现象对废品收集装置的传动系统进行了设计计算和分析，给出了解决卷扬打滑问题的方案和措施。

关键词：传动系统；卷扬机构；钢丝绳；料尾

中图分类号：F224 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.032

废品收集装置被广泛应用于轧钢生产线中，用以收集被废弃的带钢料头和料尾。它能否正常工作将影响整个轧线的生产节奏，甚至会影响钢厂的生产效率和产量。在废品收集装置的整个组成结构中，其传动系统性能是决定该装置能否正常工作的核心和关键。在生产实际中发现，废品收集装置的问题往往都出现在传动系统部分，所以，对其传动系统进行计算分析和对卷扬打滑问题进行研究是有实际意义和必要的。废品收集装置的工艺参数为：小车运行速度为0.2～0.3 m/s，料框最大容重为8 t。

1 装置组成与工作原理

废品收集装置主要由收集小车、轨道与传动系统组成，其中，传动系统又由卷扬机构、导轮装置、拖轮装置、钢丝绳连杆、张紧装置、钢丝绳与绳夹组成。安装时，将钢丝绳缠绕在卷扬机构、拖轮裝置、导轮装置上，并将其两端分别用钢丝绳连杆和绳夹固定到收集小车上，形成一个封闭的钢丝环，通过张紧装置的作用，使得所形成的钢丝环内部具有一定的初拉力；工作时，当收集小车在收集了足够的料头与料尾之后，由卷扬机构带动缠绕其上的钢丝绳运动，通过钢丝绳来传递运动和力，就可以移动固接在钢丝环上的收集小车，将收集小车与其收集的废品一起运出轧线，再由行车吊走。

2 设计计算与分析

在轧钢生产现场，废品收集装置出现的异常现象大部分都

发生在传动系统中，其中，最典型的就是卷扬打滑、钢丝绳被拉断的现象。以下针对这些现象对该装置的传动系统进行了设计分析。

2.1 传动系统初拉力与极限有效拉力

传动装置之所以能够带动废品收集小车往复运动，本质是因为钢绳与卷扬及导轮之间摩擦力的作用。当其他条件不变，且钢绳内部初拉力F0一定时，钢绳与卷扬及导轮之间的摩擦力有一极限值，即有效极限拉力。该极限值限制着整个传动系统的传动能力，它是影响传动系统打滑问题的最直接因素，所以，下面就对钢绳初拉力与极限有效拉力的关系进行分析。钢丝受力分析图如图1所示。

假设钢绳在卷扬的导轮上绕过时作匀速圆周运动，钢绳与导轮接触弧面间的摩擦系数f为常数，且忽略钢绳绕在导轮上时的弯曲阻力。如图1所示，钢丝绳紧边拉力F1与松边拉力F2的差值为传动系统的有效拉力Fe，α为钢绳在导轮上的包角，取一微段钢绳dl，其受力情况为：上、下端分别受拉力F+dF和F，导轮对钢绳的正压力为dFN、摩擦力为fdFN，离心力为dFc。按动静法可得微段钢绳在导轮径向和切向的力平衡方程：

略去二次微量 ，并取 ，dFC=qv2dα，联立式（1）（2）可得：

对式（3）在F2到F1和0到α1的界限内进行积分：

可得：

式（4）（5）中：q为每米钢丝绳的质量，kg/m；v为钢丝绳运行速度，m/s；e为自然对数的底数；f为钢丝绳与导轮之间的摩擦系数；α1为钢绳在导轮上的包角。

在工作前，钢丝绳各处均受一定的初拉力F0，而在工作时，如果认为钢绳的总长不变，且认为钢绳是弹性体，符合胡克定律，则钢绳紧边拉力的增加量等于松边拉的减少量，即：

将式（7）代入式（5）可得钢丝绳与导轮之间的极限摩擦力，即传动系统的极限有效拉力：

在废品收集装置工作时，由于钢丝绳速度很低，即可以忽略离心力的作用，式（8）可以优化成式（9）或式（10）：

从式（9）（10）中发现，影响废品收集装置传动系统极限拉力的因素有：钢丝绳与导轮之间的摩擦因子、钢丝绳在导轮上的包角以及在安装形成钢丝环后钢丝环内部的初拉力。

同时，在分析和计算时发现，传动系统的极限有效拉力Felim实际上是用来克服收集小车满载时收集小车车轮与钢轨之间产生的摩擦力，即：

式（11）中：f1为收集小车车轮与钢轨之间的摩擦系数；G为收集小车满载时的重力，N。

根据废品收集装置现场工艺数据，并结合公式（9）（10）（11）计算得到传动系统极限有效拉力Felim=6 860 N，初拉力F0=10 419 N。

2.2 传动系统钢丝绳直径计算

按GB/T 3811—1983标准规定，钢丝绳的计算公式为：

式（12）中：d为钢丝绳最小直径，mm；Fmax为钢丝绳最大静拉力，N，Fmax=F0+Felim；C为选择系数，mm/ 。

选择系数计算公式为：

式（13）中：n为安全系数；K为钢丝绳捻制折减系数；ω为钢丝绳充满系数；σb为钢丝的公诚抗拉强度。

通过查看机械设计手册，选取n=4.5，K=0.88，ω=0.46，σb=1 770 MPa。根据公式（9）（10）（11）和选取的参数计算得到钢丝绳直径为Φ13 mm。

3 结束语

通过设计计算与分析，发现在合理选取钢丝绳直径和型号后，可以采取以下措施防止废品收集装置传动系统打滑：①根据公式（8），依据给定的小车载荷正确计算钢丝环内部的初拉力F0，根据初拉力值调整好张紧装置；②调整托辊装置的位置，增大钢丝绳缠绕在卷扬机构及导轮装置上的包角α1；③在钢丝绳上涂抹增摩脂，增大钢绳与卷扬机构之间的摩擦系数；④传动系统工作一段时间后，钢丝绳会被拉长，需定期检查钢丝环内部的初拉力，及时调整张紧装置。根据实际生产现场的工作人员的反馈，在采取这些措施后，废品收集装置工作性能得到很大的提高和改善，卷扬打滑问题得到了抑制。

参考文献

[1]王为，汪建晓.机械设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕