連鑄坯去毛刺機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

連鑄坯去毛刺機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

2015年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量約8.03億噸。1去毛刺機(jī)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比分析為了實(shí)現(xiàn)連鑄坯毛刺的在線去除,一般在切割機(jī)后面安裝有去毛刺機(jī)。目前,國(guó)內(nèi)外連鑄坯去毛刺機(jī)主要分為鑄坯固定刀具刮除式去毛刺機(jī)、鑄坯移動(dòng)刀具刮除式去毛刺機(jī)和壓輥式去毛刺機(jī)。這三種去毛刺機(jī)的工作原理均是利用氣缸將刀具上升到與鑄坯底面緊密貼合,然后利用橫移機(jī)構(gòu)使刀具和鑄坯之間發(fā)生橫向移動(dòng),通過(guò)刀具與鑄坯之間的水平切削力來(lái)去除鑄坯底部毛刺。但由于不同去毛刺機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性,其各自優(yōu)缺點(diǎn)也不同(如表1)。從表1中可以看出,目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有不同結(jié)構(gòu)形式的去毛刺機(jī)均有各自的優(yōu)勢(shì)與不足,而且國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)鑄坯毛刺去除率普遍不高,其中以寶鋼和鞍鋼為代表的先進(jìn)鋼鐵企業(yè)也未實(shí)現(xiàn)毛刺的完全去除,因此如何解決鑄坯毛刺去不凈的問(wèn)題一直是行業(yè)性技術(shù)難題。2旋轉(zhuǎn)打擊式去毛刺機(jī)總體設(shè)計(jì)思路由于現(xiàn)有去毛刺機(jī)均采用較低速度下刀具與鑄坯的相對(duì)切削力對(duì)毛刺進(jìn)行去除,而刀具位于鑄坯下方,這樣去除毛刺散落在刀具上進(jìn)而造成刀具卡阻的現(xiàn)象無(wú)法避免,為此必須對(duì)去毛刺方式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)?？紤]到鑄坯毛刺化學(xué)成分、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和幾何形狀并不穩(wěn)定,采用物體高速運(yùn)動(dòng)下的碰撞動(dòng)能對(duì)毛刺進(jìn)行去除應(yīng)該可行?；谶@一設(shè)計(jì)思想,開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)打擊式去毛刺新方法,其工作原理如下(如圖1)。旋轉(zhuǎn)軸需要高速旋轉(zhuǎn),為了降低旋轉(zhuǎn)軸本身自重,便于刀片安裝,旋轉(zhuǎn)軸采用間錯(cuò)分體焊接式結(jié)構(gòu),即采用實(shí)體芯軸與輥盤(輥環(huán))組焊的方式,并將相鄰兩個(gè)輥盤在芯軸上成30°螺旋均布,進(jìn)一步提高輥盤焊接的牢固性和合理性,實(shí)現(xiàn)了刀具在旋轉(zhuǎn)軸上的均勻分布(如圖2),而且在每個(gè)半圓輥環(huán)上設(shè)計(jì)有6個(gè)安裝孔,將刀片桿插入到其中6個(gè)安裝孔可實(shí)現(xiàn)刀片快速安裝,刀片拆裝方便快捷。3.2電機(jī)選型設(shè)計(jì)傳動(dòng)電機(jī)是新型旋轉(zhuǎn)打擊式去毛刺機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備,其功率和轉(zhuǎn)速的大小直接決定了毛刺去除效果。為了滿足鑄坯去毛刺要求,通過(guò)對(duì)毛刺脆斷能耗分析,完成了電機(jī)選型設(shè)計(jì)。3.2.1電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于普碳鋼和低碳合金鋼,溫度600℃~900℃時(shí)的去毛刺阻力為21kN(毛刺高度5mm,寬度50mm),而脆性斷裂的阻抗功尚無(wú)可靠的數(shù)據(jù),但從切削力及其作用位移推算,上述毛刺的斷裂能耗F式中Fmρ—刀片密度,kg/m由此可見(jiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速必須大于707r/min才能有效將毛刺去除。3.2.2電機(jī)功率選擇對(duì)于電動(dòng)機(jī)功率的選擇,一般遵循以下公式:式中P—所需電動(dòng)機(jī)功率,kW;T將T通過(guò)計(jì)算可知,電機(jī)的功率必須大于74.03kW,其轉(zhuǎn)速必須大于707r/min,而且為了使去毛刺機(jī)能夠根據(jù)不同鋼種對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)節(jié),還需要傳動(dòng)電機(jī)為變頻調(diào)速電機(jī)?；谝陨弦?為了降低改造成本,選用現(xiàn)場(chǎng)已有的變頻調(diào)速三相異步電機(jī)作為動(dòng)力源,其型號(hào)為YZPF280M-4,功率為90kW,額定電壓為380V,額定電流為156A,額定轉(zhuǎn)速為1471r/min,重量為735kg,輸出軸徑為65mm,各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。3.3動(dòng)力學(xué)模型建立及有限元仿真分析旋轉(zhuǎn)軸是新型去毛刺機(jī)的核心設(shè)備,其穩(wěn)定性直接影響著毛刺的去除效果,而且在實(shí)際生產(chǎn)中,電機(jī)會(huì)頻繁啟動(dòng)與停止,對(duì)螺旋軸容易造成損壞,因此建立了旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析。根據(jù)多自由度系統(tǒng)復(fù)模態(tài)分析理論,旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)微分方程為:式中[M]、[C]、[K]—旋轉(zhuǎn)軸的總質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣;{F}—激振力列陣。對(duì)其進(jìn)行拉氏變換和求解,可得其對(duì)應(yīng)的特征方程為:式中ωф根據(jù)特征方程,利用ANSYS建立旋轉(zhuǎn)軸的三維模型,在完成旋轉(zhuǎn)軸材料物料屬性設(shè)置的基礎(chǔ)上,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了劃分。為了得到數(shù)據(jù)更加真實(shí),我們采用8節(jié)點(diǎn)體單元Solid185對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分后共有5267568個(gè)單元,968378個(gè)節(jié)點(diǎn)。其有限元網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。由于旋轉(zhuǎn)軸在工作時(shí),只允許其沿軸線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此旋轉(zhuǎn)軸兩端被1對(duì)軸承支撐,在模態(tài)分析時(shí)對(duì)軸進(jìn)行約束就加載在軸的兩端進(jìn)行徑向約束,限制x、y、z軸3個(gè)方向的位移量。采用蘭格索斯(Blocklanczos)法計(jì)算出了旋轉(zhuǎn)軸的前四階固有頻率和模態(tài)振型(如表2)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸在接近“臨界”狀態(tài)時(shí),其中間部位的位移量最大,這就有可能使旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生劇烈振動(dòng)而發(fā)生失效,同時(shí)也影響去毛刺的效果。根據(jù)頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系可以得出第1到4階的臨界轉(zhuǎn)速分別為7441.2r/min、7441.2r/min、17698.8r/min、22360.8r/min。由于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速范圍為707r/min~1471r/min,它遠(yuǎn)小于各種臨界轉(zhuǎn)速,可以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生,所以此旋轉(zhuǎn)軸的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)合理。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸前四階振型位移的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)(如圖4),第一階和第二階振型位移主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)軸的中部,出現(xiàn)彎曲變形。在第四階以后旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)嚴(yán)重的變形量,因此旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速應(yīng)避免達(dá)到第四階的臨界值。由于旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于各階臨界轉(zhuǎn)速,所以旋轉(zhuǎn)軸可以穩(wěn)定工作,該部件設(shè)計(jì)合理。4效果分析新型旋轉(zhuǎn)打擊式去毛刺機(jī)在某鋼廠投用以來(lái),鑄坯去毛刺率從原來(lái)的85%提高到99.99%,刀具使用壽命從原來(lái)的2個(gè)月提高到11個(gè)月,故障次數(shù)從30次/年降低至1次/年,非計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間從58.2小時(shí)降低至3小時(shí)(如表3),年均創(chuàng)效500萬(wàn)以上,成效顯著。5結(jié)論1)通過(guò)國(guó)內(nèi)外連鑄去毛刺機(jī)現(xiàn)有技術(shù)分析,基于毛刺切削阻力和脆斷能耗機(jī)理研究,提出了旋轉(zhuǎn)打擊式去毛刺新方法,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了螺旋間錯(cuò)分體焊接式旋轉(zhuǎn)軸等系列成套新設(shè)備;2)建立了去毛刺機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力學(xué)模型,并利用有限元仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析,其結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于其各階臨界轉(zhuǎn)速,進(jìn)一步確認(rèn)了去毛刺機(jī)整體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性;3)通過(guò)新型去毛刺機(jī)的上機(jī)運(yùn)行,使刀具使用壽命從原來(lái)的2個(gè)月提高到11個(gè)月,鑄坯去毛刺率從85%提高到99.99%,有效解決了毛刺去不凈的行業(yè)性難題,成效顯著。去毛刺機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的四周附帶有可以靈活擺動(dòng)的鏈接刀片,當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)時(shí),鏈接刀片以旋轉(zhuǎn)軸為圓心張開(kāi),調(diào)整好旋轉(zhuǎn)軸和鑄坯之間的距離。當(dāng)鑄坯到達(dá)旋轉(zhuǎn)軸位置時(shí),由兩側(cè)的液壓缸提升旋轉(zhuǎn)軸,使鏈接刀片升起的位置正好敲擊在毛刺的根部,這樣利用刀片離心力就可以徹底去除鑄坯底部毛