板坯横移机设计及研究

金洪廉，裘 喆，白 斌，吴 铁，陈莹莹

(1．鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114051;2．中钢设备有限公司，北京 100080)

1 概述

鞍钢2150ASP(连铸连轧)工程为国内首次自主集成的双机四流中薄板坯连铸连轧生产线。该工程布置有3台板坯横移机，其中2台小横移机用于每台铸机两流之间的铸坯运输及存放，另1台大横移机则是连接铸机与轧线的桥梁，担负合理调配运送铸坯给轧线的任务。这里介绍的板坯横移机是指大横移机，它是解决铸机与轧线合理衔接的关键设备。它不仅具有小横移机的铸流间运输存放铸坯的功能，而且具有铸机与铸机间、铸机与铸流间、铸机与缓冲存放台间运输存放铸坯的功能，最重要的是它使四流铸坯“合四为一”输送给轧线、最大限度满足轧线的原料供给。

2 几种横移设备的比较及方案确定

铸坯横移设备主要有移送台车、转盘拉钢机、推钢机及横移机等，都能用来横向移动铸坯，完成工艺要求。

2.1 移送台车

移送台车将切成定尺的铸坯直接输送到台车的辊道上，台车横移，将其辊道与精整设备的受料辊道对齐，然后台车上辊道转动，把坯子输送到受料辊道上。这种方式各流间干扰较大，必须严格控制台车的工作节奏，否则会出现生产混乱。移送台车由辊道、车体、走行装置、轨道、滑线接电装置等组成。

2.2 转盘拉钢机

转盘拉钢机的工作原理是将切割成定尺的铸坯经出坯辊道输送到转盘上，转盘回转90°将铸坯输送到过渡辊道上，然后由拉钢机将铸坯移送到精整设备的受料辊道上。这种衔接方式，各流间相互干扰较少，控制比较简单，但设备重量约为移送台车式的两倍。

2.3 横移机

横移机多用于较长距离铸坯的横向搬运，如换线及往其他设备上输送等。与转盘拉钢机相比，横移机具有运行阻力小、磨损小、运转灵活等特点。横移机主要由小车牵引装置、小车、升降框架及升降用油缸、滚轮支承等构成。其工作原理是小车运送到铸坯接受位置后，油缸使升降框架上升，由升降框架上的小车接受铸坯，然后小车牵引装置驱动小车走行到铸坯输出位置停止，升降框架下降，使铸坯落在受料位置上，小车再返回到接受位置。

鞍钢2150工程连铸机为双机四流，两台铸机间距离为42 m，距离较长，而且两台铸机间要求不能互相干扰。通过以上几种横移设备的比较，选用横移机这种结构型式。考虑运输距离长、升降轨道梁钢结构跨度不易过大等因素，采用“接力”式传递板坯的结构型式，即采用2台结构基本相同的横移机相互传递板坯在中间交接位，如图1所示。

图1 板坯横移机

3 主要设计研究内容

3.1 技术参数

设计型式 升降轨道小车托运式

设计能力 用于运输Max.170×2 000×18 000钢坯

小车数量 1#铸机侧6台，2#铸机侧5台

运行速度 60 m/min

最大横移距离 61 m

小车驱动 电动卷扬机集中传动

升降行程 以辊道面为中心±75 mm

3.2 工作原理

板坯横移机的工作原理:2#铸机侧轨道梁降到最低点，使在其上的托运小车上表面降到2#铸机(3流或4流)的输出辊道面以下进入辊道间，轨道梁升起，托起运送的板坯，5台小车同时在卷扬的驱动下把板坯运到中间交接位的缓冲台架上方，轨道梁下降，把板坯放到缓冲台架上，小车返回，完成一个运行流程(图2)。接着1#铸机侧的轨道梁降到最低点，其上的6台小车在卷扬的驱动下运行到中间交接位的缓冲台架下方，轨道梁升起，托起缓冲台架上的板坯，小车把板坯“接回”到1#铸机，轨道梁下降，把板坯放在1#铸机(2流)的输出辊道上，完成一个工作周期。

如检测的1#铸机辊道上将有坯子通过时，则小车可先把板坯放到1#铸机侧的存放台架上;如检测无坯子通过时，可把存放台架上板坯优先运到1#铸机(2流)生产线，通过合理调度，2#、1#铸机的坯子可在无干涉情况下连续不断进入轧线的加热炉，充分发挥1#、2#铸机的生产能力。整个过程是通过计算机自动控制的，也可手动控制。

图2 运行流程图

3.3 结构组成及特点

以1#铸机侧板坯横移机为例，其结构如图1所示，主要由卷扬装配、升降框架、小车、升降装置、滚轮支承、张紧装置、存放台架、自动检测控制系统、润滑系统等组成。

根据铸坯的长度和重量，既要使较短铸坯能由两台小车支承，又要保证各小车的受力比较均匀。因此确定小车数量为6个(2#铸机侧为5个)，则轨道梁也相应为6个。每个轨道梁长33 m，由三段梁铆接组成，每段梁由工字钢等焊接而成，轨道通过螺栓连接在梁上。6个轨道梁通过前后、中间共3个连接梁连接而成为一个整体——升降框架。前后的连接梁带有导向滑轮，用于钢绳的导向;中间的连接梁与两个升降缸连接。

小车由卷扬装配来驱动。卷扬装配如图3所示，由电动机、减速机、联轴器、卷筒轴和卷筒、轴承座等组成，由钢丝绳牵引小车沿轨道梁上的轨道来回走行。

图3 卷扬装配

传动为集中传动，减速机的双出轴通过联轴器直接与卷筒轴连接。卷筒轴由三段组成，中间用联轴器连接，组成一个大长轴，其上均布装有6个卷筒。每段轴由两个轴承座支承，轴承为SKF双列调心辊子轴承，承载能力大、寿命长。卷筒为焊接结构，通过键和可拆卸挡块固定在卷筒轴上，钢丝绳压板为新型的弧形压板，压紧力大、不滑伤钢绳。

小车如图4所示，由车体、车轮、钢绳压板等组成。车体为焊接结构，与板坯接触处按一定间隔焊有支撑块，支撑块材质为耐热钢，每个支撑块带有凹槽便于散热。车轮的材质为45号钢，轴承为SKF双列调心辊子轴承。钢绳压板为蛇形布置，压紧力大。小车带有“雨搭”形防护板，以防止氧化铁皮等杂物落下损坏钢绳和轨道。

升降装置及滚轮支承如图5所示，由升降缸、铰支座、滚轮支承、底座等组成。升降框架的每个轨道梁下连接有斜楔，斜楔落在相应的滚轮支承上，通过升降缸的水平运动带动整个升降框架及斜楔沿滚轮支承水平运动，由于斜楔的斜导轨作用，整个升降框架同时也就完成了升降运动。升降缸为头部铰接、尾部耳轴式水平安装。底座为焊接钢结构，带有挡块防止连接螺栓受剪。滚轮支承为心轴滑动轴承式。中间轨道梁下的一排滚轮支承的滚轮带有轮缘，防止升降框架左右摆动。

斜楔如图6所示，由底板、斜块、止动块等焊接而成。底板上带有螺栓孔，用于与轨道梁的连接。斜块本身分为两段斜率，斜率缓的主要用于带负荷上升，斜率陡的主要用于空载下降。止动挡块用于下降时与滚轮支承的支座接触而止动。斜块和滚轮经热处理以增加表面的耐磨性。

图6 斜楔

张紧装置如图7所示，由滑轮、连接板、竖连杆、塔簧等组成。钢绳的水平张力通过滑轮、连接板传递给竖连杆，使竖连杆绕铰轴摆动，竖连杆上装有压板、塔簧等。连接板和竖连杆共同作用使塔簧受压，吸收能量，起到张紧和缓冲作用。塔簧的预紧力由竖连杆上的螺母调整。滑轮的轴承为调心辊子轴承，其它铰接点为滑动轴承，轨道梁里的钢绳由托辊支承。

图7 张紧装置

存放台架起缓冲和存储作用。当1#铸机2流的辊道上有坯子通过时，1#铸机1流生产的铸坯可暂时存放在1#铸机侧的存放台架上;当把2#铸机的板坯输往中间交接位而中间交接位上存有坯子时，小车可把2#铸机(3流和4流)生产的板坯运到2#铸机侧的存放台架上。存放台架为焊接钢结构，由多组上表面标高一致的立柱、横梁组成，分别安装在基础上。

自动检测控制系统由车行程编码器、走行极限和升降极限、中间交接位接地开关、PLC控制柜等组成。车行程编码器安装在传动电机上，传动电机同时自带制动器、单独驱动风扇、限温元件。走行极限3个，其中包括1个同步极限用于调行程零位;升降极限2个，用于检测轨道梁升降框架的上下标高。中间交接位接地开关用于检测中间交接位存放台架上有无板坯。

润滑系统采用集中干油润滑。小车的轴承及导向滑轮等运动部件的润滑采用定期注油润滑。

3.4 主要计算

由于1#铸机侧横移机设备本身自重较2#铸机侧横移机大，下面就以1#铸机侧板坯横移机的计算为准。

3.4.1 传动机构计算

已知参数:最大板坯重35.6 t，运行速度60 m/min，每台小车自重1.2 t，车轮直径D=300，小车轴承内径d=140。

(1)最大运行阻力

根据工况要求，最大运行阻力即为6台小车运输最大板坯时的摩擦阻力，可按式(1)计算:

式中，Q为最大载荷N;G为6个小车自重，N;f为滚动摩擦系数，mm，由起重机设计手册查取;μ为车轮轴承摩擦系数，由起重机设计手册查取;ω为摩擦阻力系数，由起重机设计手册查取。

(2)电动机的选择

电动机的静功率:

式中，v为运行速度，m/s;η为机构传动效率，取η=0.85;m为电机个数。

考虑动负荷的电机功率:

P=kd·Pj=2 ×9.1≈18 kW

根据计算并考虑国外计算方法选电机为:

SIEMENS电机，型号1LA5 220－4AA－ZH64，N=37 kW，n=1 470 r/min。

(3)减速机的选择

由于运行速度v=60 m/min，卷筒直径为0.8 m，则卷筒转数为:

则减速机速比为:

根据电机功率和速比选减速机为:

三环减速机，型号TRCI400－62.3－120a，i=62.3，a=120 mm。

则实际卷筒转数为:

实际运行速度为:

v=πDn=3.14×0.8×23.6≈59.3 r/min，满足要求。

3.4.2 升降机构计算

升降框架的升降采用2个液压缸水平推动与升降框架连在一起的斜楔沿滚轮支承运动，相当于一个水平力推动滑块沿斜面运动，因此可简化为滑块斜面式受力模型。

由于斜楔由两段斜率组成，因此升降过程分为四种情况。如图2和图6所示，无负荷快速上升(斜率大时)、有负荷慢速上升(斜率小时)、有负荷慢速下降(斜率小时)、无负荷快速下降(斜率大时)。当滚轮支承处在两段斜率的交点处时，升降框架处在整个升降行程150 mm的中点(零位)，也就是有、无负荷的转换点。同样对应升降行程±75 mm液压缸的行程400 mm也分为232 mm和168 mm两段。

根据以上分析选择两种情况进行计算，一是有负荷慢速上升，此时所需液压缸推力为最大，行程232 mm;二是无负荷快速下降，此时需要验算一下液压缸是否需要拉力。

(1)有负荷慢速上升时的受力分析

已知最大垂直负荷为428 000 N、升降框架自重为697 544 N，即图8中P=428 000 N+697 544 N=1 125 544 N，上升时倾斜角为α=18°。

图8 有负荷慢速上升时受力

所需液压缸的总推力F可按下列平衡方程组求解。

每个液压缸的推力为280 968 N。

(2)无负荷快速下降时的受力分析

已知垂直力为升降框架自重G=697 544 N，下降时倾斜角为α=27.5°，如图9所示。设液压缸产生拉力F，列平衡方程组:

三式联立，可解得:F=－239 765 N

图9 无负荷快速下降时的受力

得负值说明:在无负荷快速下降时，液压缸也不需要产生拉力，反而需要推力，此推力大小为239 765 N，可靠液压缸的背压实现。

因此在上述四种情况下，液压缸均需产生推力，需要每个液压缸产生的最大推力为280 968 N。

故选液压缸为:力士乐产品型号CD251B160/100－400A1X102CHDMA，其推力为502.50 kN=502 500 N＞280 968 N。

4 主要特点

4.1 运输量大

鞍钢2150ASP工程2台铸机年产500万t板坯，产量目前为国内之最。而承载给连轧线自动供料的板坯横移机的运输能力也是目前运输量最大的板坯横移机，它可把双机四流生产的铸坯调度到一条运输辊道上，以满足年产500万t热轧板的轧线需要。

4.2 横移距离长

板坯横移机横移距离最长为61 m，每组轨道梁长35.24 m，由三段梁铆接而成，其中最长一段为17.645 m。

4.3 横移机宽度大

横移机的宽度大，可运载较长定尺的坯子，相应小车、轨道梁及卷筒的数量要求多。1#铸机侧的横移小车、轨道梁的数量多达6个，横移机最大宽度达15 m，目前为国内之最。

4.4 具有缓冲功能

整个板坯横移机有3个缓冲存放台架，分别位于1#铸机侧、2#铸机侧和中间交接位，在托运过程中起到缓冲和存储作用。

4.5 传动布置紧凑

由于卷筒数量多，相应卷筒轴分段多、轴承座多，减速机轴又在中间，这样就要求传动装置布置紧凑。

4.6 升降装置结构新颖

升降采用斜楔滚轮支承结构，斜楔分两段斜率，合理利用摩擦力学原理，省力省功，结构新颖独特。

4.7 运行安全可靠

主要传动部件电机、液压缸、轴承等采用进口件，增加了使用寿命和安全性。小车与钢坯接触处采用耐热钢，两侧带有防护板以防止氧化铁皮等杂物落下损坏小车牵引用钢丝绳和轨道。

此外，该板坯横移机还在一些具体结构上采用了一些国内不常见的新设计，如卷筒的钢绳压板采用弧形压板、张紧装置采用塔簧等。

5 结束语

鞍钢2150ASP工程板坯横移机的研制成功，使得铸机向轧线“四流合一”供坯的工艺流程成为可能。该设备具有设计结构合理、托运能力强、传动布置紧凑、升降装置新颖独特、运行安全可靠等特点。同时由于是自行设计、制造，可为国家节省大量投资。

该板坯横移机总重约250 t，原计划准备全套从奥钢联引进，需400多万欧元，而现在我们自行设计研制成功，包括进口配套件也仅需350多万人民币(相当于43万欧元)，仅此一项就可为国家节省357万欧元。而且通过自行设计还提高了设计能力，为今后再设计同类设备积累了丰富经验。

［1］ 成大先编．机械设计手册(第5版)［M］．北京:化学工业出版社，2008．

［2］ 张质文主编．起重机设计手册［M］．北京:中国铁道出版社，2001．

［3］ 哈工大力学教研组编．理论力学［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［4］ 刘明延，李平，栾兴家．板坯连铸机设计与计算［M］．北京:机械工业出版社，1990．