偏心轮式升降步进梁升降运动分析

杨国良 康 健

(中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉430223)

1 前言

步进梁是现代化热轧、冷轧带钢车间和带钢处理线上负责运送钢卷的重要设备之一［1，2］。其升降方式有直接升降式，斜坡升降式，摆杆式，偏心轮式等［3］，偏心轮式结构简单紧凑，动作平稳，在冶金轧钢线上得到广泛应用。

偏心轮式步进梁升降过程中液压缸铰点随着升降的动作而不断变化，而铰点的变化对步进梁的升降动作，液压缸的负载都有影响。

针对偏心轮式步进梁升降过程进行计算，并分析部分参数对步进梁提升能力和提升动作的影响，为步进梁的设计提供设计依据。

2 偏心轮式步进梁基本结构

步进梁由动梁和固定鞍座组成，固定鞍座和动梁鞍座的间隔都是一个步距，运输时，动梁升起，动梁鞍座将固定鞍座上的钢卷托起，然后横移缸推动动梁移一个步距的长度，再下降，把钢卷落在固定鞍座上，动梁继续下降到下极限位，横移缸缩回，动始位置，重复上述动作，可以每次把钢卷运输一个步距的长度。其结构示意如图1所示。

图1 步进梁结构示意图

3 步进梁升降动作分析

步进梁的升降是靠偏心轮绕车轮中心转动实现的。偏心轮中心的高度会因其转动而变化，动梁也就随之升降。偏心轮轮心从最低位至最高位的垂直距离称为步进梁的升降高度。其升降过程如图2所示。

图2 步进梁升降示意图

从图上还可以看出，偏心轮在旋转过程中，偏心轮轮心P1会有一个水平偏移Δx(见图3)，设偏心距为e，则对应每一个偏心轮旋转角β，其

且当β=0，即，偏心轮轮心与车轮轮心O在同一水平线上时，水平偏移最大

偏心轮偏转角β时，动梁相应升高了Δh，且

需要注意的是，在步进梁升降的过程中，横移缸约束了步进梁做水平移动，因此偏心轮的水平偏移Δx只能靠车轮的旋转来补偿，这种补偿的过程不会造成步进梁的水平移动。

同步杆连接着偏心轮一和偏心轮二(见图1)，保证两个偏心轮同步，使得步进梁可以平稳升降。

4 偏心轮式步进梁升降计算模拟

从上面的分析可以看出，偏心轮、车轮绕原点O旋转，见图3。液压缸与偏心轮的铰接点P2是以O为圆心，以R为半径的圆和以P3为原点，以L为半径的圆的交点，即:

因偏心点 P1与 O同在偏心轮上，所以∠P2OP1=C为常数，因此有:

β角的变化会带动步进梁上升(下降)，其变化量Δh计算见(3)式。

需要注意的是，升降缸与动梁铰接点P3随着动梁的升降而变化，且变化量为Δh，即:

为了分析在液压缸在不同升降高度的负载情况，引入液压缸力臂Lp和步进梁负载力臂Lg。其中Lp为原点到液压缸作用力垂线长度，见方程组:

求得交点坐标后，可得:

动梁及其上的钢卷最终要作用在偏心点P1上，因此步进梁负载力臂

如上所述，对于不同的液压缸伸长量ΔL=L－L0，都可以求出对应的步进梁高度Δh，以及升降缸和步进梁负载的力臂。

图3 偏心轮式步进梁升降模型示意

5 偏心轮步进梁升降模拟

通常情况下，步进梁的升降行程与设备设计要求相关，在设计初期就可以基本确定偏心量e的值，而液压缸长度L则与步进梁负载情况有关，因此，改变偏心点与原点的相对位置，使液压缸升降行程满足要求的情况下，液压缸负载更小，具有实际意义。

图4 参数C修改示意

以步进梁上升过程为例，模拟偏心轮式步进梁的升降过程，并在R和偏心距e不变的情况下，取不同的C(相当于改变偏心点的位置)，观察步进梁提升量和负载的变化情况。参数C示意见图4及式(5)。

5.1 提升量与C的关系

取 C1=75°，C2=83°，C3=92°。计算步进梁提升量与升降缸行程关系如图5所示。

图5 步进梁提升量与液压缸行程关系

从图上可以看出，步进梁提升量与升降缸行程基本呈线性变化，且C越小，曲线与线性趋势线越接近。曲线线性趋势越明显，在液压缸进油量为衡量时，步进梁的升降过程越平稳，其加减速也更容易控制。另外C角对最终提升量也有影响，C=92与C=75步进梁提升量的差值为:7mm。

5.2 负载与C的关系

鉴于步进梁负载与提升缸提供的力都是不变的(忽略液压系统压力波动)。因此提升缸与步进梁负载的力臂比值可以反映出步进梁的提升能力，并将比值称为步进梁的放大倍数。计算结果见图6。

从图6a)，b)上看，液压缸与步进梁负载力臂都是先增大，后减小，且随着C的增大，负载力臂达到最大时对应的提升缸行程不断变大。但液压缸力臂达到最大时对应的行程却相当。也就意味着液压缸达到最大力臂之后，随着C的增大，步进梁的提升能力是有所下降。

需要注意的是步进梁在提升的初始阶段负载只有动梁的重量，相较于钢卷的重量，该负载较小，真正影响步进梁提升能力的是触卷之后的力臂比值变化情况。

从图 6c)上看，C=75°最早触卷，C=92°最晚触卷，与之前提升量的分析一样，触卷时C=75°的力臂比值最小，约3.75，，触卷时 C=92°的力臂比值最大，约 3.83。需要注意的是，C=92°时，随着步进梁的提升，步进梁的放大倍数是先减小，后增大的，其最小值为3.76，设计时要按照最小放大倍数来确定液压缸的选择。

图6 步进梁负载与C的关系

6 结论

偏心式步进梁因为液压缸铰点随着动梁移动，而使得其运动过程和负载分析变得复杂，本文分析了偏心轮式步进梁升降过程，给出了计算模型，并分析了参数C对步进梁提升量、步进梁提升能力的影响。为步进梁设计提供了设计依据。

［1］高荣元.钢卷运输机械［M］.北京:冶金工业出版社，1984.

［2］冶金工业部武汉钢铁设计研究院主编.板带车间机械设备设计(下)［M］.北京:冶金工业出版社，1983.

［3］张步谦.摆杆式步进梁摆动的原因及改进方案［J］.中国重型装备，2008(4).