吴修文 吴 虹 魏 超

(马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽243000)

平整生产线是冷轧厂非常关键的生产线，其中入口段钢卷步进梁承担向生产线方向运输钢卷的工作，根据生产线工艺要求，步进梁步进需要快节奏、高产量运行，故该机组步进梁负荷较大，工作频率较高，而步进梁工作稳定状况直接影响到生产安全及产品质量。

随着投产时间的增加，某钢铁厂冷轧平整线入口步进梁的许多关键设备已进入服役期末期，设备精度和功能已无法满足产品质量要求，如运行速度降低，连接件的严重磨损等。因此针对入口步进梁的现有问题提出切实可行的设计改造方案尤为重要。

因此，我们从结构、安装等方面分析了现有步进梁的工作稳定问题，提出合理解决方案，设计出工作稳定装置，最终实践验证了设计装置的可靠性。

1 步进梁基本参数及机械运动原理

1.1 步进梁基本参数

步进梁初始设计基本参数见表1。

表1 步进梁初始设计基本参数Table 1 Original design basic parameters of walking beam

1.2 步进梁机械运行原理

该入口步进梁由固定梁、V型固定鞍座组、动梁、提升装置、横移装置、同步连杆、行走车轮组等部件组成，改造前步进梁总图如图1所示。其中动梁由两部分动梁通过连接板和螺栓联接，提升装置包括两组提升油缸，提升油缸作用在四组行走车轮组的同步连杆上，使行走车轮组同进同退。通过横移油缸的往复运动，横移装置将运载钢卷的动梁运输到No.10工位的运输小车上，最终实现连续运输钢卷。

2 步进梁存在的问题及分析

由于平整线步进梁工位为10个，最大钢卷是30 t，运输钢卷载荷较大，初始设计时的动梁总重32 t，油缸缸径和杆径较大，长时间的高负载运输，导致钢卷重心偏离动梁中心线，针对现场步进梁进行10个位置跑偏检测，检测结果见表2，显示动梁在前进方向的重合度严重偏差。

根据国家标准GB 50386—2016《轧机机械设备工程安装验收规范》中针对步进梁式输送机安装允许误差：动梁在前进方向重合度在1 mm/m范围内为合理范围，表2数据统计发现，动梁在前进方向重合度偏差为1～3 mm/m，远远大于标准规定。

1—提升装置 2—连杆装置 3—固定梁 4—动梁 5—V型鞍座 6—行走车轮组 7—中间联接装置 8—横移装置 9—中间连杆 10—三角锁机构图1 改造前步进梁总图Figure 1 General layout of walking beam before renovation

表2 对步进梁进行跑偏检测结果Table 2 Deviation testing results of walking beam

1—螺栓松脱 2—键断裂 3—中间间隙增大图2 改造前中间联接实物图Figure 2 Middle connection material before renovation

如图2，现有的两端动梁中间的联接部分，改造前中间联接采用螺栓、键和销轴刚性联接，在实际工作中，由于两组提升装置的提升油缸比例电磁换向阀之间的响应特性差异，难以保证两段动梁真正上下同步[1]，并且两段动梁端面间隙是70 mm，超过设计合理范围(40 mm)，螺栓及键长时间受剪力，磨损断裂，有可能会落卷，所以连接装置需要频繁更换，每次停产更换需要大量时间，严重影响生产进度。

在横移油缸的作用下，四组行走车轮组沿轨道运动，当钢卷重心偏离动梁中心线时，钢卷重力会造成动梁两侧承受力不均，使动梁承受偏转转矩，该偏转转矩并无任何对应的平衡措施[2]。同时，如果动梁上10个工位没有在满卷工况下，钢卷重力对动梁车轮组会产生倾翻力矩，原车轮组上三角锁结构中固定螺栓经常松落，根本起不到平衡力矩作用，而车轮组上方没有上压装置平衡力矩，所以在动梁运输钢卷时，力矩被放大，就是所谓的“翘头”，有极大的安全隐患。

由于存在以上影响稳定运行的问题，根据现场进行速度数据采集，动梁横移速度只有约50 mm/s，提升钢卷速度约70 mm/s，只有动梁横移速度和提升钢卷速度下调得非常慢，才能保证钢卷运输的安全性，所以现有步进梁的工作效率往往不能满足生产需求。

3 改进方案及设计稳定装置

针对以上步进梁现有问题及原因，尽量减少改造费用和结构，作出图3所示改进方案。

1—耐磨铜板 2—两侧耐磨轴承滚轮 3—上压装置预埋板 4—上压装置 5—中间活动铰接装置 6—耐磨铜板 7—两侧耐磨轴承滚轮 8—滚轮装置预埋板 9—植筋螺栓 10—上压装置预埋板 11—上压装置图3 改造后设计稳定装置总图Figure 3 General layout of designed stabilizing device after renovation

3.1 动梁两侧增加耐磨轴承滚轮

由于动梁在前进方向重合度的严重偏差，在动梁两侧增加双面滑板，但实践运用中，由于长距离重载运输，两滑板会出现线面滑动，磨损严重，多次出现卡顿现象。为此，在动梁两侧设计两组稳定装置，即耐磨轴承滚轮，其装配图见4，包括动梁侧面耐磨铜板、钢滚轮、成对调心滚子轴承、垫片组及安装座。通过沉孔螺栓将耐磨铜板安装在动梁侧面焊接板上，并在侧面混凝土坑壁植筋螺栓，预埋钢板安装在螺栓上。现场安装时，定好位后，将滚轮安装座焊接在预埋钢板上，并通过垫片组调整与动梁侧面耐磨铜板合理间隙，当动梁横移运动时，滚轮在耐磨板上滚动摩擦，当动梁提升运动时，滚轮在耐磨板上下滑动摩擦。

滚轮受力分析见图5。横移油缸推力F1作用下，钢卷重心偏离中心线，产生对滚轮的径向力F2，根据力矩平衡原理：

F1×275=F2×1860

666.4×275=F2×1860

F2=98.5 kN

安全系数为k=1.5，得出单个滚轮最大径向力为F=166.6 kN，滚轮内的调心滚子轴承承受径向载荷Cr=421.4 kN，满足要求。

在增加了轴承滚轮稳定装置后，再次进行10个位置跑偏检测，发现动梁在前进方向的重合度控制在±1 mm/m内，跑偏量明显下降，有效解决了动梁跑偏问题。同时，实践发现，没有发生卡顿和磨损严重情况。

3.2 更换中间活动铰接装置

修复动梁端面，设计安装可滑动中间铰接装置，如图6。中间铰接装置包括连接轴、平挡圈型滚轮轴承、两侧铜板、垫片组、连接螺栓等。在不改变动梁整体结构情况下，将原中间刚性联接装置去除，并加工端面，焊接中间铰接装置安装座，焊后校正整形后，通过垫片组调整滚轮轴承在滑道内的间隙，当动梁提升运动时，滚轮轴承可在轨道中滚动，补偿由于比例换向阀响应特性的差异造成的不同步问题。

如图7，对改造后设计稳定装置进行Inventor三维仿真设计。经过仿真设计和现场实践，证明该装置有效，降低了备件消耗，提高了机组生产效率。

1—前动梁焊接架 2—螺栓 3—滑板 4—平挡圈型滚轮轴承 5—连接轴 6—安装座 7—滑动座 8—垫片组 9—后动梁焊接架图6 中间铰接装置Figure 6 Middle hinge device

图7 改造后设计稳定装置三维仿真Figure 7 3D simulation of designed stabilizing devic after renovation

与此同时，去掉分段动梁下两组车轮组之间的刚性连接连杆，保证了动梁中间增加的活动铰接装置自由运行。

3.3 增加车轮组上压装置

在原四组车轮组上，增加四组上压装置，约束向上自由度。在两侧混凝土坑壁上植筋螺栓，每组上压装置中包括5件预埋钢板，支柱焊接在预埋钢板上，支柱安装螺栓孔为U型孔，可以调整压轨与车轮端面横向距离，并通过上下垫片组调整上压轨道与车轮面间隙，合理设计配合面间隙，使动梁在运输钢卷中平衡了大部分钢卷对车轮组的倾翻力矩。同时，去掉车轮组下方的三角锁结构，简化结构，提高了维护效率。

4 结语

根据该平整线入口步进梁存在的问题进行分析研究，提出合理的改造方案，设计出稳定装置，包括动梁两侧增加耐磨轴承滚轮，更换分段步进梁中间活动铰接装置，增加车轮组上压装置，该方案实用性强，实践验证，稳定装置更合理、可靠，也提高了油缸运行的流量和速度，保证了生产线长期高效稳定运行。