带检修开口度的曲柄连杆式对中导板设计

张义强

(国机重装成都重型机械有限公司，四川610051)

对中导板是轧制机组中辅助正常轧制的重要设备，通过对中导板对坯料的对中，不仅确保了轧件顺利进入下一设备，还对提高轧制品的板型精度起到很好的辅助作用。

1 设计背景

对中导板的基本结构大体分为两种，一种是齿轮齿条式对中导板，通常采用液压缸传动方式，也可采用电机驱动；另一种是曲柄连杆式对中导板，采用液压缸传动方式。由于曲柄连杆式对中导板安装、调整以及维护简便，对维护人员专业要求不高，受到用户的青睐，很多用户指定使用该种结构的导板。本设计正是基于用户要求(采用曲柄连杆形式，增加检修开口度)而进行的。

2 设计过程

曲柄连杆式对中导板的原理如图1所示。传动侧推板安装在拉杆上，通过连杆一与曲柄一相连；操作侧推板安装在推杆上，通过连杆二与曲柄三相连；曲柄一、曲柄二和曲柄三热装于传动轴上，曲柄一和曲柄三等长，相位差180°安装；液压缸与曲柄二相连，带动曲柄一和曲柄三同时转动，从而带动传动侧和操作侧导板关闭或打开。

曲柄连杆式对中导板中推杆所处的运动三角和拉杆所处的运动三角为相反的变化趋势，曲柄连杆机构运动原理图如图2所示，传动轴顺时针转动时α减小，β增大，这种运动特性造成推杆和拉杆水平位移的不同步。经过理论分析和多组数据验证，影响推杆和拉杆水平位移的最大因素是曲柄一和曲柄三的长度，是决定侧导板开口度范围的关键尺寸，而连杆长度、推杆、拉杆的高度尺寸、曲柄起始角度、旋转角度范围等均会影响侧导板的不同步偏差。

1—连杆一 2—曲柄一 3—曲柄二 4—曲柄三 5—连杆二 6—传动侧推板 7—操作侧推板 8—拉杆 9—导轨箱 10—推杆 11—传动轴 12—液压缸

图2 曲柄连杆机构运动原理图

Figure 2 Motion principle of crank rod mechanism

通过对侧导板结构特点和侧导板工作情况的综合分析，确定设计目标为：

(1)满足在不拆卸侧导板情况下检修辊道的需求(开口度3100 mm以上)；

(2)工作范围内(开口度750 mm～1780 mm)操作侧、传动侧导板的不同步理论偏差值控制在1 mm左右；

(3)最大限度减小侧导板结构尺寸，改善受力状态。

表1 运动机构参数

图3 机构运动简图

图4 曲轴计算模型简图

Figure 4 Calculated model of crankshaft

图5 推杆计算模型简图

Figure 5 Calculated model of push rod

图6 传动轴应力分布图

Figure 6 Stress distribution of transmission shaft

由于该结构设计中不确定参数多，且互相影响，设计时将推杆、拉杆水平位移随传动轴转角的变化值用函数关系表示，借助电子表格工具，对各参数关联调整，不断优化，最终确定主要尺寸如下：曲柄一和曲柄三铰点间长度为900 mm；连杆一和连杆二铰点间长度为1750 mm；操作侧、传动侧导板工作开口度范围内的不同步最大理论偏差值小于1.1 mm；侧导板检修开口度3156 mm。机构运动简图见图3。

运动机构各参数为：H1=837 mm；H2=850 mm；L=1750 mm；R=900 mm；β1=β2=62.8°；B1=B2=375 mm。

采用计算机程序计算得出侧导板总开口度和开口度偏差值见表1。

3 机构强度分析

3.1 侧导板机构计算模型

侧导板曲轴和推杆通过连杆连接，连杆是简单的二力杆，可以人工准确计算。因建立计算模型时，分别考虑曲轴和推杆。

经过适当简化建立曲轴计算模型简图(只考虑入口侧一半)，如图4所示。板材最宽时，油缸出力最大，上下推杆之一达到最大推力。推杆计算模型简图如图5所示。单根推杆最大作用力400 kN，与轴向有一夹角。

3.2 计算结果

3.2.1 曲轴主要件应力

曲轴由传动轴、曲柄组成，分别给出其应力分布情况。传动轴应力分布如图6所示。应力最大值出现在图6局部放大区域过渡圆弧上，最大值为138.8 MPa208.4 MPa，主要轴段应力均不超过50 MPa。

3.2.2 曲轴变形

曲轴在主要变形方向的位移如图7所示。推杆曲轴铰接点与理想位置的偏移超过6 mm。推杆驱动曲柄所在位置相对油缸推杆位置的扭转角度分别为0.303°，0.347°。由于曲轴铰接点位置的偏移，在实际应用中应考虑由液压缸行程进行补偿。

3.2.3 上推杆应力及变形

上推杆应力分布如图8所示，应力最大值出现在推杆滑板配合区，最大值为82.5 MPa103.6 MPa。与推杆材料性能相比，上推杆应力并不高。

上推杆主要变形方向的位移如图9所示。上推杆铰接孔中心发生约14 mm的偏移，水平竖直方向的偏移量分别为：8.3 mm11.9 mm，由于上推杆实际变形较大，实际工作过程中应考虑由液压缸行程进行补偿。

图7 曲轴主要变形方向位移云图

图8 上推杆应力分布图

Figure 8 Stress distribution of upper push rod

图9 上推杆主要变形方向位移云图

Figure 9 Displacement nephogram of major deformation direction for upper push rod

图10 下推杆应力分布图

Figure 10 Stress distribution of lower push rod

3.2.4 下推杆应力及变形

上推杆应力分布如图10所示，应力最大值出现在推杆滑板配合区，最大值为94.3 MPa90.2 MPa。下推杆应力也不算高。

下推杆主要变形方向的位移如图11所示。上推杆铰接孔中心发生约19.5 mm的偏移，水平竖直方向的偏移量分别为：8.5 mm17.6 mm，由于上推杆实际变形较大，实际工作过程中应考虑补偿。

图11 下推杆主要变形方向位移云图

3.3 计算结果分析

侧导板机构中的曲轴、上下推杆总体应力都不高，能够满足强度要求。各曲柄的应力则较高，装配应力属于准静态应力，受载后的附加应力较小，能满足强度要求。

曲轴及上下推杆的铰接点因变形而发生较大的偏移，对于实际控制位置会有一定影响，需要注意补偿。

4 结语

本次曲柄连杆式侧导板设计是一次全新的结构尝试，相比开口度范围750 mm～2000 mm不带检修开口度的常规设计，开口度范围调整为750 mm～3150 mm，可达到不拆卸侧导板即可检修辊道的目的，同时也提高了检修辊道的工作效率。由于开口度范围增大，推杆、拉杆的长度也增加，导轨箱支点距离拉大，因此在结构尺寸确定后，对推杆、拉杆进行优化设计，也提高了轧制品板型的精度。