連鑄出坯系統(tǒng)中，撈鋼機(jī)是連鑄出坯系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的設(shè)備，需在有限時(shí)間內(nèi)將多流鑄坯精準(zhǔn)下線，其提升機(jī)構(gòu)的效率與可靠性至關(guān)重要^[1]~[5]。鋼坯提升機(jī)構(gòu)，作為撈鋼機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)撈坯和放坯動(dòng)作。

 傳統(tǒng)撈鋼機(jī)提升機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條形式，在提升運(yùn)行過程中，提升行程大約1000mm左右，因其行程短，速度低，且在撈鋼機(jī)一個(gè)撈坯送坯運(yùn)行周期中，提升和下降動(dòng)作至少運(yùn)行4次，即撈坯時(shí)，提升架降下，撈坯后提升；放坯時(shí)，提升架降下，放坯后提升。提升動(dòng)作占比較大，其運(yùn)行時(shí)間對(duì)撈鋼機(jī)整體工作效率影響極大^[6][7]。

近年來，四連桿機(jī)構(gòu)因其輕量化、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)，成為優(yōu)化方向之一。本文通過理論建模與實(shí)例計(jì)算，系統(tǒng)對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與工程適用性，提出基于四連桿的傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，為撈鋼機(jī)設(shè)計(jì)提供新思路。

1  齒輪齒條式提升機(jī)構(gòu)分析

1.1結(jié)構(gòu)與工作原理 

齒輪齒條式撈鋼機(jī)由車體、驅(qū)動(dòng)裝置、提升齒輪、齒條及提升架組成（圖1）。電機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪-齒條嚙合，帶動(dòng)提升架垂直運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)勢在于承載能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，且齒輪齒條嚙合使用，需要預(yù)留足夠的安全系數(shù)^[8][9]，導(dǎo)致慣性負(fù)荷高，運(yùn)行周期長。

1. 車體   2. 驅(qū)動(dòng)裝置  3. 提升齒輪  4. 提升齒條  5. 提升架

圖1 齒輪齒條形式撈鋼機(jī)

1.2力學(xué)建模與計(jì)算 

撈鋼機(jī)提升機(jī)構(gòu)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩T_輸出由電機(jī)通過減速機(jī)輸出，關(guān)系式如公式（1）：

齒輪齒條形式撈鋼機(jī)提升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的阻力扭矩由鑄坯和提升架產(chǎn)生的重力作用在提升齒輪上產(chǎn)生，關(guān)系式如公式（2）：

以國內(nèi)河北某鋼廠為例，齒輪齒條提升機(jī)構(gòu)撈鋼機(jī)部分參數(shù)如下：

表1  齒輪齒條形式撈鋼機(jī)參數(shù)表

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)其載荷大小程度以及運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁情況，參照機(jī)構(gòu)工作級(jí)別劃分，取安全系數(shù)大于等于1.25即可滿足使用^[10]。

在電機(jī)選型中，齒輪齒條機(jī)構(gòu)頻繁啟動(dòng)，且重量大，沖擊大，采用6級(jí)電機(jī)，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以在一定程度上環(huán)節(jié)對(duì)減速機(jī)的沖擊。通過功率計(jì)算，若選取37Kw、6級(jí)電機(jī)，其扭矩僅有362.7Nm，安全系數(shù)僅有17%，不能滿足使用要求。因此選擇45Kw、6級(jí)電機(jī)，預(yù)留41%安全系數(shù)。

從運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，不考慮電機(jī)啟動(dòng)和停止的加減速時(shí)間以及齒輪齒條的嚙合效率。提升架上升1080mm，則提升齒輪需要運(yùn)行圈數(shù)為：

n=1.080/（π×0.36）=0.95（r）

電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)為：

N=n×i=0.95×80=76（r）

電機(jī)運(yùn)行所需要時(shí)間為：

t=76/982=0.077min=4.6s

齒輪齒條提升機(jī)構(gòu)撈鋼機(jī)，在提升運(yùn)行過程中，采用單鉤取坯，一個(gè)取坯送坯運(yùn)行周期中，提升動(dòng)作至少運(yùn)行4次，則總提升和下降時(shí)間為：

t總=4×t=4×4.6=18.4s。

2  四連桿式提升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

四連桿機(jī)構(gòu)由曲柄、連桿、提升架及車體鉸接組成（圖2）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，通過連桿傳遞運(yùn)動(dòng)，使提升架繞支點(diǎn)擺動(dòng)。該結(jié)構(gòu)沒有齒輪齒條結(jié)構(gòu)，僅有桁架組成的框架結(jié)構(gòu)，通過連桿與車體連接，質(zhì)量輕，且運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化后可縮短行程。提升架重量降低的同時(shí)撈鋼機(jī)整體重量也明細(xì)減少，這使得提升電機(jī)和行走電機(jī)作用在鑄坯上的單位功率效率大幅提升。

1.車體   2. 提升架  3. 曲柄  4. 提升驅(qū)動(dòng)裝置  5. 連桿

圖2 四連桿形式撈鋼機(jī)

1.車體   2. 提升架  3. 曲柄  4. 曲柄支點(diǎn)  5. 連桿

圖3 四連桿形式撈鋼機(jī)簡化示意圖

從四連桿形式撈鋼機(jī)簡化受力示意圖（圖3）可以看出，當(dāng)提升位升高，θ變大，則需要提供的驅(qū)動(dòng)力更大才可將鑄坯提起，此時(shí)鑄坯底部與輥道面間距更大，則撈鋼機(jī)運(yùn)行更安全；反之當(dāng)提升位降低，θ變小，則需要提供的驅(qū)動(dòng)力較小，此時(shí)鑄坯底部與輥道面間距變小，則撈鋼機(jī)運(yùn)行有觸碰輥道鑄坯等風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意鑄坯的提升高度。

四連桿形式撈鋼機(jī)提取坯時(shí)，提升架處于高位。由待機(jī)位行走到取坯位時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，提升架行走至低位取坯。取坯后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)行走至高位，完成取坯動(dòng)作。此時(shí)提升架與豎直方向有一定夾角，確保鑄坯安全。一般在取坯準(zhǔn)備位和取坯停止位設(shè)置有檢測元件，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)采用編碼器控制，以確保轉(zhuǎn)動(dòng)停止精度。撈鋼機(jī)取坯過程如圖4所示。放坯過程與取坯過程流程相反，提升裝置反轉(zhuǎn)，將鑄坯放下，完成方坯動(dòng)作。提升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，曲柄未完成整周運(yùn)動(dòng)，只在一定工作角度區(qū)間內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取坯和放坯動(dòng)作。從撈鋼機(jī)取坯過程（圖4）的運(yùn)動(dòng)軌跡可以觀察，單獨(dú)取坯或放坯過程，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為220°。

圖4 四連桿形式撈鋼機(jī)取坯過程

2.2力學(xué)建模與動(dòng)態(tài)分析 

四連桿形式撈鋼機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩T_輸出與齒輪齒條形式撈鋼機(jī)相同，關(guān)系式如公式（1）。

四連桿形式撈鋼機(jī)提升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的阻力扭矩由鑄坯和提升架產(chǎn)生的重力作用在曲柄上產(chǎn)生。因提升架在連桿鉸接作用下，提升架提升力方向與重力在豎直方向有一個(gè)角度θ。簡化連桿對(duì)提升架的受力如圖3所示，因此鑄坯和提升架產(chǎn)生重力產(chǎn)生的阻力矩關(guān)系式如公式（3）：

以國內(nèi)江蘇某鋼廠為例，四連桿機(jī)構(gòu)撈鋼機(jī)部分參數(shù)如下：

表2  四連桿機(jī)構(gòu)形式撈鋼機(jī)參數(shù)表

撈鋼機(jī)提升機(jī)構(gòu)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩T_輸出由電機(jī)通過減速機(jī)輸出，

從運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，不考慮電機(jī)啟動(dòng)和停止的加減速時(shí)間。提升架在曲柄作用下轉(zhuǎn)動(dòng)約220°，則減速機(jī)需要運(yùn)行圈數(shù)為：

n=220/360=0.61（r）

電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)為：

N=n×i=0.61×125=76.25（r）

電機(jī)運(yùn)行所需要時(shí)間為：

t=76.25/1465=0.052min=3.1s

四連桿形式撈鋼機(jī)，在提升運(yùn)行過程中，只能采用單鉤取坯，一個(gè)取坯送坯運(yùn)行周期中，提升動(dòng)作運(yùn)行2次，則總提升和下降時(shí)間為：

3  性能對(duì)比與工程應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

表3對(duì)比顯示，四連桿式撈鋼機(jī)提升架質(zhì)量減少64.1%，周期時(shí)間縮短66.3%，但鑄坯承載能力降低12.8%。

表3 齒輪齒條形式撈鋼機(jī)和四連桿機(jī)構(gòu)撈鋼機(jī)部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比齒輪齒條形式撈鋼機(jī)和四連桿式撈鋼機(jī)，齒輪齒條形式撈鋼機(jī)提升架因設(shè)計(jì)有提升齒輪和齒條，整體重量較大。提升架整體做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提升鑄坯重量也相應(yīng)較大。而四連桿機(jī)構(gòu)，提升架重量大幅降低，但因其結(jié)構(gòu)特殊，提升鑄坯重量相對(duì)較小。

3.2 適用場景分析

1. 齒輪齒條式：適用于大斷面、低拉速鑄機(jī)，需高承載能力的工況。

齒輪齒條式撈鋼機(jī)在重載、低拉速、復(fù)雜工況下表現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。齒輪齒條式提升框架采用桁架結(jié)構(gòu)，自重大，剛性好，強(qiáng)度高，有其優(yōu)越的穩(wěn)定性能和抗沖擊性能。尤其適合大斷面鑄機(jī)和特種鋼生產(chǎn)。盡管其運(yùn)行周期較長，但通過提升能力冗余設(shè)計(jì)和改進(jìn)階梯鉤設(shè)計(jì)的多坯抓取技術(shù)，優(yōu)化提升控制程序，仍能滿足高安全性和生產(chǎn)效率需求。對(duì)于追求穩(wěn)定性和承載能力的鋼廠，齒輪齒條式仍是首選方案。 

以福建某鋼廠為例，生產(chǎn)200×200斷面鑄坯，定尺為8.9m，采用單鉤取坯時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的最大拉速為1.3m/min，即單塊鑄坯處理時(shí)間約為68s。采用階梯鉤取坯后，可實(shí)現(xiàn)的最大拉速為1.6m/min，兩塊鑄坯處理時(shí)間約為112s，單塊鑄坯處理時(shí)間約為56s。

2. 四連桿式：適用于小斷面、高拉速鑄機(jī)，強(qiáng)調(diào)效率與輕量化的場景。

四連桿式撈鋼機(jī)，憑借輕量化、短運(yùn)行周期、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性，在小斷面、高拉速鑄機(jī)領(lǐng)域中具有顯著優(yōu)勢。其設(shè)計(jì)靈活性與高效性，尤其適合現(xiàn)代鋼廠對(duì)生產(chǎn)效率和綠色制造的雙重需求。對(duì)于追求快速響應(yīng)和空間優(yōu)化的場景，四連桿式是理想選擇。

以江蘇某鋼廠為例，生產(chǎn)160×160斷面鑄坯，定尺為12.5m，采用雙跨出坯，撈鋼機(jī)單根鑄坯處理時(shí)間約為45s。單根鑄坯處理時(shí)間較齒輪齒條撈鋼機(jī)大幅縮短。

4  結(jié)論

1. 相同電機(jī)功率下，經(jīng)過減速機(jī)放大扭矩后，四級(jí)和六級(jí)電機(jī)總輸出扭矩一樣，六級(jí)電機(jī)可以緩解頻繁啟動(dòng)沖擊現(xiàn)象，但是六級(jí)電機(jī)成本更高，在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)結(jié)合提升速度綜合考慮。

2. 相同電機(jī)功率下，齒輪齒條形式撈鋼機(jī)提升鑄坯重量較大。

3. 齒輪齒條形式撈鋼機(jī)相對(duì)四連桿形式撈鋼機(jī)的提升架重量較大，車體總質(zhì)量也較大。

4. 齒輪齒條形式撈鋼機(jī)齒輪齒條占比較大，相對(duì)四連桿形式撈鋼機(jī)在使用過程中維護(hù)量增加。

5. 對(duì)于小斷面，高拉速鑄機(jī)，適合采用四連桿形式撈鋼機(jī)；對(duì)于大斷面鑄機(jī)，拉速較慢時(shí)，適合采用齒輪齒條形式撈鋼機(jī)。

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