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[摘 要 ]铝型材挤压生产线中冷床系统的结构较为简单，电机选型等关键点往往被忽略。通过跟踪现场冷床系统中电机的使用情况，结合理论设计，对电机选型中参数选择给出合理建议。同时在结构设计中，通过优化电机布局结构来缩小轴的直径，从而达到降低成本的目的。
[关键词]冷床系统;电机功率;参数确定;布局结构
[中图分类号]TP273; TP393 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02
[Abstract]The structure of cooling bed system in aluminum extrusion production line is relatively simple， and the key points such as motor selection are often ignored. By tracking the use of the motor in the cooling bed system and combining with the theoretical design， reasonable suggestions are given for the selection of parameters in the motor selection. At the same time， in the structural design， through optimizing the motor layout structure to reduce the diameter of the shaft， so as to achieve the effect of reducing the cost.
[Keywords]cooling bed system; Motor power; Parameter determination; layout structure
铝型材挤压生产线主要由挤压前处理设备、挤压机以及挤压机后部辅助设备组成。挤压机挤出型材，经过运输系统运送至其他设备进行加工。此装置因兼有运输与冷却的作用，通常称为冷床系统。冷床系统中横向运输装置称之为挑料。运输方式主要为输送带输送。冷床系统分为出料辊道挑料、冷床平台、过桥装置、储料冷床、锯前辊道挑料和锯后辊道挑料。本文通过监测现场工作中的电机参数，并与理论设计结果进行对比，确定电机功率参数。同时通过优化设计结构来降低设备成本，提高效益。
1 减速机电机功率的确定
冷床系统动力源为减速机，减速机通过链轮链条将动力传动给通轴。通轴上与每根挑料梁对应位置均配有一个链轮，与挑料梁链轮组成二级传动。挑料梁主动轮与从动轮、输送带共同组成了输送机构对型材进行横向输送，挑料装置如图1所示。
冷床系统在运料过程中，电机克服毛毡带与铝梁之间的摩擦力做功。所以负载功率可根据负载摩擦力与速度来确定。
以27.5 MN冷床系统出料挑料为例选择减速机电机功率。出料挑料每次仅运送一根物料，每根物料运料重90 kg。毛毡带与铝的摩擦系数为0.22，运料速度定为0.28 m/s。电机计算功率为：P=K×P0/η，负载功率P0=Fv/1000，摩擦阻力F=μmg，链轮传递效率0.96，平带传递效率0.98，则总效率η=0.903，工况系数K=1.6。经过计算，电机功率为0.096 kW。以上为标准减速机选型方法。但是根据此方式选择的减速机电机功率均不足，电机无法启动。分析其原因，从设备结构上着手，冷床长度一般为20 ～50 m，通轴的长度同样达到20 ～50 m，需要由数根轴组合在一起。这样就会出现轴与轴之间不同轴的问题，在整个40 m长度上也会出现直线度偏差过大等问题，导致系统阻加大，耗费电机较多功率。尤其对于小机台，该功率所占比例相当大。因此需要额外增加一个负载功率来保证设备的运转。该功率大小的确定十分困难，无法从计算上获取。因此通过对现场正在使用27.5 MN电机电流进行监测，通过现场实际功率与计算功率进行对比，确定此参数的选择。监测数据见表1。
测试说明：测试时储料平臺带料2根，锯前辊道挑料带料3根，每根铝型材为137 kg，锯后辊道挑料型材定尺长6 m，带料3根物料，重59.3 kg。
根据电流计算电机输出功率：，结果见表2，按理论计算公式计算电机功率见表3。
根据以上对比可发现，设备本身的所耗费的功率远远要大于理论计算值。尤其小机台非常明显。而对于75 MN以上的大机台所占比例较小。所以此数据不能单纯用系数来确定。对于75 MN以下小机台，在减速机选型时功率应在计算功率基础上增加2～4 kW功率来选择。而对于大机台，可以在计算功率的基础上乘2.5～4倍的系数。而此数与零部件制作，现场安装等关系很大，可通过安装调整来略降低功率，但无法完全避免。
2 电机布局结构的优化
在以往常规设计中，电机的布局结构并没有经过详细研究，全部设计为均匀布置，以求美观、受力均匀。但是这样布置并不合理。当处在最大米重时，型材最短，受力集中于前端，此时轴处在最大负载阶段。在此种情况下以55 MN冷床为例对通轴进行分析（此分析过程不考虑前面论述需额外增加的功率）。
已知原料棒每根440 kg，型材最大米重50 kg/m。米重最大时型材长8.8 m，冷床最多可运送15根型材。设计最终运料速度为0.34 m/s。挤压后型材长度，一共3台减速机带动，第一台减速机距前端10 m，每台减速机间距18 m。电机布置见图2a）。
按前面方法计算负载功率P=5.32 kW。一共有3台减速机带动，所以每台减速机输出功率为：P=1.77 kW。减速机速度 26 r/min，减速机链轮齿数Z1=23，通轴链轮齿数Z2=21，则通轴速度r=28.48 r/min。负载扭矩T=9550×P/n=1785 N·m，每个链轮处扭矩T=595 N·m。简化模型，分析轴扭矩分布，利用截面法分析A-A、B-B、C-C截面扭矩，三個截面分别为电机链轮前端。A-A扭矩M=1785 N·m，B-B扭矩M=1785-595=1190 N·m，C-C扭矩M=1190-595=595 N·m，如图3所示。
计算弯矩，弯矩与链轮两侧轴承位置有关，两侧带座轴承间距l=0.406 m，与两端轴承座距离分别为a=0.132 m，b=0.274 m。链子型号10A-2-78，节距P1=15.875，按下列式计算弯矩：
优化电机位置，将电机向前移动，第一个电机放在物料中间，见图2b），在三处减速机位置分别取剖面，减速机右侧轴负载为总负载的一半。那么利用截面法重新分析，电机输出扭矩不变，截面前端负载为原负载一半，A-A截面M=892.5 N·m，B-B截面M=1785-595=1190 N·m，C-C截面M=1190-595=595 N·m。见图3优化后扭矩，可见最大扭矩出现在B-B截面，扭矩值为1190 N。弯矩不变，根据计算前面公式计算轴直径d≈61 mm，由于轴上有键槽，直径需增加5%，轴直径至少为d=64 mm，由上面计算，可见电机的位置如果处在物料中间物料，那么最大危险截面转为第二处电机前，最大扭矩值将下降。
3 结论
在挤压机冷床系统设计中，对于减速机电机功率的选择不能仅根据一般设计计算确定，而应该根据设备长度，机台的大小额外增加一部分负载功率，如果机台较小，该功率不能按负载的几倍确定，而应直接增加2～3 kW。因为小机台负载功率较小。而大机台可适当提高倍数来确定电机功率。对于减速机的布局结构，可以进行优化。合理的位置可以降低轴内力，降低峰值扭矩。在同等的安全系数下，可适当缩减轴直径。
参考文献
[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2017.
[2] 吴锡坤.铝型材加工实用技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.
[3] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2016.
[4] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2019.
[5] 韩文树，胡骏鹤.方坯连铸机冷床液压系统故障分析与处理[J].江西冶金，2015，35（3）：23-25.
[6] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.[M].北京：北京高等教育出版社，2013.
[7] 濮良贵.陈国定.吴立言.机械设计[M].北京：北京高等教育出版社，2013.
[8] 陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2016.
[9] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2016.
[10] 魏军.金属挤压机[M].北京：化学工业出版社，2005.
[关键词]冷床系统;电机功率;参数确定;布局结构
[中图分类号]TP273; TP393 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02
[Abstract]The structure of cooling bed system in aluminum extrusion production line is relatively simple， and the key points such as motor selection are often ignored. By tracking the use of the motor in the cooling bed system and combining with the theoretical design， reasonable suggestions are given for the selection of parameters in the motor selection. At the same time， in the structural design， through optimizing the motor layout structure to reduce the diameter of the shaft， so as to achieve the effect of reducing the cost.
[Keywords]cooling bed system; Motor power; Parameter determination; layout structure
铝型材挤压生产线主要由挤压前处理设备、挤压机以及挤压机后部辅助设备组成。挤压机挤出型材，经过运输系统运送至其他设备进行加工。此装置因兼有运输与冷却的作用，通常称为冷床系统。冷床系统中横向运输装置称之为挑料。运输方式主要为输送带输送。冷床系统分为出料辊道挑料、冷床平台、过桥装置、储料冷床、锯前辊道挑料和锯后辊道挑料。本文通过监测现场工作中的电机参数，并与理论设计结果进行对比，确定电机功率参数。同时通过优化设计结构来降低设备成本，提高效益。
1 减速机电机功率的确定
冷床系统动力源为减速机，减速机通过链轮链条将动力传动给通轴。通轴上与每根挑料梁对应位置均配有一个链轮，与挑料梁链轮组成二级传动。挑料梁主动轮与从动轮、输送带共同组成了输送机构对型材进行横向输送，挑料装置如图1所示。
冷床系统在运料过程中，电机克服毛毡带与铝梁之间的摩擦力做功。所以负载功率可根据负载摩擦力与速度来确定。
以27.5 MN冷床系统出料挑料为例选择减速机电机功率。出料挑料每次仅运送一根物料，每根物料运料重90 kg。毛毡带与铝的摩擦系数为0.22，运料速度定为0.28 m/s。电机计算功率为：P=K×P0/η，负载功率P0=Fv/1000，摩擦阻力F=μmg，链轮传递效率0.96，平带传递效率0.98，则总效率η=0.903，工况系数K=1.6。经过计算，电机功率为0.096 kW。以上为标准减速机选型方法。但是根据此方式选择的减速机电机功率均不足，电机无法启动。分析其原因，从设备结构上着手，冷床长度一般为20 ～50 m，通轴的长度同样达到20 ～50 m，需要由数根轴组合在一起。这样就会出现轴与轴之间不同轴的问题，在整个40 m长度上也会出现直线度偏差过大等问题，导致系统阻加大，耗费电机较多功率。尤其对于小机台，该功率所占比例相当大。因此需要额外增加一个负载功率来保证设备的运转。该功率大小的确定十分困难，无法从计算上获取。因此通过对现场正在使用27.5 MN电机电流进行监测，通过现场实际功率与计算功率进行对比，确定此参数的选择。监测数据见表1。
测试说明：测试时储料平臺带料2根，锯前辊道挑料带料3根，每根铝型材为137 kg，锯后辊道挑料型材定尺长6 m，带料3根物料，重59.3 kg。
根据电流计算电机输出功率：，结果见表2，按理论计算公式计算电机功率见表3。
根据以上对比可发现，设备本身的所耗费的功率远远要大于理论计算值。尤其小机台非常明显。而对于75 MN以上的大机台所占比例较小。所以此数据不能单纯用系数来确定。对于75 MN以下小机台，在减速机选型时功率应在计算功率基础上增加2～4 kW功率来选择。而对于大机台，可以在计算功率的基础上乘2.5～4倍的系数。而此数与零部件制作，现场安装等关系很大，可通过安装调整来略降低功率，但无法完全避免。
2 电机布局结构的优化
在以往常规设计中，电机的布局结构并没有经过详细研究，全部设计为均匀布置，以求美观、受力均匀。但是这样布置并不合理。当处在最大米重时，型材最短，受力集中于前端，此时轴处在最大负载阶段。在此种情况下以55 MN冷床为例对通轴进行分析（此分析过程不考虑前面论述需额外增加的功率）。
已知原料棒每根440 kg，型材最大米重50 kg/m。米重最大时型材长8.8 m，冷床最多可运送15根型材。设计最终运料速度为0.34 m/s。挤压后型材长度，一共3台减速机带动，第一台减速机距前端10 m，每台减速机间距18 m。电机布置见图2a）。
按前面方法计算负载功率P=5.32 kW。一共有3台减速机带动，所以每台减速机输出功率为：P=1.77 kW。减速机速度 26 r/min，减速机链轮齿数Z1=23，通轴链轮齿数Z2=21，则通轴速度r=28.48 r/min。负载扭矩T=9550×P/n=1785 N·m，每个链轮处扭矩T=595 N·m。简化模型，分析轴扭矩分布，利用截面法分析A-A、B-B、C-C截面扭矩，三個截面分别为电机链轮前端。A-A扭矩M=1785 N·m，B-B扭矩M=1785-595=1190 N·m，C-C扭矩M=1190-595=595 N·m，如图3所示。
计算弯矩，弯矩与链轮两侧轴承位置有关，两侧带座轴承间距l=0.406 m，与两端轴承座距离分别为a=0.132 m，b=0.274 m。链子型号10A-2-78，节距P1=15.875，按下列式计算弯矩：
优化电机位置，将电机向前移动，第一个电机放在物料中间，见图2b），在三处减速机位置分别取剖面，减速机右侧轴负载为总负载的一半。那么利用截面法重新分析，电机输出扭矩不变，截面前端负载为原负载一半，A-A截面M=892.5 N·m，B-B截面M=1785-595=1190 N·m，C-C截面M=1190-595=595 N·m。见图3优化后扭矩，可见最大扭矩出现在B-B截面，扭矩值为1190 N。弯矩不变，根据计算前面公式计算轴直径d≈61 mm，由于轴上有键槽，直径需增加5%，轴直径至少为d=64 mm，由上面计算，可见电机的位置如果处在物料中间物料，那么最大危险截面转为第二处电机前，最大扭矩值将下降。
3 结论
在挤压机冷床系统设计中，对于减速机电机功率的选择不能仅根据一般设计计算确定，而应该根据设备长度，机台的大小额外增加一部分负载功率，如果机台较小，该功率不能按负载的几倍确定，而应直接增加2～3 kW。因为小机台负载功率较小。而大机台可适当提高倍数来确定电机功率。对于减速机的布局结构，可以进行优化。合理的位置可以降低轴内力，降低峰值扭矩。在同等的安全系数下，可适当缩减轴直径。
参考文献
[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2017.
[2] 吴锡坤.铝型材加工实用技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.
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[5] 韩文树，胡骏鹤.方坯连铸机冷床液压系统故障分析与处理[J].江西冶金，2015，35（3）：23-25.
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[9] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2016.
[10] 魏军.金属挤压机[M].北京：化学工业出版社，2005.