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谈棒材倍尺飞剪曲轴改造实践

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摘要:介绍将柳钢棒材生产线倍尺飞剪曲轴结构形式由整体式改为分体式的实践及其效果。

关键词:棒材生产线;倍尺飞剪;曲轴;分体式

1问题的提出

棒材倍尺飞剪位于18号机列与冷床之间,主要负责连轧线材产品倍尺分段剪切,该设备制作、使用精度要求较高,是生产线的关键设备,一旦故障,需整线停机进行抢修。柳钢一二三棒材生产线倍尺飞剪多次发生整体式曲轴断裂故障,断裂处主要发生在曲柄处和曲柄与轴连接处(见图1a),每次故障即使是采用最节约时间整体更换方法处理,也要停机8h左右。而整体式曲轴又有制作周期长、费用高等特点,从生产稳定性、备件采购、成本消耗等方面考虑都有改造的必要。为此,棒线型材厂组织实施改造,本文进行总结。

2分析与改进

2.1原因分析随着棒材生产产品性能不断升级,倍尺飞剪负荷已达极限,在飞剪相对薄弱的部位易出现故障。根据飞剪的结构和使用情况,曲轴是受力最大的部位,同时也是发生问题最频繁的部位,为减少投资节约成本,对原设备曲轴结构形式进行改造,使其制作简易、周期缩短、减少故障满足生产需求。

2.2优化方案原整体式的曲轴,其制作难点有:(1)制作一根整体式曲轴需要用到长1100mm×250mm×460mm的锻件,这种大型的锻件采购困难、价格昂贵;(2)由于曲轴是偏心的,加工困难,加工周期长。将整体式曲轴改造为分体式装配形式的曲轴(见图1b),坯料材料易采购且价格便宜,节约了备件的采购周期及成本;分体式曲轴是通过曲柄和轴两个部件装配而成,只需要对两个部件分别加工,不存在偏心问题,加工简便,缩短了加工周期。因此,曲轴的制作周期由原来至少3个月降低至1个月。

2.3设计与实施2.3.1设计分体式曲轴采用42CrMo圆钢和锻件制作,由曲柄和轴装配而成。将轴与曲柄配合部分尺寸改为Φ160mm,其它部位按照原设计尺寸制作。曲柄需要与轴装配,按原尺寸孔壁太薄,装配会导致孔壁胀裂,因此需要加宽曲柄;按原尺寸,曲柄与轴装配接触面太少,承载能力不足,需要加厚曲柄,增加曲柄与轴的结合面。曲柄宽度由原设计的230mm增加至290mm,厚度由原设计的85mm增加至105mm。原设计曲柄刀头采用稀油润滑,轴和曲柄中布有油孔,这些稀油孔降低了曲轴的强度,改造成分体式后,稀油润滑改为干油润滑,取消了轴和曲柄中的油孔,增加了曲轴的强度,曲柄上易断裂区域得到解决。曲柄加大以后,曲轴的转动惯量变大,飞剪的剪切力相应增加,提高了飞剪的承载能力。由于倍尺飞剪装配要求精度高,所以采用双键定位,键与键槽的配合要求过盈配合,过盈量:0.03~0.05mm;轴与曲柄孔亦采用过盈配合。过盈量:0.12~0.15mm。2.3.2校核轧制规格大小不同,剪切形式不同,分为曲柄剪和回转剪,需对两种剪切方式进行校核。(1)使用曲柄剪的受力分析。使用曲柄剪剪切最大的轧件直径为Φ42mm,使用曲柄剪时,刀片近似垂直于轧件,曲轴在剪切时没有受到轴向力,所以曲轴受到的力即为剪切Φ42mm轧件时的力,剪切Φ42mm轧件所需要的力按式(1)计算:F=K1•K2•(1+σ5)•σb•S(1)[1,2],其中S为断面面积,mm2;σb为屈服强度,MPa;σ5为伸长率,%;K1为影响剪切力的系数;K2为抗剪与抗拉强度的比例系数;T为剪切温度,℃。经计算,剪切Φ42mm轧件所需要的力F曲为110673N。根据曲柄剪的受力分析,曲轴的受力方向垂直于轧件,且主要集中在轴与曲柄结合处的位置,该处轴径为Φ160mm,抗剪能力F抗=13082000N,远远大于轧件的抗剪切力,因此曲轴能够满足剪切Φ42mm轧件的要求。(42CrMo的屈服强度为930MPa[3])(2)使用回转剪的受力分析。使用回转剪剪切轧件的最大直径为Φ28mm,使用回转剪时,曲轴的受力主要来自轧件的剪切抗力,剪切抗力主要来源于剪刃切入轧件时受到的阻力,受力分析如图3。由式1计算,剪切Φ28mm轧件时的剪切力F回为30955N,刀片刃口到曲柄孔中心的距离为L=0.456m,所以曲轴所受力矩T为14115N•m。为保证分体式曲轴能承受力矩T,需要曲柄和轴配合的最小过盈量为:δemin=Pfmindf(Ca/Ea+Ci/Ei)(2),传递载荷所需最小结合压力为:Pfmin=[Fx2+(2T/df)2]1/2/(π•df•Lf•f)(3),其中di、da被包容件内径和包容件外径;Ea、μa为包容件材料的弹性模量和泊松比;Ei、μi为被包容件材料的弹性模量和泊松比;Fx、Tx为联接承受的轴向力和力矩;Lf、df———结合长度和结合直径;f为摩擦系数。装配形式曲轴曲柄和轴的材质都为42CrMo,根据式2、3计算,曲柄和轴配合的最小过盈量为:Pfmin=29MPa,δemin=0.09mm。过盈配合,还应保证包容件与被包容件不发生塑性变形。包容件与被包容件不发生塑性变形的最大结合压力见式4、5:Pfamax=σb(1-qa2)/(3+qa2)1/2(4),Pfimax=σb(1-qi2)/2(5)。因被包容件为实心轴,所以只考虑包容件曲柄是否会发生变形。因此,可以得到包容件不发生塑性变形的最大有效过盈量见式4:δe-max=Pfmaxdf(Ca/Ea+Ci/Ei)(6)。根据式4、6可以得到δemax=0.61mm[4]。通过校验,曲柄和轴配合的过盈量为0.12~0.15mm时,曲柄不会发生塑性变形,曲轴可以承载剪切最大规格Φ28mm的轧件。2.3.3装配轴和曲柄的装配考虑2个方案:方案1:热装,加热曲柄,通过热胀达到间隙配合;方案2:冷却轴,通过冷缩达到间隙配合。第一次装配时采用方案1加热曲柄装配,由于曲柄外形尺寸不规则,装配完成后,曲柄散热不均匀,导致出现裂纹,所以方案1不可行。方案2冷却轴,轴是规则的,所以不存在散热不均匀的现象,所以方案2更优,选择方案2。(1)冷冻温度的确定:T=T0-(σ+b)/(a•d)(7),式中:T0为室温,28℃;σ为最大过盈量,取曲柄与轴的最大过盈量0.15mm;b为冷冻时需要的间隙,一般取配合直径的0.05%~0.10%;d为被包容件外径,160mm;a为零件线膨胀系数,42CrMo线膨胀系数为11.2×10-6℃-1。经计算,T=-173℃。因此选用液氮作为冷却剂,液氮温度为-196℃。(2)冷却时间的确定:h=k•δ+(6~8)min(8),式中:k为同材料有关的综合系数;δ为被冷冻件的特征尺寸,即零件的最大断面半径或壁厚尺寸,mm。经计算,h=104min,即轴需要在液氮中冷却104分钟后才能进行装配。

3结语

分体式曲轴已经完成设计制作,目前已投入使用,解决了整体式曲轴备件紧缺导致可能停产的问题。改造以后,曲轴的制作周期缩短,解决了备件紧缺的难题;曲轴制作设备要求降低,采购曲轴的成本随之降低;曲轴承载能力的提高,使用寿命也得到了提高,解决曲轴备件的难题,提高了作业率。

参考文献

1连家创.平行刃剪切机剪切力的计算及实验研究.重型机械,1973年,Z1:65~73

2赵海花.400MPa和500MPa级钢筋高温下力学性能的试验研究:[学位论文].青岛:青岛理工大学,2008

3成大先.机械设计手册第三篇.北京:化学工业出版社,2010.284俞汉清.过盈配合的计算和选择.电工技术杂志,1987,04:28~33

作者:龚展斌 张志鹏 单位:棒线型材厂

柳钢科技杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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