趙占偉,祝海容
(浙江龍盛薄板有限公司,浙江紹興 312369)
開卷機是熱軋、冷軋鋼鐵廠酸洗、軋鋼、平整、重卷等生產(chǎn)線不可缺少的重要設(shè)備,一般布置在生產(chǎn)線的入口部分,其設(shè)備功能是同開頭機一起完成開頭、開卷喂料工序,在生產(chǎn)過程中對帶材產(chǎn)生工藝所需的張力,并可進行帶材對中使帶鋼寬度中心線與機組中心線保持重合。開卷機一般由卷筒、本體、底座、對中裝置、傳動裝置、壓輥、活動支承等主要部件組成。
開卷機卷筒由四塊扇形板,棱錐形導(dǎo)向套、卷筒軸、拉桿、漲縮油缸等組成。卷板料經(jīng)小車上到卷筒工作位后,漲縮油缸拉動拉桿,拉桿帶動卷筒軸外的棱錐形導(dǎo)向套移動,導(dǎo)向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產(chǎn)生相對滑動,從而實現(xiàn)扇形板漲徑,將鋼卷內(nèi)圈漲緊,卷板料固定于開卷機扇形板上,鋼帶通過后續(xù)一系列設(shè)備如開卷導(dǎo)板、夾送輥、五輥校直機等將卷板料開成平直的鋼板。
如圖1所示,鋼卷上到卷筒后,漲縮油缸1動作,拉動拉桿2,拉桿帶動卷筒軸3外的棱錐形導(dǎo)向套4沿軸向移動,導(dǎo)向套上五只帶有坡度的斜楔與扇形板上的斜楔產(chǎn)生相對滑動,從而實現(xiàn)扇形板漲徑,整個卷筒漲縮徑過程中,導(dǎo)向套在卷筒軸上沿軸向往復(fù)滑動,導(dǎo)向套和卷筒軸之間有對稱分布的兩根通長的鍵,目的是限制導(dǎo)向套和卷筒軸產(chǎn)生周向滑動。
圖1 開卷機卷筒結(jié)構(gòu)
每隔半年左右,開卷機卷筒部分就需要整體拆解,清理內(nèi)部磨損的鐵屑及一些其它雜質(zhì),檢查卷筒軸與相配合的棱錐形導(dǎo)向套磨損情況,磨損如果超出圖紙公差范圍,就需要將芯軸外圈與導(dǎo)向套內(nèi)部重新修磨,磨損部份用鍍鉻方法將其補充回原始公差。當(dāng)兩者磨損程度比較大時,還需要先堆焊,再作修磨,堆焊過程中產(chǎn)生的熱變形會影響卷筒軸的平直度,如果長時間的堆焊會導(dǎo)致卷筒軸變形而無法使用,即使卷筒軸堆焊后不產(chǎn)生變形,因?qū)蛱椎哪p會導(dǎo)致導(dǎo)向套內(nèi)徑變大,此時雖然加堆焊加粗芯軸可以彌補這一點,但是如果廠內(nèi)有幾臺開卷機時,導(dǎo)向套的通用性會受到限制,必須給每臺開卷機都準(zhǔn)備好一套相應(yīng)的備件,增大了備件的資金占用量。且以上處理問題的兩種方法周期都比較長,一般都在半個月左右,當(dāng)備件只有一套時,很難周轉(zhuǎn)。另外需考慮一種更加嚴(yán)重的情況,如果磨損嚴(yán)重可能會導(dǎo)致粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生,此時如需拆解卷筒,卷筒軸表面及導(dǎo)向套內(nèi)部會發(fā)生大面積的金屬拉毛現(xiàn)象,拆解變得十分困難,卷筒軸表面和導(dǎo)向套內(nèi)部會有大塊的金屬粘結(jié)掉下,重新修整卷筒軸及導(dǎo)向套的代價相當(dāng)大。
針對原設(shè)計卷筒結(jié)構(gòu)存在的問題,究其原因,主要是由于卷筒漲縮徑過程中,導(dǎo)向套在卷筒軸上往復(fù)滑動,導(dǎo)向套內(nèi)孔設(shè)計尺寸為Φ 3300.140,卷筒軸外徑設(shè)計尺寸為 Φ 330-0.06-0.20,其配合間隙范圍為 0.06 ~0.34 mm,且卷筒軸圖紙要求熱處理硬度為HB=286~321,導(dǎo)向套熱處理硬度為HB=241~286,雖然從數(shù)據(jù)上分析兩種部件的硬度沒有交叉重疊部分,但當(dāng)兩者熱處理硬度相差小于50 HB時,極易發(fā)生金屬間的互相滲透,從而導(dǎo)致粘結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生,脫落的金屬顆粒加劇磨損速度,甚至研死。
(1)改進方案 把磨損的導(dǎo)向套拆解,通過對其頭、尾兩端特殊加工,將其內(nèi)孔尺寸同比例放大,然后在導(dǎo)向套兩端鑲嵌上兩只厚銅套,厚銅套具體尺寸及強度核算如下:
鋼卷上到卷筒后,卷筒漲徑,漲緊力全部承受于導(dǎo)向套,對內(nèi)部銅套而言,承受的力為一個鋼卷、滑套及四個扇形板的總重力,鋼卷設(shè)計大綱最重為32 t,導(dǎo)向套為 0.36 t,四塊扇形板總重為 2.032 t,所以銅套承受的最大總重力為34.392 t。當(dāng)開卷機投入工作做周向旋轉(zhuǎn)時,需要承受一個帶鋼的張緊力,此張緊力一般都在7 t以下,卷筒軸上的鍵與銅套之間承受此7噸張力作用。所以設(shè)計銅套尺寸時,需滿足兩個力學(xué)條件,一是銅套在承受最大重力時的接觸應(yīng)力需小于銅套的屈服強度,二是開卷機旋轉(zhuǎn)時,在最大張力7噸作用下,銅套和鍵的接觸應(yīng)力需小于銅套的屈服應(yīng)力。只要滿足以上條件,即可保證銅套內(nèi)壁不被壓潰。
原設(shè)計導(dǎo)向套內(nèi)壁材料為16 Mn,整個內(nèi)壁與卷筒軸接觸,現(xiàn)改為內(nèi)鑲式銅套,所選材料為鉛青銅ZCuPb10Sn10,其潤滑性能、耐磨性能和耐蝕性能好,屈服強度為σs:≥140(MPa)。當(dāng)開卷機卷筒承受最大卷重時,卷筒兩端銅套承受的力為:F=(32+0.36+2.032)×1000×10(N),銅套不被壓潰時的臨界接觸面積可由公式S=F/P算出,其中P取鉛青銅的屈服強度,則臨界接觸面積為:S=F/P=343920/140 mm2=2456.6 mm2,重力作用方向豎直向下,所以只有銅套內(nèi)壁整個面積的一半承受,所以兩個銅套內(nèi)壁總面積為最小應(yīng)為 2456.6 ×2=4931.2 mm2,銅套內(nèi)孔直徑基本尺寸和卷筒軸一樣為330 mm,則每個銅套最小寬度為:,由此可以看出單個銅套的寬度只要大于2.4 mm即可滿足最大承載力。
當(dāng)開卷機旋轉(zhuǎn)時,卷筒軸上的鍵與銅套之間承受最大張力為7噸,此時銅套和鍵的最小安全接觸面積為:S=F/P=7 ×10000/140(mm2)=500 mm2,卷筒軸上原來的兩根鍵對稱分布,考慮到節(jié)省成本和檢修效率等多方面原因,仍利用原來的鍵,鍵與銅套的接觸高度為18.15 mm,則鍵與銅套的最小接觸長度為:500/18.15 mm=27.55 mm。兩個銅套與鍵有四個等面積的接觸部位,可以算出單個銅套最小寬度為27.55/4約為7 mm。
圖2 銅套加工尺寸及裝配圖
根據(jù)以上計算,理論上講銅套寬度只要大于7 mm,即可滿足力學(xué)條件,但理論與實際總是存在偏差的,并且考慮到加工和安裝方便以及耐磨和公差配合等諸多因素,我們將安全系數(shù)設(shè)置足夠大,將單個銅套寬度設(shè)計為200 mm,壁厚為15 mm,配合公差參照原設(shè)計尺寸,如圖2所示,銅套內(nèi)外尖角倒鈍,方便裝配,為延長使用壽命及日后維護方便,銅套內(nèi)壁增加潤滑油溝槽。
(2)方案實施 將已經(jīng)磨損的導(dǎo)向套拆解,然后先把整個導(dǎo)向套上車床內(nèi)孔加工一刀,單面加工量為1~2 mm,目的是裝配銅套后導(dǎo)向套內(nèi)壁不與芯軸接觸,加工量不宜過大,大則影響導(dǎo)向套強度,也不宜過小,過小,磨損脫落的細(xì)小顆粒容易研傷接觸面,再將導(dǎo)向套兩頭加工至圖1所示尺寸,在加工導(dǎo)向套兩端的軸向溝槽時,需上插床加工,上插床之前,事先須加工好退刀槽,加工退刀槽時可考慮上銑床局部加工,避免上車床加工一個整圓退刀槽,以致影響導(dǎo)向套的整體強度;然后加工厚壁銅管,因成品銅套相對較薄,并且為不規(guī)則外形尺寸,可先上車床加工內(nèi)圓,內(nèi)圓按圖紙尺寸加工完畢后,余下工序全部上線切割加工,因線切割加工時,工件受力很小,這樣可以保證加工合格率。
把磨損過的卷筒軸打磨光滑,再將加工好的部件打磨去毛刺后,復(fù)測核實尺寸,尺寸確認(rèn)無誤后涂抹潤滑油脂開始裝配工序。先將兩只銅套裝入到導(dǎo)向套內(nèi),然后測量銅套內(nèi)圓尺寸,檢查裝配過程中是否出現(xiàn)變形,如出現(xiàn)變形局部尺寸超差,則需要修磨修正內(nèi)圓精度,保證銅套內(nèi)壁和卷筒軸軸接觸均勻,以便卷筒漲徑時,銅套和卷筒軸滑動均勻無卡阻。所有部件裝配完畢后,無負(fù)載反復(fù)動作幾次,最后上鋼卷試車。
(3)試驗應(yīng)用效果 改進后的設(shè)備經(jīng)過生產(chǎn)實踐檢驗證明該思路是正確的,卷筒軸硬度為HB=286~321,而鉛青銅硬度為HB=70,使用過程中保護制造成本較高的卷筒軸不受磨損,只需定期更換成本較低的銅套即可,設(shè)備運行過程中磨損脫落的金屬顆粒容易收集在兩個銅套間的1~2 mm的空腔內(nèi),并且空腔內(nèi)存有潤滑油脂,能有效減緩銅套的磨損速度、延長銅套使用壽命,避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的滑套發(fā)生研死的設(shè)備故障,大大減少了設(shè)備維護工作量。
開卷機在金屬加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛,改進之前也參觀了同行企業(yè),發(fā)現(xiàn)存在同樣的問題,嚴(yán)重制約了產(chǎn)量,增加了維修難度。改進后該設(shè)備一直運行安全可靠,維護簡單,檢修方便,大幅提高了設(shè)備使用壽命,故障率幾乎為零,增加了作業(yè)時間,提高了產(chǎn)量,達(dá)到了預(yù)期目的。
[1] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.