開卷機(jī)卷筒銅楔塊不良問題及對(duì)策分析①

董春光

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司， 江蘇 常州　213019)

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開卷機(jī)卷筒銅楔塊不良問題及對(duì)策分析①

董春光

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司， 江蘇 常州213019)

闡述了開卷機(jī)卷筒銅楔塊的設(shè)計(jì)、使用中出現(xiàn)的問題及其解決措施，同時(shí)研究了具體的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。建立了上述主要參數(shù)的計(jì)算模型，為開卷機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)和控制提供了理論基礎(chǔ)。

開卷機(jī)； 卷筒； 銅楔塊； 斷裂故障

引　言

銅楔塊是開卷機(jī)卷筒的重要機(jī)械零件，開卷機(jī)的性能能否正常發(fā)揮主要取決于卷筒的開卷能力，銅楔塊的質(zhì)量保證是卷筒正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，對(duì)于卷筒的承載能力和使用壽命起著重要作用。銅楔塊的使用壽命受到設(shè)計(jì)、計(jì)算、潤滑、使用和零件制造等較多因素影響。

1　銅楔塊故障現(xiàn)象

銅楔塊的制造質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用方法直接影響卷筒的性能，若某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，會(huì)造成開卷機(jī)故障。

常州寶菱重工機(jī)械有限公司為國內(nèi)某大型鋼鐵公司提供了多條連退機(jī)組開卷機(jī)，有幾臺(tái)開卷機(jī)卷筒的銅楔塊頭部發(fā)生斷裂故障。斷裂圖片如圖1所示，銅楔塊外形如圖2所示。

經(jīng)過分析，在正常設(shè)計(jì)和使用條件下，該零件的使用壽命較長；而發(fā)生故障的零件使用壽命較短，且失效形式都是斷裂，說明問題一定存在于設(shè)計(jì)、潤滑、使用和零件制造等環(huán)節(jié)中。

圖1　斷裂形狀

圖2　銅楔塊外形

2　故障分析

2.1設(shè)計(jì)輸入條件

2.1.1零件參數(shù)

材料為ZCuAl10Ni6Fe5，化學(xué)成分如表1所示；抗拉強(qiáng)度>600 MPa，屈服強(qiáng)度>250 MPa，脈動(dòng)疲勞彎曲極限304 MPa，循環(huán)彎曲疲勞極限183 MPa，疲勞特性曲線如圖3所示，彈性模量E=10300 kg/mm2。

表1　銅楔塊化學(xué)成分表

2.1.2設(shè)備相關(guān)參數(shù)

馬達(dá)：400 kW，435/1800 r/min；速比：i=4.1；開卷張力：T=36 kN;鋼卷外徑：D= 2100 mm;旋轉(zhuǎn)油缸規(guī)格：Φ250 mm×(115～175) mm ;旋轉(zhuǎn)油缸油壓：P=140 kg/cm2;銅楔塊摩擦系數(shù)：μ=0.1(正常時(shí)),μ=0.15(異常時(shí))；鋼板與卷筒摩擦系數(shù)：μ1=0.2(正常時(shí))；斜楔角度：α=10°；卷筒結(jié)構(gòu)外形圖：如圖4所示；銅楔塊受力模型：如圖5所示，得出油缸力、斜楔角度和徑向力的關(guān)系；銅楔塊頭部受力情況：如圖6所示。

圖3　青銅疲勞特性曲線

2.2計(jì)算分析

在最大開卷張力、最大鋼卷直徑條件下，必須的油缸拉力Fb=Fr×tan(2ρ+λ)=40000 kg，旋轉(zhuǎn)油缸可提供最大拉力F=π(D2-d2)/4×P=54180 kg>40000 kg，油缸拉力滿足開卷要求。在油缸最大拉力時(shí)形成的卷筒徑向壓力Fr=F/tan(2ρ+λ)=138102 kg，正常情況下卷筒縮小時(shí)必須的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=3426 kg(取μ=0.1正常時(shí))，此時(shí)每塊斜楔勾頭承受力Fg=T/4×1.4(沖擊系數(shù))=1199 kg；異常情況下卷筒縮小時(shí)必須的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=17107 kg(取μ=0.15異常時(shí))，此時(shí)每塊斜楔勾頭承受力Fg=T/4×1.4(沖擊系數(shù))=5987 kg，卷筒脹開時(shí)端部哈夫環(huán)可提供推力Fh=螺栓預(yù)緊力×0.3=1155 kg。由此，銅楔塊頭部受油缸力及打開自鎖條件比較清楚。

圖4　卷筒結(jié)構(gòu)外形圖

圖5　銅楔塊受力模型

圖6　楔塊頭部受力

其中P=W×1375/2625×Kf=34000×1375/2625×1.35=24043kg(如圖9所示)；

L=461 mm，F(xiàn)=54180 kg，S=167 mm，O=334 mm。

圖7　軸套配合間隙

圖8　軸套受力模型

圖9　外支撐受力分析

圖10　軸套受力分析

2.3有限元分析

正常情況下，楔塊頭部受拉，Simulation分析情況如圖11，12所示。應(yīng)力情況，根部達(dá)到103 MPa，安全系數(shù)183/103=1.8。X方向頭部最大變形0.038 mm。

圖11　正常情況下楔塊應(yīng)力

圖12　正常情況下楔塊變形

異常情況下，斜楔勾頭受拉，Simulation分析情況如圖13，14所示。應(yīng)力情況，根部達(dá)到492 MPa，大概壽命131968次(脈動(dòng))，1379次(對(duì)稱循環(huán))。X方向勾頭部最大變形0.17 mm，在寬度方向上的變形分布情況如圖15所示。

圖13　異常情況下楔塊應(yīng)力

圖14　異常情況下楔塊變形

2.4實(shí)物分析

從楔塊斷裂實(shí)物上取三組試樣，取樣位置如圖16所示，進(jìn)行機(jī)械性能分析，報(bào)告如圖17所示。實(shí)物的機(jī)械性能與設(shè)計(jì)要求有一定差距。

圖15　寬度方向的變形情況

圖16　斷裂實(shí)物取樣位置

3　原因分析和對(duì)策措施

從材料的符合性方面來看，實(shí)際所用材料從化學(xué)成分到機(jī)械性能未能滿足設(shè)計(jì)要求，需要在今后的制作過程中引起足夠重視。

從設(shè)計(jì)角度分析，雖然正常情況下使用沒有問題，但當(dāng)滑動(dòng)面潤滑異常，頭部的哈夫環(huán)對(duì)楔塊頭部受力引起對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，負(fù)載縮徑時(shí)頭部易斷裂；扇形板交錯(cuò)齒處若有垃圾存在，會(huì)阻礙縮徑，也會(huì)引起斜楔頭部斷裂；軸套間隙偏大，使頭部外支撐力作用在楔塊頭部也易使楔塊斷裂。楔塊頭部R2圓角設(shè)計(jì)得偏小，應(yīng)力集中效果明顯。

編號(hào)工令號(hào)產(chǎn)品名稱及圖號(hào)屈服強(qiáng)度(ReL)MPa抗拉強(qiáng)度(Rm)MPa規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(Rp)斷后伸長率(A)斷面收縮率(Z)%AKJ第1個(gè)20620111斜契塊2223199746022513第2個(gè)20620111斜契塊2223199749522016.5第3個(gè)20620111斜契塊2223199751523018

圖17　試樣分析情況

改進(jìn)措施有：加強(qiáng)楔塊材料及尺寸方面驗(yàn)收時(shí)的符合性檢查，增加超聲波探傷；改善楔塊潤滑條件，確保按時(shí)加注潤滑脂；減小軸套與軸的配合間隙，避免外支撐力直接作用在楔塊上；適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)油缸無桿腔油壓；適當(dāng)增大有桿腔油壓，避免外支撐力對(duì)楔塊頭部形成的負(fù)載縮徑力；盡量避免負(fù)載狀態(tài)下的縮徑；合理安裝哈夫環(huán)，保證其與楔塊間隙>0.2 mm，避免循環(huán)應(yīng)力效應(yīng)；適當(dāng)增大楔塊頭根部圓角R2。

4　結(jié)束語

通過開卷機(jī)卷筒銅楔塊的分析和研究，給出了確定卷筒銅楔塊的計(jì)算方法、設(shè)計(jì)原則和制造要點(diǎn)，從而保證了開卷機(jī)的有效工作，這對(duì)于提高設(shè)備工作效率和開卷質(zhì)量具有重要的意義。

2016-01-23

董春光(1974—)，男，高級(jí)工程師。電話：13861024336

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