谈棒材倍尺飞剪曲轴改造实践.docx

谈棒材倍尺飞剪曲轴改造实践棒材倍尺飞剪位于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屡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，每次故障即便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，棒线型材厂组织施行改造，本文进行总结。2分析与改良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。根据飞剪的构造和使用情况，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，对原设备曲轴构造形式进行改造，使其制作简易、周期缩短、减少故障知足生产需求。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。因而，曲轴的制作周期由原来至少3个月降低至1个月。2.3设计与施行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160mm，其它部位根据原设计尺寸制作。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，因而需要加宽曲柄；按原尺寸，曲柄与轴装配接触面太少，承载能力缺乏，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：0.030.05mm；轴与曲柄孔亦采用过盈配合。过盈量：0.120.15mm。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42mm，使用曲柄剪时，刀片近似垂直于轧件，曲轴在剪切时没有遭到轴向力，所以曲轴遭到的力即为剪切42mm轧件时的力，剪切42mm轧件所需要的力按式1计算：F=K1K21+5bS11，2，其中S为断面面积，mm2；b为屈从强度，MPa；5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42mm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160mm，抗剪能力F抗=13082000N，远远大于轧件的抗剪切力，因而曲轴能够知足剪切42mm轧件的要求。42CrMo的屈从强度为930MPa32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28mm，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遭到的阻力，受力分析如图3。由式1计算，剪切28mm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14115Nm。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：emin=Pfmindf(Ca/Ea+Ci/Ei)2，传递载荷所需最小结合压力为：Pfmin=Fx2+(2T/df)21/2/(dfLff)3，其中di、da被包涵件内径和包涵件外径；Ea、a为包涵件材料的弹性模量和泊松比；Ei、i为被包涵件材料的弹性模量和泊松比；Fx、Tx为连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，emin=0.09mm。过盈配合，还应保证包涵件与被包涵件不发生塑性变形。包涵件与被包涵件不发生塑性变形的最大结合压力见式4、5：Pfamax=b1-qa2/3+qa21/24，Pfimax=b1-qi2/25。因被包涵件为实心轴，所以只考虑包涵件曲柄能否会发生变形。因而，能够得到包涵件不发生塑性变形的最大有效过盈量见式4：emax=Pfmaxdf(Ca/Ea+Ci/Ei)6。根据式4、6能够得到emax=0.61mm4。通过校验，曲柄和轴配合的过盈量为0.120.15mm时，曲柄不会发生塑性变形，曲轴能够承载剪切最大规格28mm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，通过热胀到达间隙配合；方案2：冷却轴，通过冷缩到达间隙配合。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冷冻温度确实定：T=T0+b/ad7，式中：T0为室温，28；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为被包涵件外径，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。因而选用液氮作为冷却剂，液氮温度为-196。2冷却时间确实定：h=k+(68)min8，式中：k为同材料有关的综合系数；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。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。