王凱軍，曹治明，趙玉記

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院新鄉(xiāng)分院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 概述

在鍋爐制造過程中，為了保證制造效率，煙管與管板通常采用粗裝備，也就是煙管伸出管板長度遠大于標準要求。這就要求在煙管與管板焊接完成后，還需通過片刀把過長的煙管管端削短到符合標準《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013 的要求，這就需要用切削片刀來完成。片刀主要由四部分組成：刀桿、切削用刀、絲堵、滾動軸承（如圖1）。片刀的制作主要由使用單位自己制造，大多無理論計算，這就導致在使用中片刀刀桿極易產(chǎn)生問題。常見問題有：（1）強度不足導致刀桿斷裂；（2）刀桿剛度不足導致所切削的煙管端頭偏斜，達不到標準要求。

圖1

2 存在問題分析

2.1 刀桿強度不足

刀桿強度不足會導致刀桿斷裂。刀桿一端與電機相連，另一端承載片刀，由電機提供切削動力。在切削過程中由于切削阻力的作用，在刀桿兩端出現(xiàn)大小相等方向相反的一對力偶。所受力偶及扭矩如圖2 所示。

圖2

由圖2 可知，刀桿端面承受扭轉切應力。根據(jù)剪切胡克定律可知，在剪切比例極限內，切應力與切應變成正比，所以在橫截面ρ 處的切應力為：

通過式（1）我們可以知道扭轉切應力沿截面徑向線性變化。刀桿通常采用實心圓軸，其扭轉切應力分布如圖3。通過圖3 我們可以知道實心圓軸的最大扭轉切應力在軸斷面的最大半徑處。

最大扭轉切應力τmax 不得超過材料的扭轉需用切應力[τ]，一旦超過則刀桿的強度就無法保證，切削過程中刀桿就有可能斷裂飛出，導致生產(chǎn)停滯，甚至會造成人身傷害。

圖3

2.2 刀桿剛度不足

刀桿剛度不足導致在切削過程中易造成煙管管端伸出長度偏斜，也就是管端不是一個平面，而是一個斜面。這就造成加工不美觀，給人以粗制濫造的感覺；并且若偏斜過大，就只能保證管端一側距管板距離能滿足標準要求，再切削就有可能切去角焊縫導致焊角高度達不到要求。

3 問題對策

3.1 刀桿斷裂對策

解決刀桿斷裂問題的關鍵在于解決刀桿強度，由于我們通常采用的是等截面實心軸，故刀桿強度應滿足以下計算條件：

式中，τmax為最大扭轉切應力；Tmax為最大扭矩；Wp抗扭截面系數(shù)；[ ]τ為扭轉許用應力。

對塑性材料[ ]τ=（0.5 ～0.6）[ ]σ，[ ]σ為材料許用應力。通過圖2 可知：

式中， {}p為發(fā)動機輸入功率，kW； {}n為軸的轉速，r/min。

式中，d為實心軸圓截面直徑。

實心圓軸直徑d應滿足以下條件：

通過以上公式我們可以知道，選刀桿時首先通過式（5）計算出實心圓軸的最小直徑d，實際選取的實心圓軸直徑d0≥d。然后把實際所選取的實心軸圓截面直徑d0帶入式（4）求出抗扭截面系數(shù)Wp，通過式（2）求出最大扭矩切應力并與所選刀桿材料的扭轉許用應力進行比較，若滿足則所選軸滿足強度要求。

3.2 刀桿剛度不足對策

式中，θ為單位長度內的扭轉角；T為扭矩；G切變模量；鋼的切變模量G=75 ～80實心圓截面極慣性矩；[ ]θ單位長度許用扭轉角，一般為。

式中，d為實心圓軸直徑。

在運用中，依據(jù)式（5）計算出實心圓軸的最小直徑d，實際選取的實心圓軸直徑d0≥d，把d0帶入式（7）求出極慣性矩Ip。在通過式（6）計算出單位長度內的扭轉角θ，若滿足θ≤[ ]θ，則選取的實心圓軸直徑d0能滿足刀桿的剛度要求。

通過對刀桿強度與剛度的理論計算，更加合理地來選取片刀刀桿，最大程度地保證片刀刀桿的使用安全性及實效性。