荊鴻鵬 JING Hong-peng

（本鋼采購(gòu)中心，本溪 117000）

1 概述

曲柄飛剪是熱軋機(jī)組的主要設(shè)備，用來對(duì)軋件定長(zhǎng)剪切。曲柄式飛剪曲軸裝配間隙的管控是一項(xiàng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求較高的實(shí)踐性工作，有著其自身的特殊性。通過對(duì)該項(xiàng)課題的研究，將會(huì)對(duì)曲柄飛剪的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、使用中遇到的問題，以及針對(duì)故障點(diǎn)做出的改進(jìn)方案進(jìn)行詳細(xì)解讀，最終達(dá)到延長(zhǎng)曲柄飛剪的使用壽命，提升對(duì)曲柄式飛剪曲軸裝配間隙變化問題的分析與掌控能力。從而通過合理化的措施，保證曲柄飛剪在動(dòng)作時(shí)剪刃間隙的控制，進(jìn)一步優(yōu)化曲柄飛剪的工作狀態(tài)。

飛剪安裝在進(jìn)口側(cè)和高壓除鱗設(shè)備之間，它采用旋轉(zhuǎn)式曲柄、盒式設(shè)計(jì)，作用是將軋件的頭部和尾部在行進(jìn)中切割掉，以保證軋件穩(wěn)定進(jìn)入軋機(jī)。曲柄飛剪屬于較大設(shè)備，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度高，提高飛剪使用年限和運(yùn)行中設(shè)備精度，是設(shè)備管理者所要研究和解決的重要問題，本次以提高飛剪使用年限作為重點(diǎn)，要管控和提高使用年限飛剪曲軸、鋼瓦、銅瓦、軸承等重要部件的管控就是重中之重，針對(duì)飛剪使用中遇到的故障，提出解決方案，并且改進(jìn)后運(yùn)行較好，飛剪的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)鋼坯進(jìn)入軋機(jī)穩(wěn)定、設(shè)備檢維修費(fèi)、備件預(yù)修費(fèi)控制起到重要作用。

2 啟停式飛剪的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 啟停式飛剪的發(fā)展及控制原理

本文介紹的熱軋機(jī)組啟停式飛剪，應(yīng)用于本鋼2300熱軋生產(chǎn)線，飛剪整體安裝在車架下端，可繞鉸接軸擺動(dòng)，飛剪的下刀片為固定式，上刀片連接在曲軸上，可以在框架內(nèi)滑動(dòng)。上刀架由曲軸帶動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟停效率高。

啟停式飛剪為間歇式工作模式，需要剪切軋件時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)剪切裝置開始剪切工作；剪切結(jié)束后電機(jī)立即制動(dòng)，刀片將準(zhǔn)確停在預(yù)先設(shè)定好的位置上，為下一次剪切做好準(zhǔn)備。啟停式飛剪由PLC控制的低慣量大扭矩直流或交流電機(jī)帶動(dòng)，具有位置、速度、加速度等反饋信號(hào)控制飛剪，自動(dòng)完成啟動(dòng)、剪切、制動(dòng)的工作循環(huán)，控制精準(zhǔn)。由于采用了PLC控制，傳統(tǒng)的定尺、空切、勻速機(jī)構(gòu)和離合器、制動(dòng)器均被取消，設(shè)備的機(jī)械故障也大大減少。

2.2 曲柄式飛剪的組成部分

①底座：兩個(gè)軸承座，鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)安裝，兩個(gè)廢鋼滑槽；

②軸承座：兩個(gè)封閉設(shè)計(jì)的傳動(dòng)和非傳動(dòng)側(cè)的軸承座，重板，鑄鋼，帶曲柄軸，用預(yù)埋螺栓安裝在基礎(chǔ)上；

③上橫移梁：鋼結(jié)構(gòu)，2個(gè)上橫移梁中間連接的軸承座；

④曲柄軸：鍛鋼件，在飛剪機(jī)架內(nèi)用耐磨軸承支撐；

⑤刀座：鑄鋼造，并由曲柄軸上的普通軸承支撐；

⑥剪刃間隙調(diào)整：用氣動(dòng)馬達(dá)傳動(dòng)，通過蝸輪傳動(dòng)裝置和安裝在下刀座上的偏心軸和傾斜桿進(jìn)行調(diào)整；

⑦剪刃：特殊刃具鋼，帶襯墊，曲面設(shè)計(jì)，安裝在刀座上，用液壓缸鎖緊；

⑧中間輥：鍛鋼造，耐磨軸承支撐，交流輥道電機(jī)傳動(dòng)。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

①飛剪結(jié)構(gòu)形式：雙曲軸連桿式飛剪；

②剪切鋼板最大板厚60mm、板寬max.2150mm；

③剪切溫度：≥900℃；

④剪切速度：0.3-2m/s；

⑤最大剪切力max.11300kN；

⑥最大剪切長(zhǎng)度：400mm；

⑦刀片長(zhǎng)度2350mm；

⑧主傳動(dòng)電機(jī)：2-1970kW、轉(zhuǎn)速290/580r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

⑨主減速機(jī)速比：5.368；

⑩曲軸偏心：270mm。

2.4 對(duì)飛剪機(jī)的要求

飛剪機(jī)的特點(diǎn)是沿橫向剪切正在向前輸送的軋件，所以提出以下要求：

①剪刃在進(jìn)行剪切時(shí)要與軋件隨動(dòng)，即剪刃要同時(shí)進(jìn)行橫向剪切與向前移動(dòng)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，且剪刃在軋件運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)分速度V應(yīng)等于或略大于軋件運(yùn)動(dòng)速度V1，即V=（1-1.03）V1。若V＜V1，則剪刃將會(huì)對(duì)軋件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，使軋件彎曲，甚至產(chǎn)生纏刀事故[1]。反之，如在剪切時(shí)剪刃在軋件運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)速度V比軋件運(yùn)動(dòng)速度V1大很多，則會(huì)對(duì)軋件產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，影響軋件的剪切質(zhì)量和增加飛剪機(jī)的沖擊負(fù)荷。

②同一臺(tái)飛剪機(jī)要能夠剪切多種定尺長(zhǎng)度，以滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品規(guī)格的需求。產(chǎn)品的長(zhǎng)度公差與剪切斷面平整度要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

③工作效率要與軋機(jī)或機(jī)組的生產(chǎn)節(jié)奏和速度匹配。

3 飛剪曲軸機(jī)構(gòu)存在的問題及解決方案

3.1 曲軸機(jī)構(gòu)存在的問題

3.1.1 曲軸機(jī)構(gòu)工藝及配合要求不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用

曲軸裝配是雙曲柄飛剪的核心部件（如圖1），各部件的材質(zhì)選擇、加工工藝要求、加工精度保證以及各部件之間的裝配標(biāo)準(zhǔn)極其重要，通過近些年對(duì)雙曲柄飛剪的使用，隨著時(shí)代的發(fā)展以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求的提升，需要針對(duì)飛剪出現(xiàn)的故障進(jìn)行改進(jìn)、提升，以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用，飛剪曲軸原設(shè)計(jì)的強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)使用，需要曲軸進(jìn)行強(qiáng)度升級(jí)，以保證使用壽命，以及精度控制。現(xiàn)場(chǎng)使用中，出現(xiàn)曲軸與鋼套之間定位鍵出現(xiàn)磨損，其原因?yàn)榍S與鋼套相連的定位鍵強(qiáng)度不足，長(zhǎng)時(shí)間受沖擊曲軸與鋼套配合鍵槽雙向磨損，導(dǎo)致鋼套與曲軸存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鍵槽磨損迅速加劇，飛剪無法正常切頭、切尾，影響軋件進(jìn)入精軋機(jī)，生產(chǎn)產(chǎn)品的提升，飛剪所承載的載荷需求加大，需要對(duì)曲軸工藝以及同鋼套之間的定位形式、強(qiáng)度進(jìn)行改進(jìn)，曲軸機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提升，伴隨著上刀架和下刀架強(qiáng)度一并提升。

圖1 曲軸裝配圖

3.1.2 曲軸裝配磨損間隙控制

任何設(shè)備的使用，需要制定合理的預(yù)修周期、檢修周期以及使用周期，特別像飛剪設(shè)備承受較大沖擊載荷，各部件隨著使用周期出現(xiàn)不同程度的磨損，曲軸與鋼套受沖擊磨損，銅套正常磨損，軸承正常磨損，導(dǎo)致曲軸裝配產(chǎn)生間隙，精度整體下降，剪刃間隙無法控制，影響鋼坯頭、尾剪切，并且各個(gè)部件損壞存在周期性，如果提前更換曲軸裝置下機(jī)，避免運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)故障，不能保證設(shè)備的最大利用率，增加檢維修費(fèi)用；但如果繼續(xù)使用，將有可能導(dǎo)致曲軸機(jī)構(gòu)出現(xiàn)重大設(shè)備事故。曲軸機(jī)構(gòu)的精度下降，直接體現(xiàn)在剪刃間隙、及剪切情況，出現(xiàn)飛剪在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量的剪刃間隙在0.4-0.8mm范圍內(nèi)，實(shí)際在運(yùn)動(dòng)中，剪刃間隙是不確定值，影響切頭、切尾，經(jīng)常出現(xiàn)頭尾未切斷，帶入下游機(jī)架故障，所以針對(duì)使用周期，提前做好預(yù)修，延長(zhǎng)曲軸機(jī)構(gòu)的整體使用壽命，制定曲軸機(jī)構(gòu)的劣化傾向管理，根據(jù)劣化值，確認(rèn)曲軸機(jī)構(gòu)的下機(jī)時(shí)間，是飛剪的管理的重點(diǎn)因素。

3.1.3 飛剪剪刃間隙控制原則及管控方向

①剪刃側(cè)隙及剪刃壽命的研究。

剪刃間隙的設(shè)定對(duì)飛剪剪切性能影響很大。根據(jù)剪刃側(cè)隙理論與經(jīng)驗(yàn)設(shè)定方法，側(cè)隙設(shè)定過大會(huì)影響剪切斷面平整度，還可能會(huì)出現(xiàn)剪不斷的情況；側(cè)隙設(shè)定過小，會(huì)使剪切時(shí)的剪切力過大，刀片磨損加劇，降低剪刃耐用度，甚至出現(xiàn)碰刀、崩口現(xiàn)象。而剪刃的壽命，受剪刃幾何參數(shù)，尤其是刀刃傾角的影響最為明顯，當(dāng)傾角設(shè)計(jì)過大時(shí)，刀片與軋件接觸面積大，導(dǎo)致剪切力大；傾角設(shè)計(jì)過小時(shí)，雖然剪切力會(huì)變小，但刀片在剪切時(shí)所受的沖擊力增大，可能導(dǎo)致刀片破損。

②剪刃鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)剪刃間隙的影響。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)更換的故障剪刃進(jìn)行測(cè)量，平放時(shí)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)故障剪刃變形嚴(yán)重，平面度較差，剪刃“兩端翹”時(shí)平面度誤差為0.4-1mm，剪刃“中間鼓”時(shí)為0.3-0.52mm；立放時(shí)，檢測(cè)剪刃底面平面度誤差為0.4-0.8mm，而圖紙中技術(shù)要求剪刃兩鎖緊面和剪刃底面的平面度誤差應(yīng)小于0.04mm。這種情況會(huì)造成鎖緊裝置中碟簧的勢(shì)能有很大一部分要用來克服剪刃的變形，并且剪刃和刀座之間的接觸面積縮小，摩擦力減小，使剪刃無法可靠固定，甚至產(chǎn)生松動(dòng)。當(dāng)飛剪工作時(shí)，固定側(cè)面調(diào)整墊片的螺栓受到離心力和剪切力的共同作用，容易斷裂，甚至發(fā)生剪刃墊片或剪刃脫落的嚴(yán)重后果。

③剪刃鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力不夠。

剪刃是循環(huán)使用的備件，當(dāng)打開鎖緊裝置時(shí)，要求刀座與剪刃之間裝配間隙保證在0.5-1mm之內(nèi)。然而由于鎖緊勾頭及剪刃底座的磨損或是剪刃座存在變形，會(huì)使碟簧伸長(zhǎng)，由碟簧產(chǎn)生的鎖緊力大為降低，導(dǎo)致剪刃無法可靠固定，生產(chǎn)過程中極易發(fā)生剪刃脫落、竄動(dòng)故障。提高更換鎖緊裝置底座的頻率可以消除此問題，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也會(huì)使備件消耗增多，增加生產(chǎn)成本。

④刀座與剪轂間存在雜質(zhì)。

剪刃刀座靠螺栓固定在剪轂上，由于長(zhǎng)期剪切過程中的震動(dòng)，固定螺栓會(huì)慢慢松退或拉長(zhǎng)，當(dāng)更換剪刃卸掉鎖緊力時(shí)，刀座與剪轂配合面之間便會(huì)產(chǎn)生間隙。再加上剪刃工作環(huán)境復(fù)雜，長(zhǎng)期受高溫及冷卻水腐蝕，易產(chǎn)生氧化物，落入刀座和剪轂之間，在安裝剪刃時(shí)，氧化物殘?jiān)鼤?huì)影響裝配的精度，使上下剪刃之間產(chǎn)生較大的剪刃間隙偏差。不能正確標(biāo)定剪刃間隙，就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中出現(xiàn)軋件剪不斷或是咬刀現(xiàn)象，造成產(chǎn)品不合格或是設(shè)備故障。

3.2 解決方案

3.2.1 完善曲軸裝配核心零件的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，配件形式提升優(yōu)化

隨著產(chǎn)品強(qiáng)度的提升，要想滿足高強(qiáng)度產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)備需要升級(jí)改造，當(dāng)然飛剪也不例外，首先對(duì)曲軸裝配核心部件的工藝材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化；

①曲軸材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原材料42CrMo調(diào)質(zhì)優(yōu)化為50CrMo調(diào)質(zhì)，提高了材料的機(jī)械性能，增加了曲軸的剛度；

②完善了核心零件——兩個(gè)機(jī)架的鑄造和連接的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止設(shè)備在使用時(shí)候機(jī)架變形問題；

③上刀架和下刀架材料為GS-30Mn5LV優(yōu)化為G28Mn6+QT1，增加了材料的機(jī)械性能，防止設(shè)備在使用時(shí)候刀架變形問題；

④同時(shí)對(duì)曲軸上的鍵連接處進(jìn)行優(yōu)化，鍵槽尺寸由22mm改為28mm，并對(duì)配合鍵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了與其它零件的連接強(qiáng)度；

⑤計(jì)算優(yōu)化曲軸和連接的剖分軸套的間隙配合設(shè)計(jì)，剖分面保留一定的間隙（每側(cè)最大0.10mm），以保證最終裝配后軸頸與軸套間有適當(dāng)?shù)倪^盈，連接鍵槽尺寸由22mm改為28P9，增加對(duì)稱度0.05，增強(qiáng)連接強(qiáng)度，使其穩(wěn)定可靠運(yùn)行，防止在使用中由于間隙大承受沖擊力變形損壞，造成停機(jī)問題。

3.2.2 加強(qiáng)曲軸裝配磨損間隙控制，增加使用壽命

根據(jù)雙曲柄飛剪的使用情況，制定了曲軸裝配劣化傾向管理，同時(shí)確定了測(cè)量手段，調(diào)整間隙報(bào)警值為4mm，對(duì)曲軸裝配磨損存在因素進(jìn)行總結(jié)，制定應(yīng)對(duì)措施，從設(shè)備整體上進(jìn)行管控，保證雙曲柄飛剪的穩(wěn)定運(yùn)行，重點(diǎn)是延長(zhǎng)使用壽命，降低成本。

具體措施如表1。

表1 劣化因素和管控措施

3.2.3 剪刃裝配間隙管控手段

①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于剪刃安裝前需要管控以下幾方面：

1）剪刃經(jīng)過磨床加工后，需要有退磁操作，對(duì)修復(fù)好的剪刃進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)尺，取兩端200mm和中間位置三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)，如果剪刃“兩端翹”時(shí)三點(diǎn)數(shù)據(jù)最大差值需≤0.4mm，“中間鼓”時(shí)三點(diǎn)數(shù)據(jù)最大差值需≤0.1mm。剪刃在存放時(shí)應(yīng)保持水平放置，不得與其他物品疊放，以免在外力作用下剪刃變形。

2）新的剪刃立放，平面度誤差≤0.3mm，整體厚度公差≤0.2mm，滿足要求為合格剪刃，具備上機(jī)條件。

3）剪刃底座在裝配時(shí)，要檢測(cè)水平面與垂直面的垂直度小于0.1mm。

②根據(jù)碟簧鎖緊力制作合適鎖緊塊。

該飛剪剪刃有13套獨(dú)立的鎖緊機(jī)構(gòu)，每套鎖緊機(jī)構(gòu)由11組對(duì)合碟簧組成，每組由3件碟簧疊合。根據(jù)圖紙，對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算，將鎖緊塊按照0.5mm間隔制作成151/151.5/152mm等不同尺寸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)際間隙使用不同尺寸的鎖緊塊，從而保證各個(gè)位置的鎖緊力合理，避免墊片竄出和剪刃脫落事故發(fā)生，降低了底座更換頻率，減少了備件使用量，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

③保證刀座與剪轂之間配合緊密。

每次更換剪刃時(shí)必須檢查刀座磨損以及刀座和剪轂的配合，力求刀座與剪轂配合緊密，中間無間隙和雜質(zhì)，刀座固定螺栓緊固無松脫；如果刀座磨損量超過0.25mm，必須更換。

4 結(jié)束語

通過采取上述解決方案，該曲柄式飛剪自2018年底開始，沒有出現(xiàn)任何事故，并且正常磨損的部位，劣化趨勢(shì)對(duì)比之前緩慢，解決了由設(shè)備原因引發(fā)的切頭、切尾異常的現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，設(shè)備事故大大減少，過去每年有非計(jì)劃搶修十余次，現(xiàn)在零搶修，提高了設(shè)備使用效率，降低了備件成本，減輕了工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。因此在今后的曲柄式飛剪曲軸裝配間隙管控過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把控，嚴(yán)格執(zhí)行管控措施。