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        曲柄式飛剪曲軸裝配間隙問題分析與管控

        2022-06-30 03:19:52荊鴻鵬JINGHongpeng
        價(jià)值工程 2022年20期
        關(guān)鍵詞:剪刃軋件曲柄

        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。

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