連鑄中包車機械手故障分析與改進

張棟 ，田萬冬 ，秦大偉 ，竇鎖民 ，劉向國

（1.鞍鋼未來鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山114021；3.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山 114021；4.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021）

中包車機械手是連鑄生產(chǎn)工序中保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是將長水口的上端安裝在大包鋼水罐底部滑板處，下端伸入中間包鋼水內(nèi)，鋼水通過長水口注入中間包，并用氬氣密封長水口和大包滑動水口之間的間隙，實現(xiàn)保護澆注，防止?jié)沧⑦^程中鋼水二次氧化，從而提高鑄坯的質(zhì)量[1]。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠板坯連鑄生產(chǎn)線中包車機械手設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在手臂回轉(zhuǎn)阻力大，手臂軸向竄動，增加了操作者的勞動強度，液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致緊固力不足使長水口與鋼包底部滑板下水口瞬間脫開等，威脅人身安全，嚴(yán)重影響了連鑄的正常生產(chǎn)。經(jīng)過分析研究中包車機械手在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的故障原因，提出了解決措施。

1 中包車機械手簡介

中包車設(shè)置在鋼包回轉(zhuǎn)臺下方，結(jié)晶器上方，機械手位于中包車車體上，該設(shè)備由生產(chǎn)工人操作，用于承接鋼包回轉(zhuǎn)臺上的鋼水罐，通過機械手上安裝的耐火套磚（亦稱長水口）與中間包直接聯(lián)接起來，鋼水通過長水口直接注入中間包。連鑄機生產(chǎn)過程中，在長水口接頭處連續(xù)填充氬氣，采用正壓密封，隔絕氧氣，防止鋼水二次氧化。因此機械手是連鑄生產(chǎn)中保護澆注、保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備[2]。中包車機械手結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 中包車機械手結(jié)構(gòu)示意圖

2 機械手的工作方式

當(dāng)大包鋼水罐處于澆鑄位置時，操作人員站在扶手1處，操作帶液壓提升和下降裝置的液壓缸4，控制手臂10的升降動作。當(dāng)鋼水罐下降（由鋼包回轉(zhuǎn)臺上的液壓缸控制）時，對正機械手前端安裝的長水口耐火套磚與鋼水罐出口的滑動水口，升起機械手手臂，使手臂上的長水口與鋼包滑動水口緊固聯(lián)接起來。在連接部位連續(xù)充填氬氣，實現(xiàn)保護澆鑄功能。此緊固力由液壓系統(tǒng)的減壓閥調(diào)定。當(dāng)鋼水罐下降時，帶動機械手手臂向下移動，此時液壓系統(tǒng)的溢流閥開啟，這樣機械手就能以幾乎恒定不變的緊固力托住鋼水罐。該溢流閥主要起安全保護作用，防止因鋼水罐下降產(chǎn)生的壓力通過手臂作用到液壓缸活塞產(chǎn)生過大的壓力破壞機械設(shè)備。

機械手手臂具有升降、水平擺動、回轉(zhuǎn)功能[3]。手臂的提升和下降由液壓缸4控制，操作者只需搬動在蝸輪減速機上方配置的手動液壓換向閥手柄即可；機械手的水平擺動是由人工推拉扶手1及偏心支座12擺動實現(xiàn)。該偏心支座應(yīng)用曲軸的工作原理，人工水平推拉扶手，偏心支座便會繞固定底座擺動，達到手臂所需的位置。

為了傾倒廢舊長水口，手臂回轉(zhuǎn)操作由人工轉(zhuǎn)動手輪2，驅(qū)動蝸輪減速機的輸出軸，帶動聯(lián)接板使手臂轉(zhuǎn)動。因此，機械手是機液一體化設(shè)備。在鋼水澆鑄過程中，每罐鋼水需安裝、拆卸機械手各一次。

3 機械手的主要故障分析

3.1 機械方面

（1）設(shè)備工況惡劣，為高溫、重載，使用頻率高。機械手在使用過程中，其手臂主要受到開關(guān)滑動水口產(chǎn)生的軸向力，手臂的軸向定位由聯(lián)接板上的螺栓固定，當(dāng)螺栓因松動脫落或斷裂時，軸向定位便會失效。使手臂軸與聯(lián)接板脫開，喪失回轉(zhuǎn)功能。在對機械手的檢修過程中，由于聯(lián)接板僅由三對M10×70（8.8級）的內(nèi)六角螺栓固定，設(shè)計上對該螺栓定位的可靠性要求過高，一旦螺栓聯(lián)接失效，將使手臂無法轉(zhuǎn)動。

（2）聯(lián)接板固定螺栓松動的主要原因為：由于機械手工作溫度可高達100℃，在待機位溫度為室溫，故此溫差變化大是產(chǎn)生螺栓疲勞松動的主要原因。

（3）由于機械手手臂在套筒內(nèi)由銅套支承，銅套支承必須為間隙配合，若間隙過小，使手臂回轉(zhuǎn)卡滯或回轉(zhuǎn)失靈；當(dāng)配合間隙過大時，又因同軸度不好，使對中性降低，產(chǎn)生附加阻力。因此，當(dāng)銅套磨損后，銅套內(nèi)孔與手臂軸的徑向間隙過大，增大了回轉(zhuǎn)阻力，使回轉(zhuǎn)困難。

為保證機械手設(shè)備功能的完好率，必須頻繁下機檢修，僅僅為更換三對固定螺栓便將設(shè)備全部解體檢修，浪費大量人力、財力。

3.2 液壓方面

（1）由于在澆鑄過程中，設(shè)備長期處于高溫環(huán)境。液壓介質(zhì)水乙二醇在高溫環(huán)境下易變質(zhì)，產(chǎn)生膠狀物質(zhì)，導(dǎo)致對介質(zhì)精度等級要求高的三通減壓閥壓力低及無法調(diào)壓故障。壓力不足，機械手會下滑，將導(dǎo)致長水口脫開，發(fā)生串鋼，輕則引起斷澆生產(chǎn)事故，重則有可能發(fā)生鋼水噴濺傷人。嚴(yán)重影響人身及設(shè)備安全。

（2） 在外方給定的設(shè)計壓力（12 MPa）下，在長水口粘鋼或長水口上偏的情況下偶爾會發(fā)生機械手下滑現(xiàn)象。

（3）液壓缸內(nèi)泄或液壓鎖有泄漏導(dǎo)致長水口緊固力不夠，機械手下滑。

4 改進措施

4.1 機械方面

在機械手下線檢修過程中，為消除故障必須解決如下缺陷：

（1）針對手臂的軸向定位失效，決定在每次修理過程中除更換新的定位聯(lián)接板，再將手臂上與聯(lián)接板的普通平鍵改為鉤頭楔鍵，利用后者既有周向定位也有軸向定位的作用，而后更換新螺栓并選用12.9級的高強螺栓，將螺栓緊固后再點焊，進行破壞防松，解決因螺栓松動產(chǎn)生的定位失效[3]；

（2）針對手臂支承銅套回轉(zhuǎn)費力問題，決定改變手臂的支承方式，銅套改為雙列圓柱滾子軸承，該思路的出發(fā)點是利用滾動摩擦阻力遠小于滑動摩擦阻力，可使手臂轉(zhuǎn)動更加靈活。機械手臂回轉(zhuǎn)操作時主要是克服軸承的摩擦力矩，原先采用銅套為滑動摩擦，更改雙列圓柱滾子軸承為滾動摩擦，大大減小摩擦力矩。根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中，M為摩擦力矩，N·mm；μ為軸承的恒定摩擦系數(shù)；P為等效軸承動負荷，N；d為軸承內(nèi)圈直徑，mm。

選取適當(dāng)?shù)摩叹_計算摩擦力矩。一般情況下，滑動軸承 μ=0.01～0.02，圓柱滾子軸承μ=0.000 8～0.001 2。 已知軸承內(nèi)圈直徑d=105 mm，需要計算等效軸承動負荷P，人工進行手臂回轉(zhuǎn)操作時，手臂升降液壓缸處于平衡狀態(tài)，作用力近似為零，軸承動負荷P主要由手臂自重及安裝的長水口重量形成的力矩產(chǎn)生，手臂水平狀態(tài)軸承動負荷最大，受力簡圖見圖2。

已知：G手臂=110 kg，G水口=30 kg，L1=600 mm，L2=1 500 mm，L3=3 000 mm。

根據(jù)力矩平衡公式：

圖2 手臂受力簡圖

解得P=5 635 N，取滑動軸承μ1=0.015，滾動軸承μ2=0.001，則計算減小摩擦力矩：

首先，委托修理廠根據(jù)圖紙尺寸，取消普通平鍵，重新加工鉤頭楔鍵。安裝后，將緊固后的螺栓用電焊點焊，進行破壞防松，提高螺紋聯(lián)接的可靠性[4]。其次，對手臂的支承銅套重新設(shè)計，根據(jù)選好的雙列圓柱滾子軸承加工新的軸承座，在手臂軸上加工安裝彈性擋圈的溝槽，以便于軸承的定位。更改后的手臂支承結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 更改后的手臂支承結(jié)構(gòu)示意圖

按上述方法組織生產(chǎn)，上機試用后，手輪回轉(zhuǎn)阻力非常小，操作輕松自如，極大地減輕了操作工人的勞動強度。此后，對連鑄線上的其它機械手也相繼進行了改造。

4.2 液壓方面

（1）減壓閥改型，將原設(shè)計的三通減壓閥改為抗污染能力強的直通式減壓閥，通過增加一過渡板，很方便將板式直通減壓閥安裝到原三通減壓閥位置上，通過減壓閥改型，極大地降低了機械手減壓閥故障。

（2）通過現(xiàn)場實驗，將原設(shè)計的減壓閥出口壓力提高到14 MPa,經(jīng)過幾年的設(shè)備使用表明，此壓力值即滿足長水口緊固力的要求，又不損壞機械結(jié)構(gòu)（注：壓力過大會損壞機械結(jié)構(gòu)，如長手臂彎曲變形，固定機械手地腳螺栓剪斷等）?，F(xiàn)就機械手臂在工作中處于水平狀態(tài)時計算液壓缸產(chǎn)生的緊固力，機械手臂受力結(jié)構(gòu)簡圖如圖4。

圖4 機械手臂受力結(jié)構(gòu)簡圖

已知液壓缸活塞直徑80 mm，活塞桿直徑45 mm，L1=442 mm，L2=370 mm，L3=3 000 mm，可計算出L4=284 mm。

根據(jù)力矩平衡原理 F液×L4=F緊固力×L3。 首先按照壓力 12 MPa 計算：3.14×（402-22.52）×12×284=F緊固力×3 000，得 F緊固力=3 902 N。 若按照壓力14 MPa計算，則 F緊固力=4 553 N。

由此可見，油壓力提高2 MPa，緊固力提高651 N。校核一下在14 MPa壓力作用下手臂的彎曲強度，公式如下：

式中，M取最大彎矩；WZ為抗彎截面模量。根據(jù)圖4手臂的受力情況，畫出手臂的彎矩圖如圖5。

圖5 手臂彎矩圖

對于截面積為環(huán)狀鋼管：WZ=π （D4-d4）/32D，其中，D=105 mm （鋼管外徑），d=76 mm （鋼管內(nèi)徑），則：

機械手臂材質(zhì)為Q345B，查鋼管材料許用應(yīng)力表得知，σ=（470～630）MPa，σmax＜σ，所以 14 MPa壓力下，機械手臂滿足彎曲強度設(shè)計要求。

（3）制定機械手液壓缸更換周期為半年，每次檢修檢查機械手是否能保持住壓力，采用方式為將機械手停在任意某位置，保持10 min，如果機械手位置不變，則說明設(shè)備狀態(tài)良好；若長手臂上升，則可能液壓缸內(nèi)泄，更換液壓缸；若長手臂下降，則可能液壓鎖有泄漏，更換液壓鎖。

（4）增加機械手壓力檢測傳感器，將壓力曲線實時傳到中控室電腦畫面，有利于對壓力的檢測，發(fā)現(xiàn)壓力稍低馬上調(diào)高減壓閥壓力。若出現(xiàn)事故，也利于對故障原因進行分析。

（5）在減壓閥出口處增加一個10 L蓄能器，起穩(wěn)壓及短時供油作用，提高液壓系統(tǒng)的可靠性，防止由于壓力瞬間降低導(dǎo)致的機械手下滑事故。

5 應(yīng)用效果

改造前，機械手的年修復(fù)計劃平均為12臺，每臺修復(fù)費用11 000元；平均每月發(fā)生一次機械手下滑事故，會造成生產(chǎn)中斷，重新組織生產(chǎn)至少需2.5 h。改造后，機械手的年修復(fù)計劃平均為2臺，年節(jié)約維修費用為：11 000元/臺×10臺=110 000元；減少由于機械手下滑事故時間為2.5 h/月×12月=30 h/a。由此可見，此項改進直接經(jīng)濟效益11萬元，減少事故時間創(chuàng)造的間接效益可達百萬元，而且提高了操作工人的作業(yè)安全。

6 結(jié)語

通過改進機械手的機械結(jié)構(gòu)，解決了機械手操作不靈活的缺陷，延長了機械手的使用壽命，既提高了設(shè)備的操作性能,減輕操作者的勞動強度，又減少了維修費用，每年減少維修費用11萬余元；通過改進機械手的液壓系統(tǒng)，徹底解決了機械手下滑的問題，減少事故時間30余小時，保證了生產(chǎn)順行，取得了可觀的間接效益。

[1]方濤，向忠輝，湯政階.連鑄機長水口機械手典型故障分析及控制[J].液壓氣動與密封， 2011（11）:60-61.

[2]干勇，倪滿森，余志群．現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實用手冊 [M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2010．

[3] 孫桓，傅則紹主編．機械原理 [M]．北京：高等教育出版社，1989.

[4] 濮良貴主編．機械設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，1989.