鉗式翻鋼機(jī)夾料輥軸斷裂原因分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

胡 偉，李志明

（寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司條材廠大型分廠，湖北武漢 430080）

0 引言

生產(chǎn)線在BD2 軋機(jī)前后設(shè)置有鉗式翻鋼機(jī)。BD2 鉗式翻鋼機(jī)由車體、夾料輥、夾緊缸、翻轉(zhuǎn)缸、橫移缸組成，其功用是將所軋制的鋼坯進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)。在夾緊過程中，夾緊缸有桿腔進(jìn)油使上下兩個(gè)夾料輥向中心靠攏，當(dāng)兩夾料輥夾緊鋼坯后，翻轉(zhuǎn)缸無桿腔進(jìn)油，活塞桿伸出帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)齒條橫移，鋼坯翻轉(zhuǎn)，以滿足生產(chǎn)線軋制工藝的要求。但在生產(chǎn)過程中，機(jī)后翻鋼機(jī)上夾料輥軸在翻鋼過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而拆裝翻鋼機(jī)非常煩瑣，要整體換下鉗式翻鋼機(jī)，尤其拆裝4 個(gè)楔形塊的過程極為麻煩。

針對(duì)這一情況，對(duì)夾料輥軸進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度校核，對(duì)比機(jī)前和機(jī)后翻鋼機(jī)，找出了夾料輥軸斷裂的原因并提出改進(jìn)措施。本次研究對(duì)避免同類事故的發(fā)生也有一定借鑒作用。

1 夾料輥軸的受力分析

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)鋼坯到達(dá)BD2 機(jī)前時(shí)，機(jī)后翻鋼機(jī)先行走到等待位置，第一道次扎完時(shí)，機(jī)后翻鋼機(jī)繼續(xù)行走，走到夾料輥導(dǎo)向體和鋼坯的距離為125 mm（翻轉(zhuǎn)位）時(shí)停止行走。因?yàn)殇撆髟谲壍郎厦妫D(zhuǎn)后的鋼坯也放在輥道上面，這樣夾料輥導(dǎo)向體和鋼坯的最低面必須保證一定的距離。這時(shí)機(jī)后翻鋼機(jī)夾料輥液壓缸的有桿腔進(jìn)油后，兩個(gè)夾料輥逐漸靠攏將鋼坯夾緊，這時(shí)夾料輥及夾料輥導(dǎo)向體一起處于懸臂狀態(tài)，隨后在翻轉(zhuǎn)缸的作用下翻轉(zhuǎn)90°。在軋制完第二道次時(shí)，機(jī)前翻鋼機(jī)再對(duì)鋼坯進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。液壓缸的液壓力通過夾料輥、鋼坯傳遞到軸上，對(duì)于下夾料輥僅受到液壓缸的壓力，而對(duì)于上夾料輥而言，由于上夾料輥在加緊鋼坯時(shí)，夾料輥和導(dǎo)向體處于懸臂狀態(tài)，故上夾料輥不僅受到液壓缸的夾緊力，而且還受到上下夾料輥和夾料輥導(dǎo)向體的重量。機(jī)前和機(jī)后翻鋼機(jī)夾料輥受力分析如圖1 所示。

（1）求液壓缸的壓力F1。

已知液壓缸內(nèi)徑為125 mm，活塞桿直徑90 mm，液壓缸壓力13 MPa，根據(jù)公式F1=P×S，F(xiàn)1=13×106×3.14=76 792 N。

（2）求支座反力FRA。

夾料輥為一端固定的心軸，心軸的固定端約束了端截面的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，所以有垂直反力FRA和反作用力偶MA（圖2）。

由平衡方程ΣFY=0 和ΣMA=0，求得FRA=-（F1+G）。

2 夾料輥軸的強(qiáng)度計(jì)算

（1）作彎矩圖。

選取坐標(biāo)系如圖2 所示。在距原點(diǎn)為X 的橫截面左側(cè)，有支反力FRA、MA。但在截面的右側(cè)只有均布載荷。所以宜用截面右側(cè)的外力來計(jì)算彎矩。

由式（1）可知，彎矩圖是一條斜直線。

x=0，M（0）=（F1+G）×L；

x=L，M（0）=0。

據(jù)此，可以繪出彎矩圖。

（2）夾料輥軸的彎曲應(yīng)力計(jì)算。

根據(jù)夾料輥軸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，MMAX=（F1+G）×L。其中，L 為均布載荷中心到危險(xiǎn)截面的距離，單位為mm。顯然，x=0 時(shí)彎矩值最大，判斷該截面為危險(xiǎn)截面。

許用彎曲應(yīng)力σ-1=785 MPa（40Cr 鋼調(diào)質(zhì)），所以=3.052L。

由上式可知，危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力與L 正比例相關(guān)，對(duì)于機(jī)后翻鋼機(jī)而言，L=280 mm，則σ=854 MPa>785 MPa。

同理，可以求出其他3 個(gè)夾料輥的彎曲應(yīng)力（表1）。除機(jī)后上夾料輥外，其他各輥的彎曲應(yīng)力均小于許用彎曲應(yīng)力［σ-1］=785 MPa（40Cr 鋼調(diào)質(zhì)）。

3 夾料輥軸斷裂原因分析

通過以上對(duì)夾料輥受力分析，可以得出夾料輥斷裂原因主要有如下3 個(gè)。

（1）上夾料輥不僅受到夾緊力，而且還受到夾料輥及夾料輥導(dǎo)向體的重力。

（2）第二道次翻鋼時(shí)，由于鋼坯的形狀發(fā)生了變化，致使力臂過大。

（3）夾料輥的夾緊力過大，在夾緊時(shí)液壓油通過伺服閥，再經(jīng)過伺服減壓閥進(jìn)入液壓缸有桿腔，從而對(duì)鋼坯進(jìn)行夾緊。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可通過調(diào)節(jié)伺服減壓閥來調(diào)節(jié)壓力的大小。

圖1 翻鋼機(jī)夾料輥受力分析

圖2 夾料輥剪力彎矩

4 改進(jìn)措施

表1 夾料輥的力矩及彎曲應(yīng)力

（1）從材質(zhì)方面，要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求選材，并按要求進(jìn)行熱處理。

（2）在保證鋼坯能正常翻轉(zhuǎn)的前提下，應(yīng)適當(dāng)減小液壓缸的工作壓力。在實(shí)際工作中，已經(jīng)將液壓缸的工作壓力減小到10 MPa。

（3）根據(jù)公式，液壓缸的壓力F1=P×S=59 070 N，自動(dòng)軋鋼時(shí)危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力≤［σ-1］。所以危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力值減小了（854-704）÷854×100%=17%。

（4）根據(jù)該設(shè)備的結(jié)構(gòu)，還可以適當(dāng)增加夾料輥軸的直徑，即加大危險(xiǎn)截面的軸徑來提高抗彎曲的能力。實(shí)際工作當(dāng)中，在減小液壓缸工作壓力的同時(shí)已將危險(xiǎn)截面的軸徑由65 mm 增大到75 mm。