一種氣動抱閘的結構優化

陳高林，祁文華

本文R2 壓下系統的抱閘用于該軋機五個道次輥縫設置。自2006 年初投產以來，發現不能鎖緊壓下機構，造成絲桿回松，輥縫平行度發生異常變化，不能正常生產。為解決該問題，從增加制動力矩出發采取加大抱閘制動彈簧，增大氣源壓力等措施。改造后，發現R2 工作側的壓下抱閘發生氣囊壓蓋開裂事故，導致停機8 h，在檢查中又發現其它在線或機旁的抱閘及抱閘殼體上都有貫穿性裂紋，說明其設計強度不能滿足使用要求。

1 原抱閘的結構

該抱閘由殼體、后端蓋、皮囊、彈簧、葉輪、摩擦片等組成（見圖1）。

圖1 抱閘結構圖

顯然抱閘本體的強度與殼體的結構、材質、氣源壓力有關，抱緊力與摩擦片數量、彈簧的壓縮量相關。

2 存在的問題

在使用過程中，由于壓下絲桿的螺旋角較大，故存在自松現象。而加大彈簧雖然可以增加抱緊力，但打開抱閘也需要更高的氣源壓力。由于0.45 MPa 的氣源壓力不能提供足夠的離合力，導致抱閘后端蓋容易斷裂，此外，生產現場的大量粉塵會降低摩擦片的抱緊力。

如果改變抱閘型號，則必須重新布置壓下傳動系統，故在0.45 MPa 氣源壓力條件下，優化現有抱閘結構或選擇同樣安裝尺寸的抱閘是首選方案。

3 抱閘優化

對抱閘的優化目標是保證具備充足的抱緊力，足夠的強度，在0.45 MPa 氣源壓力下能夠快速開閘，適應現場的惡劣環境，以及維護方便。

3.1 抱緊力

（1） 氣源分析

該抱閘型號為SSM321/45，可產生12.19 kN·m的抱緊力，采用0.45 MPa 的氣壓驅動摩擦片脫離（見圖2）。

圖2 抱閘工作原理圖

經過計算，發現防止R2 自松需要提供15 kN·m 的抱緊力（需要增加23%），為了加大抱緊力需要增大彈簧的剛度，同時也需要將機旁氣壓源提高到0.51 MPa 克服增大的彈簧力。但梅鋼公司僅能夠提供0.52～0.55 MPa 穩定源頭壓力，最終提供給氣囊的壓力僅0.50～0.52 MPa，開閘壓力處于臨界狀態。

根據產品目錄，發現能夠在0.50 MPa 下提供15 kN·m 的抱緊力的抱閘的安裝尺寸與R2 機架不符，故不具備可行性。而采用臨界氣源壓力正是R2 壓下離合粘黏的主因。

（2） 開閘粘黏的處治

針對開閘粘黏現象增加抱緊力的方案有：重新選擇抱閘型號、增大氣源壓力，或者更改現有抱閘結構等。前兩者需要修改設備，費用較大。因此，第三種方案應為首選方案。

由于抱閘的抱緊力與摩擦片數量及摩擦片的壓力有關。如果將摩擦片由3 片改為4 片，理論上抱閘的抱緊力將增加33%。此外，還需要改變抱閘殼體材料。

（3） 控制效果

改進后，經過離線測試得到抱緊力15.85 kN·m，在線測試抱緊力為15.5 kN·m，滿足生產需求。

3.2 殼體斷裂原因及處治方案

（1） 殼體斷裂分析

在2019 年5 月27 日，該抱閘后端蓋開裂，造成停產175 min（見圖3）。

圖3 后端蓋開裂圖

后繼對其余3 臺抱閘探傷，發現殼體也存在裂紋（見圖4）。

圖4 后端蓋探傷視圖

上述事故的原因正是由于現場采用0.50 MPa以上的壓力源，抱閘后端蓋長期受額外高壓而斷裂。

（2） 殼體開裂的處治方案

①、抱閘殼體改用鍛鋼，增加韌性與抗拉強度。

②、將殼體（包括后端蓋） 的厚度增加12%。

③、將內、外花鍵副改為雙模數，花鍵齒模數是直徑模數的兩倍，以增加花鍵齒的強度（見圖5）。

圖5 加工效果圖

（3） 改進效果

通過有限元計算，改進后抱閘強度將增加40%，滿足生產需求。

3.3 防塵設施優化

（1） 粉塵危害

熱連軋產線生產時會產生大量的氧化粉塵，這些粉塵上升到R2 頂部，冷卻后落在設備表面。由于抱閘殼體上設有窺視孔兼散熱口，這些粉塵會進入窺視孔，落在摩擦片表面，不僅導致摩擦力下降，而且使摩擦片發生歪斜，使彈簧不能垂直壓靠摩擦片，需要定期清理粉塵。

（2） 防塵設計

對此，筆者在殼體外圍包裹一層不銹鋼過濾網。根據粉塵顆粒大小，選擇不同規格的不銹鋼過濾網進行試驗（見表1）。

表1 過濾網與粉塵聚集量對應表

根據試驗結果，決定采用100 目的不銹鋼過濾網，每2 個月清理1 次，同時，增加鉸鏈蓋板以便于點檢摩擦片的使用情況。

（3） 改進效果

改進后，摩擦片的清理周期由2 周/次延長至2 月/次，同時杜絕彈簧歪斜，抱緊力波動，開閘粘黏等現象。

3.4 摩擦片間隙的標定

（1） 存在的問題

R2 壓下抱閘還具備以下功能，當R2 壓下輥縫設定到位后快速停止；由于R2 壓下蝸輪蝸桿沒有自鎖功能，所以抱閘在咬鋼的瞬間起抱緊作用，保證輥縫不變。

抱閘在使用中的回松、打滑、發熱現象與摩擦片的間隙密切相關。

（2） 標定程序

該抱閘有兩種狀態：處于閉合狀態時彈簧的彈力直接作用在摩擦片上，使主動輪與摩擦片之間產生摩擦力，抱閘抱緊；處于分離狀態時皮囊進氣漲開將彈簧壓縮，主動輪與摩擦片脫開。

閉合力：F1=η×FN

分離力：F＞FN，F=P×A

式中：η—有效系數，取0.95；FN—正壓力（MPa）；P—進氣壓力（MPa）；A—皮囊作用面積（mm2）。

抱閘間隙的調整步驟：

①、新抱閘上機前，將抱閘水平放置（見圖6）。

圖6 抱閘水平放置圖示

②、拆除后端蓋和皮囊，彈簧座、彈簧、壓板、摩擦片及葉輪靠自重固定在殼體里。

③、測量彈簧座與殼體端面間距Y。

④、選取厚度為y=Y-5 mm 的調整墊片裝入Y間隙內，緊固螺釘，使彈簧的壓縮量為5 mm。

⑤、選取適當厚度的調整墊片，安裝皮囊和后端蓋，將Y 值控制在10～12 mm。

調整后，既可使抱緊力矩達到最大值，又可以使抱閘徹底分離，避免抱閘發熱。當摩擦片磨損后，只需將調整墊片減薄即可。該方案比常規的摩擦片間隙調整精度提高約50%。

（3） 改進效果

經過3 個月的試驗，調整次數大大降低，抱閘不再頻繁打滑。

3.5 固化措施

根據上述成果，最終確定以下改進措施：

（1） 抱閘殼體采用鍛鋼，厚度增加12%。

（2） 延長殼體的長度30 mm，增加摩擦片的數量。

（3） 殼體外置100 目的不銹鋼過濾桶。

（4） 采用新的摩擦片間隙調整方案。

（5） 采用0.45 MPa 的機旁穩定氣壓。

4 結 語

通過改進，在不改變氣源壓力及壓下裝置布置的前提下，抱緊力增大，杜絕打開抱閘時的粘黏現象，殼體強度增強，確保抱閘功能實現。通過設置防塵裝置及規范摩擦片的縫隙調整工序，延長摩擦片的使用壽命，維護更方便。