開卷機卷筒銅楔塊不良問題及對策分析①

董春光

(常州寶菱重工機械有限公司， 江蘇 常州　213019)

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開卷機卷筒銅楔塊不良問題及對策分析①

董春光

(常州寶菱重工機械有限公司， 江蘇 常州213019)

闡述了開卷機卷筒銅楔塊的設計、使用中出現的問題及其解決措施，同時研究了具體的設計和計算方法。建立了上述主要參數的計算模型，為開卷機卷筒的設計和控制提供了理論基礎。

開卷機； 卷筒； 銅楔塊； 斷裂故障

引　言

銅楔塊是開卷機卷筒的重要機械零件，開卷機的性能能否正常發揮主要取決于卷筒的開卷能力，銅楔塊的質量保證是卷筒正常運轉的必要條件，對于卷筒的承載能力和使用壽命起著重要作用。銅楔塊的使用壽命受到設計、計算、潤滑、使用和零件制造等較多因素影響。

1　銅楔塊故障現象

銅楔塊的制造質量、結構設計和使用方法直接影響卷筒的性能，若某個環節出現問題，會造成開卷機故障。

常州寶菱重工機械有限公司為國內某大型鋼鐵公司提供了多條連退機組開卷機，有幾臺開卷機卷筒的銅楔塊頭部發生斷裂故障。斷裂圖片如圖1所示，銅楔塊外形如圖2所示。

經過分析，在正常設計和使用條件下，該零件的使用壽命較長；而發生故障的零件使用壽命較短，且失效形式都是斷裂，說明問題一定存在于設計、潤滑、使用和零件制造等環節中。

圖1　斷裂形狀

圖2　銅楔塊外形

2　故障分析

2.1設計輸入條件

2.1.1零件參數

材料為ZCuAl10Ni6Fe5，化學成分如表1所示；抗拉強度>600 MPa，屈服強度>250 MPa，脈動疲勞彎曲極限304 MPa，循環彎曲疲勞極限183 MPa，疲勞特性曲線如圖3所示，彈性模量E=10300 kg/mm2。

表1　銅楔塊化學成分表

2.1.2設備相關參數

馬達：400 kW，435/1800 r/min；速比：i=4.1；開卷張力：T=36 kN;鋼卷外徑：D= 2100 mm;旋轉油缸規格：Φ250 mm×(115～175) mm ;旋轉油缸油壓：P=140 kg/cm2;銅楔塊摩擦系數：μ=0.1(正常時),μ=0.15(異常時)；鋼板與卷筒摩擦系數：μ1=0.2(正常時)；斜楔角度：α=10°；卷筒結構外形圖：如圖4所示；銅楔塊受力模型：如圖5所示，得出油缸力、斜楔角度和徑向力的關系；銅楔塊頭部受力情況：如圖6所示。

圖3　青銅疲勞特性曲線

2.2計算分析

在最大開卷張力、最大鋼卷直徑條件下，必須的油缸拉力Fb=Fr×tan(2ρ+λ)=40000 kg，旋轉油缸可提供最大拉力F=π(D2-d2)/4×P=54180 kg>40000 kg，油缸拉力滿足開卷要求。在油缸最大拉力時形成的卷筒徑向壓力Fr=F/tan(2ρ+λ)=138102 kg，正常情況下卷筒縮小時必須的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=3426 kg(取μ=0.1正常時)，此時每塊斜楔勾頭承受力Fg=T/4×1.4(沖擊系數)=1199 kg；異常情況下卷筒縮小時必須的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=17107 kg(取μ=0.15異常時)，此時每塊斜楔勾頭承受力Fg=T/4×1.4(沖擊系數)=5987 kg，卷筒脹開時端部哈夫環可提供推力Fh=螺栓預緊力×0.3=1155 kg。由此，銅楔塊頭部受油缸力及打開自鎖條件比較清楚。

圖4　卷筒結構外形圖

圖5　銅楔塊受力模型

圖6　楔塊頭部受力

其中P=W×1375/2625×Kf=34000×1375/2625×1.35=24043kg(如圖9所示)；

L=461 mm，F=54180 kg，S=167 mm，O=334 mm。

圖7　軸套配合間隙

圖8　軸套受力模型

圖9　外支撐受力分析

圖10　軸套受力分析

2.3有限元分析

正常情況下，楔塊頭部受拉，Simulation分析情況如圖11，12所示。應力情況，根部達到103 MPa，安全系數183/103=1.8。X方向頭部最大變形0.038 mm。

圖11　正常情況下楔塊應力

圖12　正常情況下楔塊變形

異常情況下，斜楔勾頭受拉，Simulation分析情況如圖13，14所示。應力情況，根部達到492 MPa，大概壽命131968次(脈動)，1379次(對稱循環)。X方向勾頭部最大變形0.17 mm，在寬度方向上的變形分布情況如圖15所示。

圖13　異常情況下楔塊應力

圖14　異常情況下楔塊變形

2.4實物分析

從楔塊斷裂實物上取三組試樣，取樣位置如圖16所示，進行機械性能分析，報告如圖17所示。實物的機械性能與設計要求有一定差距。

圖15　寬度方向的變形情況

圖16　斷裂實物取樣位置

3　原因分析和對策措施

從材料的符合性方面來看，實際所用材料從化學成分到機械性能未能滿足設計要求，需要在今后的制作過程中引起足夠重視。

從設計角度分析，雖然正常情況下使用沒有問題，但當滑動面潤滑異常，頭部的哈夫環對楔塊頭部受力引起對稱循環應力，負載縮徑時頭部易斷裂；扇形板交錯齒處若有垃圾存在，會阻礙縮徑，也會引起斜楔頭部斷裂；軸套間隙偏大，使頭部外支撐力作用在楔塊頭部也易使楔塊斷裂。楔塊頭部R2圓角設計得偏小，應力集中效果明顯。

編號工令號產品名稱及圖號屈服強度(ReL)MPa抗拉強度(Rm)MPa規定非比例延伸強度(Rp)斷后伸長率(A)斷面收縮率(Z)%AKJ第1個20620111斜契塊2223199746022513第2個20620111斜契塊2223199749522016.5第3個20620111斜契塊2223199751523018

圖17　試樣分析情況

改進措施有：加強楔塊材料及尺寸方面驗收時的符合性檢查，增加超聲波探傷；改善楔塊潤滑條件，確保按時加注潤滑脂；減小軸套與軸的配合間隙，避免外支撐力直接作用在楔塊上；適當降低旋轉油缸無桿腔油壓；適當增大有桿腔油壓，避免外支撐力對楔塊頭部形成的負載縮徑力；盡量避免負載狀態下的縮徑；合理安裝哈夫環，保證其與楔塊間隙>0.2 mm，避免循環應力效應；適當增大楔塊頭根部圓角R2。

4　結束語

通過開卷機卷筒銅楔塊的分析和研究，給出了確定卷筒銅楔塊的計算方法、設計原則和制造要點，從而保證了開卷機的有效工作，這對于提高設備工作效率和開卷質量具有重要的意義。

2016-01-23

董春光(1974—)，男，高級工程師。電話：13861024336

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