滾切式雙邊剪退刀機(jī)構(gòu)受力分析及改進(jìn)

霍建軍

（華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠， 湖南　湘潭　411100）

滾切式雙邊剪退刀機(jī)構(gòu)受力分析及改進(jìn)

霍建軍

（華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠， 湖南湘潭411100）

介紹了華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠雙邊剪退刀機(jī)構(gòu)及其有限元分析計(jì)算，并根據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果得出規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對退刀機(jī)構(gòu)的整改。整改后，該廠退刀機(jī)構(gòu)連桿再未斷裂。

寬厚板雙邊剪有限元退刀機(jī)構(gòu)偏心

寬厚板廠雙邊剪設(shè)備常用來對軋制后的鋼板進(jìn)行切邊定寬，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊、精度要求高、維護(hù)難度大，是寬厚板廠非常重要的設(shè)備之一。退刀機(jī)構(gòu)是雙邊剪的關(guān)鍵部件之一，一般用于在剪切完后將上剪刃拉回，從而保證上剪刃與鋼板邊部之間有一定的間距，在鋼板運(yùn)輸過程中可以保證鋼板邊部不會磨損上剪刃。退刀機(jī)構(gòu)與拉回缸及剪刃間隙調(diào)整裝置一起實(shí)現(xiàn)剪刃間隙的調(diào)整功能。退刀機(jī)構(gòu)、拉緊機(jī)構(gòu)與剪刃間隙調(diào)整裝置見圖1[1]。

退刀連桿是退刀機(jī)構(gòu)的重要零件，用來連接主齒輪箱和退刀機(jī)構(gòu)。由于工作中退刀連桿一直承受拉伸力，并且直接承受剪切及退刀過程中的沖擊，導(dǎo)致退刀連桿極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。退刀連桿斷裂事故將會導(dǎo)致剪刃間隙無法保證，退刀機(jī)構(gòu)也無法退刀，伴隨的剪切效果表現(xiàn)為廢料翻轉(zhuǎn)，切變質(zhì)量極差。檢修更換退刀連桿涉及到減速機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，施工難度大，且時(shí)間過長，通常情況下只能將斷裂處焊接起來繼續(xù)使用，不僅花費(fèi)時(shí)間極長，且留有隱患，將會帶來長時(shí)間的停產(chǎn)檢修并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

1　退刀連桿斷裂分析

1.1退刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作分析

圖1　主軸及軋機(jī)布置圖

對退刀連桿斷裂進(jìn)行分析的前提是分析退刀機(jī)構(gòu)是如何動(dòng)作的。退刀機(jī)構(gòu)是依靠兩個(gè)凸輪來驅(qū)動(dòng)的，見下頁圖2。凸輪1與凸輪2之間有一個(gè)固定的相位差，凸輪1的凸出部分對應(yīng)凸輪2的凹陷部分，凸輪1的凹陷部分對應(yīng)凸輪2的凸出部分，即當(dāng)凸輪1的凸出部分轉(zhuǎn)動(dòng)到與A點(diǎn)接觸時(shí)凸輪2的凹陷部分與B點(diǎn)接觸，此時(shí)橫梁AB繞O點(diǎn)順時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿AC向上移動(dòng)，并帶動(dòng)桿CDE繞D點(diǎn)順時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，E點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將桿FI和桿GH壓向左側(cè)，這就是非退刀階段；而凸輪1的凸出部分轉(zhuǎn)動(dòng)到與A點(diǎn)接觸時(shí)凸輪2的凹陷部分與B點(diǎn)接觸，此時(shí)橫梁AB繞O點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿AC向下移動(dòng)，并帶動(dòng)桿CDE 繞D點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，E點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將桿FI和桿GH拉向右側(cè)，這就是退刀階段；而凸輪1和凸輪2的凸出部分和凹陷部分之間都有一段過渡圓弧，當(dāng)凸輪1與A點(diǎn)接觸的部位從凹陷部分進(jìn)入凸出部分時(shí)，為進(jìn)入退刀階段；而當(dāng)凸輪1與A點(diǎn)接觸的部位從凸出部分進(jìn)入凹陷部分時(shí)，為進(jìn)入非退刀階段。

圖2　退刀機(jī)構(gòu)連桿模擬圖

因此，退刀機(jī)構(gòu)的動(dòng)作總結(jié)為以下四個(gè)階段：非退刀階段、進(jìn)入退刀階段、退刀階段、進(jìn)入非退刀階段。

1.2退刀機(jī)構(gòu)受力分析

由于退刀機(jī)構(gòu)、拉回缸及剪刃間隙調(diào)整裝置配合在一起使用，所以在分析退刀機(jī)構(gòu)時(shí)很有必要將拉回缸一起分析，而剪刃間隙調(diào)整裝置對退刀機(jī)構(gòu)的受力情況影響不大，所以在此處不作分析。退刀機(jī)構(gòu)和拉回缸的受力圖，（見圖3）。

圖3　退刀機(jī)構(gòu)受力分析

圖3中OBC為導(dǎo)向框架，單獨(dú)對其作受力分析得出：

由式（1）—（4）可知：

對于桿LMN有：

式中MDM為扭矩。則有方向向下。

由于拉回缸的拉力一直存在，在拉回缸的作用下，退刀連桿上一直存在FL=4.06×104N，方向向下的拉力。由上面的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知當(dāng)處于非退刀狀態(tài)時(shí)，退刀連桿承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而當(dāng)處于退刀狀態(tài)下時(shí)，退刀機(jī)構(gòu)實(shí)際上也是在拉回缸的拉力下完成的退刀，根本不需要凸輪提供動(dòng)力，所以退刀連桿承受FL=4.06×104N、方向向下的拉力；而當(dāng)處于進(jìn)入退刀階段時(shí)情況與上面的是一樣的；但當(dāng)處于進(jìn)入非退刀階段時(shí)，由凸輪提供動(dòng)力來使退刀后的連桿提升，此動(dòng)力的大小只需要FL=4.06×104N即可。由以上分析可知退刀連桿受力即為FL=4.06×104N。以此數(shù)據(jù)作為參考來對退刀連桿進(jìn)行有限元分析。

1.3退刀連桿有限元分析

華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠（以下簡稱五米寬厚板廠）的雙邊剪退刀連桿在使用中多次出現(xiàn)過斷裂現(xiàn)象。斷裂處如圖4所示。

圖4　退刀連桿斷裂處

經(jīng)檢查斷面非常整齊，對于連桿而言斷裂處為其危險(xiǎn)截面，此處為M64的螺紋，螺距為4 mm，小徑約58.5 mm。然而設(shè)計(jì)上是將螺栓作為薄弱面，因此筆者認(rèn)為連桿斷裂處直徑尺寸過小。在對其應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，分別對連桿和螺栓進(jìn)行有限元分析并比較其應(yīng)力情況，最后根據(jù)分析情況更改連桿尺寸并比較前后的應(yīng)力情況及薄弱點(diǎn)是否有轉(zhuǎn)移。

另外退刀連桿的材料選為EN10025標(biāo)準(zhǔn)的S355J2G3，其抗拉強(qiáng)度取σ1b=550 MPa。

而退刀連桿下方兩個(gè)方塊之間的連接依靠的是2 個(gè)8.8級M42的不帶螺母的內(nèi)六角螺栓，其螺紋橫截面積為螺栓的抗拉強(qiáng)度為σ2b= 800MPa，其應(yīng)力為

由此可見退刀連桿的應(yīng)力反而比螺栓的應(yīng)力小，但螺栓的抗拉強(qiáng)度比退刀連桿要大，正常情況下退刀連桿的壽命有可能比螺栓要短，在同樣情況下退刀連桿會比螺栓先斷與實(shí)際情況相符。

退刀連桿有限元分析圖見圖5，固定連桿上端的孔，對連桿下方施加FL=4.06×104N的拉力，對連桿劃分網(wǎng)格并計(jì)算后得出連桿下方最細(xì)處為薄弱點(diǎn)，其最大應(yīng)力為σ3=2.4 MPa。

圖5　退刀連桿有限元分析

螺栓有限元分析圖見圖6，由于對螺紋有限元的計(jì)算耗時(shí)過長，而螺紋又具有重復(fù)性，為了計(jì)算方便，我們將螺栓簡化為直徑為Φ37 mm的圓鋼，固定圓鋼上端，對連桿下方施加FL=4.06×104N的拉力，對連桿劃分網(wǎng)格并計(jì)算后得出圓鋼上方為薄弱點(diǎn)，其最大應(yīng)力為σ4=2.6 MPa。另外選取圓鋼任一點(diǎn)的應(yīng)力為σ5=1.9 MPa，并以此應(yīng)力計(jì)算其壽命。

圖6　螺栓有限元分析圖

2　結(jié)語

退刀連桿的應(yīng)力反而比螺栓的應(yīng)力小，但螺栓的抗拉強(qiáng)度比退刀連桿要大。由此可見，正常情況下退刀連桿的壽命有可能比螺栓要短，在同樣情況下退刀連桿會比螺栓先斷。華菱湘潭鋼鐵公司五米寬厚板廠整改的方向就很明確，為了確保設(shè)備具有合理的可靠性及安全系數(shù)，并且維修成本不高，五米寬厚板廠對退刀連桿及螺栓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使螺栓的抗拉極限低于退刀連桿的抗拉極限，就可以做到螺栓永遠(yuǎn)比連桿先斷裂，從而保護(hù)退刀連桿不再斷裂。此結(jié)論已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際，整改后，五米寬厚板廠退刀機(jī)構(gòu)連桿再未斷裂。

[1]吳宗繹.機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]劉寶珩.軋鋼機(jī)械設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

（編輯：王慧芳）

Force Analysis and Improvement of Retracing Structure Rolling-cut Double Side Shear

HUO Jianjun
（5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，Xiangtan Hunan 411100）

This paper analyzes the retracing structure and its finite element calculation of rolling-cut double side shear of 5.0 m Plate Mill Plant of Hunan Valin Xiangtan Iron&Steel Co.，Ltd.，and gets its regulation to reform the retracing structure.After reform，The plant connecting rod and the blade is not broken any more.

plate mill，double-side shear，finite element，retracing，decentration

TG333.21

A

1672-1152（2016）04-0088-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.30

2016-06-05

霍建軍（1988—），男，從事機(jī)械設(shè)備管理類工作，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝與設(shè)備。