限動齒條連接的設計改進

黃凈國

（洛陽銳騰機械設備有限公司，河南471000）

0 引言

芯棒限動裝置作為連軋管工藝過程中重要一環設備，其運行穩定性至關重要。限動齒條作為芯棒限動裝置中的重要零部件，通常由3～4節相同的短齒條通過雙螺栓或啞鈴型連接塊連接形成一條更長的齒條。兩種連接方式在長期的使用中存在著不同類型的問題，困擾著廣大現場維護人員。

1 雙螺栓連接使用中存在的問題及故障分析

168機組雙螺栓連接形式見圖1。

限動齒條是三輥連軋管機組的重要組成部分，具有“軋制前將芯棒穿入毛管”和“在軋制時限動芯棒”的功能。限動齒條帶上下齒和滾輪在跑床上運行[1]。限動齒條是由4臺交流電機經聯軸器、齒輪減速機及在限動力矩裝置的聯軸器驅動齒輪軸，通過4個齒輪軸傳動限動齒條[2]。整套設備速度快、質量大、慣性大。限動齒條在運行一段時間后易發生雙螺栓連接松動的問題，螺栓松動后導致齒條連接區側護板銷釘及螺栓受剪松動并斷裂，進而引起護板掉落等嚴重故障，造成機組停產。

圖1 雙螺栓連接形式（168機組）

在鋼管軋制過程中限動齒條受到循環往復的拉應力，連接螺栓在工作時承受交變橫向載荷，隨著載荷循環次數的增加，螺栓連接的螺紋副應力和接觸壓力會發生變化，在累計一定時間后導致螺栓連接的自松弛[3]。張緊力下降的極端情況是拉斷、斷牙等，此類失效導致的連接夾緊力的消失，可能引起重大事故[4]。限動床身前部因長期高溫下承受大負荷而出現變形塌腰，齒條運行至該區域時運行軌跡發生變化[1]，導軌面的不平引起齒條在連接區受到附加的彎曲力矩及沖擊。雙螺栓連接在以上因素的聯合作用下發生松動，在彎矩及沖擊作用下進一步加劇了前后齒條端面的擠壓磨損變形。

為防止螺栓松動問題的發生，現場人員通常采用焊接的方式將螺栓及螺母焊接固定。由于螺栓和螺母已焊接為一體，拆卸時無法使用電加熱棒加熱螺母使連接膨脹拆開連接。在需要拆卸齒條時，必須使用氧氣乙炔切掉連接兩端螺母，在操作過程中往往不可避免地損傷齒條連接部位。

齒條材質為合金鋼，合金材料碳當量高，焊接性能差，焊接前后需加熱，可能引起變形[5]。由于現場條件限制，往往無法完成正確的焊接前后處理。焊接防松時易發生工人錯誤，如將螺母焊接在齒條上，引起齒條連接區產生應力集中現象，造成齒條本體損傷，嚴重時會造成齒條斷裂，造成重大損失。南方某廠齒條斷裂兩端圖見圖2。

圖2 南方某廠齒條斷裂兩端圖

2 168限動齒條連接的設計改進

168原限動齒條兩段之間通過加熱型預緊螺栓連接在一起，安裝時采用電加熱棒加熱，使螺栓伸長后擰緊螺母，待螺栓冷卻后收縮產生預緊力。雙螺栓連接形式存在鎖緊面小、預緊力不等、螺栓防松及松動等缺點。由于齒條使用工況惡劣，現場在采用焊接防松方法后，發生了螺栓連接的拆卸問題。

對雙螺栓連接形式出現的問題進行詳盡分析后，將新齒條的連接設計為啞鈴型連接。各組齒條端部加工凹狀連接槽，裝配時以啞鈴狀連接桿連接鎖緊，通過電熱棒加熱，使連接桿長度膨脹后裝入兩端齒條連接槽，回復常溫后鎖緊實現預緊功能[5]。

168機組改進后啞鈴型連接形式見圖3。

啞鈴型連接較雙螺栓連接型式存在以下優點：

（1）啞鈴型連接緊力大、受力均勻。連接塊桿截面積較雙螺栓截面積大，同等過盈量情況下預緊力更大，連接更穩固；連接塊在冷卻收縮后，預緊力均勻作用在四個接觸面上，避免了雙螺栓型式預緊力不均的現象。

（2）齒條定位準確牢固。原雙螺栓連接通過螺栓收縮產生預緊力，齒條端面中部3個短鍵塊進行定位。鍵塊由于長度過短，在工作一段時間后很快發生鍵塊擠壓變形、齒條鍵槽磨損、鍵塊緊固螺釘斷裂等故障。若不拆開齒條進行更換，將嚴重影響齒條正常運行。改為連接塊形式后，齒條的定位采用上下對稱的兩件長鍵條定位。鍵條有效受力面積是原來的4．8倍，定位更為準確牢固。

圖3 啞鈴型連接形式（168機組改進后）

（3）后期維護方便。將原螺栓型式改進為連接塊型式后，從設計源頭上直接避免了現場的焊接防松方式。安裝時，連接塊在齒條外部通過加熱棒加熱后迅速安放進齒條連接區并調平，連接塊與齒條非工作面間預留空隙，待等卻至室溫即完成安裝主要操作。拆卸時，通電后待連接塊加熱與齒條產生合理溫差后即可拆開齒條。

（4）帶調整墊的啞鈴型連接塊壽命長久。連接塊在長期使用及多次拆卸后往往不可避免地會產生“蠕變”伸長或壓緊面磨損，影響二次使用。在設計時將連接塊與齒條兩端相觸面間新增一對不同材料的調整墊。調整墊可以彌補連接塊制造誤差、后期蠕變誤差，修復連接塊后測量相關尺寸并修磨兩調整墊后可再次使用，減少了連接塊的備件數量。

168限動齒條雙螺栓連接原始設計過盈量為0．26 mm，最大過盈量不超過0．35 mm。在進行雙螺栓結構向啞鈴型連接塊形式轉換時需將原預緊力轉化為啞鈴型連接塊的過盈量。

原螺栓直徑106 mm，螺栓內孔直徑28 mm，雙螺栓計算截面積S=16 418 mm2。轉化方法如下：

式中，為桿件、螺栓伸長量（L對應原始長度），mm；E=206×103MPa 彈性模量；L=300 mm(連接區長度)；α=12．4×10-6/℃，鉻鋼線膨脹系數[6]。

原雙螺栓最大過盈量0．35 mm，帶入公式（1）計算，可得雙螺栓連接原始預緊力為3945792N，此處按400 t計，結合天津無縫鋼管總廠軋管車間φ250 mm限動芯棒連軋管機組芯棒限動機構最大芯棒限動力為300 t[7]。此處168限動齒條設計時400 t預緊力足夠。

改進后啞鈴型連接塊桿截面積S=30 840 mm2，將公式（1）進行變形，反求出=0.19 mm。即改進后要達到同等預緊力，啞鈴型連接塊過盈量僅需0.19 mm。考慮測量及加工誤差新設計過盈量取0.2～0.23 mm，此時預緊力可達到400～475 t。

3 啞鈴型連接塊使用維護的探討

根據公式（2）計算可知，在過盈量為0.2 mm確定的情況下，將公式（2）進行變形，可得拆卸時最低加熱后溫差=60℃。

齒條在拆卸時，電加熱棒將熱量傳遞至連接塊，引起連接區桿受熱膨脹伸長，產生間隙后拆除調整墊即可完成拆卸過程。但在實踐過程中，現場往往將設計過盈量人為加大，造成拆卸困難。在168機組齒條拆卸試驗時，加熱棒通電后連接塊及齒條均存在不同程度溫升，現場測量連接塊外側平衡溫度約220～280℃、齒條被鎖緊區溫度約90～120℃。現場安裝過盈量0.45 mm時，難以拆下調整墊。

通過熱模擬有限元分析，探究該連接形式理論最大間隙量。將SOLIDWORKS Simulation熱分析用于處理固體熱傳導。熱分析中溫度是基本未知量，類似于結構分析中的位移。通過SOLIDWORKS Simulation熱分析建立對應模型，設置連接塊加熱桿實際最高工作溫度300℃，達到穩態時模擬結果見圖4。

圖4 穩態熱力圖

通過圖解工具，ISO剪裁選項測得平衡態連接塊鎖緊區溫度為270℃，齒條被鎖緊區溫度在110℃以內，見圖5、圖6。連接塊與齒條連接區域溫差約160℃。兩個區域熱膨脹伸長量最大差值為160×α×310=0.6 mm。

考慮安裝拆卸的便捷性，該連接結構使用時不可將過盈量調整過大，否則在齒條未找平的情況下會引起拆卸困難。

圖5 穩態270℃以上區

圖6 穩態110℃以上區

安裝時有兩種熱裝方法。方法一：在條件允許情況下，安裝時應優先將連接塊置于齒條外部通電加熱，并采取適當保溫措施，此方法可避免加熱時熱量傳遞至齒條連接區引起膨脹，從而快速達到安裝所需間隙量。方法二：采用連接塊置于齒條內部加熱的方法時，此時如圖7所示，應通過墊片調整連接塊位置，使連接塊與齒條之間留出空隙，以減小熱傳導作用，此時熱輻射所引起的齒條溫升最小。

圖7 齒條內部加熱

4 啞鈴型連接設計及使用建議

根據對現場安裝拆卸過程的跟蹤及熱分析模擬，筆者對啞鈴型連接塊的設計及使用提出以下建議：

（1）安裝時，在條件允許狀況下，應優先將連接塊在齒條外部加熱后再放入齒條連接區。該操作方便、加熱時間短、便于直接使用工具測得膨脹尺寸，一次安裝到位。待連接塊安裝到位后，應迅速調整連接塊，使非工作面與齒條間預留出空隙，以減小拆卸時熱傳導引起的齒條膨脹。

（2）加熱棒通電后由于熱傳導及對流的存在，熱量在連接塊內部逐漸向外部傳導并最終達到一個穩態過程。由于功率和結構外形限制存在一平衡溫差，由此溫差產生的最大間隙值約為0.6 mm（168機組）。

（3）當調整墊過盈量選擇過大時，前后兩齒條在導軌上未放平，嚴重影響了連接塊的順利拆除，故安裝及拆卸兩齒條時，應首先將兩齒條水平放置，減小附加力矩。

（4）在設計時，電加熱棒應按較大功率設計，以利于連接塊快速受熱膨脹產生較大溫差。加熱棒安裝孔間隙不應過大，以加強熱傳導作用、利于快速傳熱。

（5）現場在拆卸作業時，應測量連接塊與齒條被鎖緊區兩處溫度，當兩處溫差達到80～100℃時即可進行拆卸調整墊的嘗試。

5 結語

通過比較可知，啞鈴型連接塊在現場使用過程中較雙螺栓連接型式具有預緊力均勻，結構強度大，抗變形能力強，安裝及拆卸方便等優點。通過將雙螺栓連接型式改進為啞鈴型連接塊型式，延長了連接件的使用壽命及次數、提高了齒條運行穩定性、避免了現場出現不合適的防松方法、減少了備件量，達到了良好的使用效果。從現場維護及使用情況來看，新制齒條在能夠滿足設計目的的情況下，建議優先選用啞鈴型連接塊的連接形式。