螺旋埋弧焊管預精焊精焊外焊升降裝置的改進

吳來友， 陳 濤

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

從德國進口的螺旋埋弧焊管預精焊機組主機全套設備， 可生產規(guī)格為Φ610 mm～Φ1 626 mm的鋼管。 在焊接不同規(guī)格的鋼管時， 外焊機構需要升降定位。 外焊升降系統(tǒng)主要由滾珠絲杠、 直線滑軌、 抱閘裝置組成， 電機帶動滾珠絲杠實現升降。 滾珠絲杠具有傳動效率高、 低速無爬行、運動可逆性、 壽命長等優(yōu)點。 實際使用過程中，由于所受阻力較大， 經常會出現絲杠脫落故障，嚴重影響生產效率。 通過對升降系統(tǒng)結構進行分析， 找出了絲杠脫落的原因， 并設計了一套支承裝置， 對升降裝置進行了改進。

1 改造前外焊升降系統(tǒng)結構

圖1 改造前外焊升降系統(tǒng)結構示意圖

改造前外焊升降系統(tǒng)結構如圖1 所示。 由圖1可見， 外焊機構通過螺栓連接固定在外焊連接板上。 外焊連接板分別與滾珠絲杠絲母、 4 個直線導軌滑塊和4 個鎖緊滑塊相連。 直線導軌滑塊沿直線滑軌做直線運動， 當需要實現升降運動時， 鎖緊滑塊收到信號松開， 升降電機得電帶動絲杠做旋轉運動。 在直線滑軌約束下， 絲杠旋轉運動轉化為外焊裝置的直線升降運動。當滾珠絲杠停止運動時， 鎖緊滑塊抱緊直線滑軌成鎖緊狀態(tài)， 從而使外焊機構穩(wěn)定在工作位置。 電機和滾珠絲杠通過錐形聯軸器連接， 錐形聯軸器和絲杠通過摩擦傳遞扭矩， 間隙小，屬于無撓性連接， 具有高剛性， 同時軸向長度短， 節(jié)省安裝空間。 但是與傳統(tǒng)的鍵槽連接方式相比， 當受到較大的阻力時， 聯軸器與軸容易脫開。

2 改進方案

針對聯軸器容易脫開的問題， 筆者對升降裝置進行了改進。 改造遵循結構簡單、 占用空間小、 節(jié)約成本、 安裝方便的原則。 最初的改造方案有2 種。

方案1： 改變聯軸器與滾珠絲杠的連接方式， 將現有的錐形摩擦傳動改成鍵連接的形式。這種方式需要重新設計滾珠絲杠， 改動較大， 成本較高， 并且缺乏過載保護。

方案2： 設計一種承重裝置， 減輕聯軸器軸向負載， 同時能與滾珠絲杠一起旋轉， 減小滾珠絲杠底部的摩擦。

比較2 種改造方案， 從安裝空間、 所需費用、后期維護等多方面考慮， 顯然方案2 更經濟實用。

3 支承裝置的具體結構

常見的絲杠支承形式有4 種， 如圖2 所示。本研究所述的支承方式是立式的， 絲杠上端固定， 下端自由 （見圖2 （a））。 滾珠絲杠的直徑為32 mm， 長度為2 400 mm， 轉速為60 r/min，屬于中低轉速。 絲杠的長徑比較大， 剛度小， 撓性大， 可以嘗試改進成為一端固定， 一端游動的方式 （見圖2 （c））。

圖2 絲杠支承的4 種方式

新設計的支承裝置剖面結構如圖3 所示， 由隨動塊、 圓錐滾子軸承、 底板、 壓蓋組成。 滾珠絲杠下端插入到隨動塊上方的孔中， 隨動塊下端插入到軸承的內圈， 同時軸肩起到給軸承內圈定位作用， 軸承外圈和底板配合， 外圈靠壓蓋定位， 壓蓋與底板用螺栓連接， 支承裝置在豎直方向的調整余量可以通過擰緊螺栓實現。 底板用螺栓固定在絲杠導向裝置的殼體上， 當絲杠做旋轉運動時， 隨動塊跟著絲杠旋轉， 軸承的內圈跟著旋轉， 外圈不動。

圖3 新設計的支承裝置剖面結構示意圖

4 支承裝置的軸承選用及校核

滾珠絲杠安裝軸承常采用推力球軸承和角接觸球軸承的組合。 這種方式使軸向的剛度大幅提高， 但也增大了摩擦阻力， 同時軸承支架結構較大， 占用空間較大。 考慮到工作中滾珠絲杠的轉速不高， 盡量選用一個既能承受軸向載荷又能承受徑向載荷的軸承實現支承功能。 與角接觸球軸承相比較， 圓錐滾子軸承承受的軸向力更大。 結合絲杠的尺寸以及設備的安裝空間， 本次設計選用圓錐滾子軸承32908。

校核所選軸承受軸向力Fa=5 000 N， 徑向力Fr=500 N， 查表得出， 基本額定載荷Cr=31.5 kN，Cor=46 kN。

當量動載荷P=XFr+YF， 根據 《機械設計手冊》有關圓錐滾子軸承選型 （7-2-91）， Fa/Fr＞e=0.29，X=0.4， Y=2.1， 則P=0.4Fr+2.1Fa=0.4×500+2.1×5 000=10.7 kN， 所需額定動載荷

由于滾珠絲杠升降的頻率不高， 大多數時間處于靜止狀態(tài)， 軸承的使用壽命可選300 h， 查表得： 壽命因數fh=0.858； 旋轉速度60 r/min 時，速度因數fn=0.838； 力矩載荷因數fm=2； 沖擊因數fd=1.2； 溫度因數fT=1.0。

因此， 根據公式 （1） 可得到額定動載荷C=26.29 kN＜Cr， 可見所選軸承能滿足要求。

5 主要受力部件的有限元分析

借助有限元分析軟件對主要受力部件隨動塊做靜應力分析。 首先對隨動塊做靜應力分析建模， 由圖3 可知， 隨動塊與軸承內圈軸徑接觸的是固定面， 然后沿豎直方向添加5 000 N 的作用力， 沿徑向添加500 N 的水平作用力。 對隨動塊做網格劃分， 最后進行運算。 隨動塊的靜應力分析云圖如圖4 所示。

在所加載荷作用下， 最大應力σ=6.054 MPa,最大位移D=0.053 mm， 最小的安全系數為49.551，由第一強度理論可知隨動塊所受最大應力小于45鋼許用應力300 MPa， 說明設計符合強度要求。

圖4 隨動塊靜應力分析云圖

6 結束語

設計了一種螺旋埋弧焊管預精焊精焊外焊升降系統(tǒng)的支承裝置， 并通過有限元分析軟件對主要受力部件進行了分析校核， 自2018 年進行改造之后使用至今運行良好， 有效解決了滾珠絲杠的脫落故障， 提高了設備的作業(yè)率， 減少了維修人員勞動強度， 經濟效益好， 達到了預期的效果。