切削鍋爐煙管用片刀刀桿設(shè)計(jì)理論計(jì)算

王凱軍，曹治明，趙玉記

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院新鄉(xiāng)分院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 概述

在鍋爐制造過程中，為了保證制造效率，煙管與管板通常采用粗裝備，也就是煙管伸出管板長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。這就要求在煙管與管板焊接完成后，還需通過片刀把過長(zhǎng)的煙管管端削短到符合標(biāo)準(zhǔn)《鍋殼鍋爐》GB/T16508-2013 的要求，這就需要用切削片刀來完成。片刀主要由四部分組成：刀桿、切削用刀、絲堵、滾動(dòng)軸承（如圖1）。片刀的制作主要由使用單位自己制造，大多無理論計(jì)算，這就導(dǎo)致在使用中片刀刀桿極易產(chǎn)生問題。常見問題有：（1）強(qiáng)度不足導(dǎo)致刀桿斷裂；（2）刀桿剛度不足導(dǎo)致所切削的煙管端頭偏斜，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1

2 存在問題分析

2.1 刀桿強(qiáng)度不足

刀桿強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致刀桿斷裂。刀桿一端與電機(jī)相連，另一端承載片刀，由電機(jī)提供切削動(dòng)力。在切削過程中由于切削阻力的作用，在刀桿兩端出現(xiàn)大小相等方向相反的一對(duì)力偶。所受力偶及扭矩如圖2 所示。

圖2

由圖2 可知，刀桿端面承受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。根據(jù)剪切胡克定律可知，在剪切比例極限內(nèi)，切應(yīng)力與切應(yīng)變成正比，所以在橫截面ρ 處的切應(yīng)力為：

通過式（1）我們可以知道扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力沿截面徑向線性變化。刀桿通常采用實(shí)心圓軸，其扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分布如圖3。通過圖3 我們可以知道實(shí)心圓軸的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力在軸斷面的最大半徑處。

最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τmax 不得超過材料的扭轉(zhuǎn)需用切應(yīng)力[τ]，一旦超過則刀桿的強(qiáng)度就無法保證，切削過程中刀桿就有可能斷裂飛出，導(dǎo)致生產(chǎn)停滯，甚至?xí)斐扇松韨Α?/p>

圖3

2.2 刀桿剛度不足

刀桿剛度不足導(dǎo)致在切削過程中易造成煙管管端伸出長(zhǎng)度偏斜，也就是管端不是一個(gè)平面，而是一個(gè)斜面。這就造成加工不美觀，給人以粗制濫造的感覺；并且若偏斜過大，就只能保證管端一側(cè)距管板距離能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，再切削就有可能切去角焊縫導(dǎo)致焊角高度達(dá)不到要求。

3 問題對(duì)策

3.1 刀桿斷裂對(duì)策

解決刀桿斷裂問題的關(guān)鍵在于解決刀桿強(qiáng)度，由于我們通常采用的是等截面實(shí)心軸，故刀桿強(qiáng)度應(yīng)滿足以下計(jì)算條件：

式中，τmax為最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力；Tmax為最大扭矩；Wp抗扭截面系數(shù)；[ ]τ為扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力。

對(duì)塑性材料[ ]τ=（0.5 ～0.6）[ ]σ，[ ]σ為材料許用應(yīng)力。通過圖2 可知：

式中， {}p為發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率，kW； {}n為軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

式中，d為實(shí)心軸圓截面直徑。

實(shí)心圓軸直徑d應(yīng)滿足以下條件：

通過以上公式我們可以知道，選刀桿時(shí)首先通過式（5）計(jì)算出實(shí)心圓軸的最小直徑d，實(shí)際選取的實(shí)心圓軸直徑d0≥d。然后把實(shí)際所選取的實(shí)心軸圓截面直徑d0帶入式（4）求出抗扭截面系數(shù)Wp，通過式（2）求出最大扭矩切應(yīng)力并與所選刀桿材料的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力進(jìn)行比較，若滿足則所選軸滿足強(qiáng)度要求。

3.2 刀桿剛度不足對(duì)策

式中，θ為單位長(zhǎng)度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)角；T為扭矩；G切變模量；鋼的切變模量G=75 ～80實(shí)心圓截面極慣性矩；[ ]θ單位長(zhǎng)度許用扭轉(zhuǎn)角，一般為。

式中，d為實(shí)心圓軸直徑。

在運(yùn)用中，依據(jù)式（5）計(jì)算出實(shí)心圓軸的最小直徑d，實(shí)際選取的實(shí)心圓軸直徑d0≥d，把d0帶入式（7）求出極慣性矩Ip。在通過式（6）計(jì)算出單位長(zhǎng)度內(nèi)的扭轉(zhuǎn)角θ，若滿足θ≤[ ]θ，則選取的實(shí)心圓軸直徑d0能滿足刀桿的剛度要求。

通過對(duì)刀桿強(qiáng)度與剛度的理論計(jì)算，更加合理地來選取片刀刀桿，最大程度地保證片刀刀桿的使用安全性及實(shí)效性。