大噸位冷剪機裝配工藝探討及工藝改進

李冬愛，張 琨，魏文君，付春嬋

(中鋼集團西安重機有限公司,陜西 西安，710210)

0 前言

根據國家相關部委規定，自2018年11月1日起，國內鋼鐵企業生產建筑鋼材將執行新的國家標準，新國標代號為GB/T 1499.2-2018。新國標取消了335 MPa級鋼筋，增加了600 MPa級鋼筋，形成了400 MPa、500 MPa、600 MPa強度系列級別，同時增加了帶E的抗震鋼筋牌號，因此螺紋鋼的抗拉強度由原來的355 MPa提高到了≥400 MPa的標準。鋼材抗拉強度標準的提高以及當前生產線單產的不斷提高，使鋼鐵公司原有棒材線精整區的冷剪機成為整條生產線的瓶頸。剪機的升級換代成為老線改造最迫切的需求，近兩年多條棒材生產線將原有的850 t冷剪升級改造為1 000～1 300 t冷剪。冷剪機的大齒輪和曲軸是大過盈量的錐面配合，由于國內冷剪齒輪與偏心軸采取傳統的熱裝方法，不能滿足用戶對設備的現場檢修要求，因此前兩年鋼廠采用進口冷剪設備較多。某公司依據油膜密封原理，在嚴格控制機加工精度的基礎上，通過制作專用裝配工裝，采用油壓壓入法圓滿解決了裝配難題，截止目前為止已生產十多臺1 300 t冷剪機。

1 冷剪機的結構

冷剪機主要是由電機帶動皮帶1，驅動飛輪2連接的二級傳動齒輪組3，使偏心軸4旋轉帶動連桿5使得滑架6上下運動實現剪切過程，如圖1所示為傳動齒輪組示意圖。

圖1 傳動齒輪組

本文以剪切力為1 300 t為例，主要探討冷剪偏心軸與大齒輪的安裝方案。1 300 t冷剪的剪切力較850 t冷剪的剪切力增大了450 t，為了保證設備的可靠性，設計時對齒輪及曲軸的配合精度做了嚴格的調整，采用1：30錐度大過盈配合，最大過盈量由850 t的0.84 mm增加到1.2 mm。

大噸位冷剪裝配的主要難點及要點為：冷剪偏心軸的大齒輪安裝，冷剪的滑架連桿的安裝，以及冷剪的前門板的安裝，尤其是偏心軸與大齒輪大過盈的安裝是整個設備裝配的重中之重。

錐面過盈連接具有對中性好、承載能力強、可重復性拆裝等優點。

2 傳統裝配方法

2.1 熱裝原理

傳統裝配采用熱裝法，熱裝是利用熱脹冷縮的原理，通過對包容件進行加熱，使包容件孔膨脹到需要的尺寸，將被包容件裝入，包容件溫度降低后與被包容件緊固連接的方法。

熱裝需要的加熱溫度

t=[(δ+Δ)/(αd)]+t0

式中，t為工件加熱溫度，℃；δ為實際過盈量，mm；Δ為最小裝配間隙，查表得0.84 mm；t0為環境溫度，℃；α為包容件線膨脹系數，1/℃，查表碳鋼件為11.5×10-6℃；d為包容件孔徑，mm。

假設環境溫度為20 ℃，所需加熱溫度

t=[(1.2+0.84)/(11×10-6×511)]+20=382 ℃

考慮到裝配過程的熱流失，為了保證裝配的順利進行，通常加熱溫度會高于382 ℃的理論值。

2.2 熱裝法的缺點

2.2.1 使用時存在的缺點

(1)壽命短。熱裝溫度達到了中溫回火的溫度，會造成齒輪的齒面硬度降低HB30～50，齒輪使用壽命會明顯縮短，增加設備檢修頻次及使用維護成本。

(2)增加維修困難。冷剪設備進行維護時需要更換靠近大齒輪的主銅套，更換銅套必須拆卸曲軸和大齒輪。在線拆卸維修時間緊，熱裝過盈量控制難度較大，過盈量大會導致拆卸困難，過盈量小了會出現冷剪工作時大齒輪和曲軸松脫事故。熱裝導致冷剪現場檢修維護性能不佳。

2.2.2 制造時存在的缺點

(1)安全事故隱患大。大噸位冷剪大齒輪的熱裝溫度高,人員在安裝過程中無法靠近齒輪，必須依托工裝才能進行齒輪的安裝，易發生人員安全事故。

(2)裝備時間長。大噸位冷剪的大齒輪通常直徑超過2 m，只能進熱處理爐進行加熱。裝配過程大齒輪需要起吊、轉移、對準、降落等幾個步驟才能安裝，裝配所需時間長。且裝配后大齒輪溫度高需要很長的降溫時間，后續的設備安裝只能停止等待。

同時，熱裝過程中會出現不確定性，一旦某個步驟出現延誤就會導致裝配失敗。如果事故嚴重可能需要對工件破壞性拆除，熱裝的風險相對較大。

3 冷裝油壓法

3.1 裝配原理

在齒輪與主軸加工過程中，通過磨床保證齒輪內孔與偏心軸外圓配合的表面粗糙度值Ra≤0.8 μm以內，在齒輪的內孔和曲軸外圓是1/30錐面配合，便于裝配時導入。同時正式安裝前進行錐面試裝，要求全長范圍內斑點接觸面積超過75%，且上下錐面配合密封帶完整。

根據機械行業標準《過盈配合的油壓裝卸》(JB/T 6136─2007)可知，偏心軸的錐面與齒輪內孔形成良好接觸，易獲得密封，同時選用運動粘度較高的礦物油避免滲漏，高壓油使齒輪的內錐面和偏心軸的外錐面變形，形成油膜，當齒輪與偏心軸之間產生徑向間隙時，在軸向力的作用下會使齒輪發生移動，在這兩者的交替配合作用下使大齒輪壓入到工作位置。

裝配時，需計算結合面的壓力

P=δ/[df(Ca/Ea+Ci/Ei)]

整理計算結合面徑向壓力P=258 MPa。

裝配時液壓泵的油壓應高于結合面的壓力，裝配時徑向油壓最大設定為280 MPa，軸向油壓按徑向油壓的1/5設定，即56 MPa。

3.2 冷剪本體大齒輪拆裝裝置

中鋼集團西安重機有限公司據冷剪機的結構及特性，設計制作了一套冷剪的專用工裝(專利號：2017201789926 一種)，可以方便的拆卸850T-1300T之間的各種大齒輪、曲軸裝配采用錐面無鍵連接形式的冷剪。如圖2所示為液壓齒輪拆裝裝置安裝齒輪。

圖2 液壓齒輪拆裝裝置安裝齒輪

裝配時，將大齒輪5放置到機架6內部合適位置，將曲軸4從左側安裝到圖示位置，隔套3從曲軸4右側裝入，雙頭螺柱2左端擰入曲軸4，液壓螺母1按照圖示狀態擰到雙頭螺柱2的右端壓緊隔套3。

通過液壓泵給A口充入高壓油，等待數分鐘給B口充入高壓油，同時逐步提高A口，B口的油壓，曲軸4、雙頭螺柱2、活塞1-2相對固定，缸體1-1在油壓作用下向左運動，推動隔環3及大齒輪5相對向左運動，實現大齒輪5和曲軸4的過盈裝配。

圖3所示為液壓齒輪拆裝裝置拆卸齒輪。將雙頭螺柱2左端擰入曲軸4，液壓螺母1擰入雙頭螺柱2的右端，六根螺桿7一端擰入大齒輪5，裝上壓環3，擰緊螺母8。

通過液壓泵給B口充入高壓油，等待數分鐘給A口充入高壓油，同時逐步提高A口，B口的油壓，曲軸4、雙頭螺柱2、活塞1-2相對固定，缸體1-1在油壓作用下向右運動，通過壓環3及螺桿7拉動大齒輪向右運動，完成大齒輪5和曲軸4的拆卸工作。

圖3 液壓齒輪拆裝裝置拆卸齒輪

4 效果分析

冷剪大齒輪不需加熱，常溫進行裝配及拆卸，安裝實踐證明大齒輪齒面性能不發生改變，滿足圖紙設計要求。安裝及拆解時間大為縮短，僅需2 h就可以完成從工裝制具的準備到大齒輪與偏心軸裝配，便于用戶在線檢修更換主銅套等。同時，裝配過程中操作人員近距離接觸，安裝過程可控可調，可以輕松的掌握裝配細節，易于精確安裝到位，表1所示為1 300 t，過盈量1.2 mm時熱裝及冷裝油壓壓入法性能對比。

表1 熱裝及冷裝油壓壓入法的對比

5 結束語

冷剪大齒輪、曲軸的冷裝油壓法安裝簡便易于拆裝，便于用戶現場維護及檢修，同時也解決了國內冷剪在線維修以及更換備件的難題。目前我公司采用此方法完成了30余臺1 000 t以上大噸位冷剪裝配，并且對多家鋼鐵公司的850 t冷剪進行了在線修復，偏心軸與大齒輪的配合狀態良好，設備運行平穩，該油壓法裝配技術市場效益明顯。