大噸位冷剪機(jī)裝配工藝探討及工藝改進(jìn)

李冬愛(ài)，張 琨，魏文君，付春嬋

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司,陜西 西安，710210)

0 前言

根據(jù)國(guó)家相關(guān)部委規(guī)定，自2018年11月1日起，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)建筑鋼材將執(zhí)行新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，新國(guó)標(biāo)代號(hào)為GB/T 1499.2-2018。新國(guó)標(biāo)取消了335 MPa級(jí)鋼筋，增加了600 MPa級(jí)鋼筋，形成了400 MPa、500 MPa、600 MPa強(qiáng)度系列級(jí)別，同時(shí)增加了帶E的抗震鋼筋牌號(hào)，因此螺紋鋼的抗拉強(qiáng)度由原來(lái)的355 MPa提高到了≥400 MPa的標(biāo)準(zhǔn)。鋼材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的提高以及當(dāng)前生產(chǎn)線單產(chǎn)的不斷提高，使鋼鐵公司原有棒材線精整區(qū)的冷剪機(jī)成為整條生產(chǎn)線的瓶頸。剪機(jī)的升級(jí)換代成為老線改造最迫切的需求，近兩年多條棒材生產(chǎn)線將原有的850 t冷剪升級(jí)改造為1 000～1 300 t冷剪。冷剪機(jī)的大齒輪和曲軸是大過(guò)盈量的錐面配合，由于國(guó)內(nèi)冷剪齒輪與偏心軸采取傳統(tǒng)的熱裝方法，不能滿足用戶對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢修要求，因此前兩年鋼廠采用進(jìn)口冷剪設(shè)備較多。某公司依據(jù)油膜密封原理，在嚴(yán)格控制機(jī)加工精度的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(chǎn)十多臺(tái)1 300 t冷剪機(jī)。

1 冷剪機(jī)的結(jié)構(gòu)

冷剪機(jī)主要是由電機(jī)帶動(dòng)皮帶1，驅(qū)動(dòng)飛輪2連接的二級(jí)傳動(dòng)齒輪組3，使偏心軸4旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿5使得滑架6上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程，如圖1所示為傳動(dòng)齒輪組示意圖。

圖1 傳動(dòng)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(shè)備的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)齒輪及曲軸的配合精度做了嚴(yán)格的調(diào)整，采用1：30錐度大過(guò)盈配合，最大過(guò)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(diǎn)及要點(diǎn)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(mén)板的安裝，尤其是偏心軸與大齒輪大過(guò)盈的安裝是整個(gè)設(shè)備裝配的重中之重。

錐面過(guò)盈連接具有對(duì)中性好、承載能力強(qiáng)、可重復(fù)性拆裝等優(yōu)點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)裝配方法

2.1 熱裝原理

傳統(tǒng)裝配采用熱裝法，熱裝是利用熱脹冷縮的原理，通過(guò)對(duì)包容件進(jìn)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(shí)際過(guò)盈量，mm；Δ為最小裝配間隙，查表得0.84 mm；t0為環(huán)境溫度，℃；α為包容件線膨脹系數(shù)，1/℃，查表碳鋼件為11.5×10-6℃；d為包容件孔徑，mm。

假設(shè)環(huán)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(guò)程的熱流失，為了保證裝配的順利進(jìn)行，通常加熱溫度會(huì)高于382 ℃的理論值。

2.2 熱裝法的缺點(diǎn)

2.2.1 使用時(shí)存在的缺點(diǎn)

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

(2)增加維修困難。冷剪設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)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(shí)間緊，熱裝過(guò)盈量控制難度較大，過(guò)盈量大會(huì)導(dǎo)致拆卸困難，過(guò)盈量小了會(huì)出現(xiàn)冷剪工作時(shí)大齒輪和曲軸松脫事故。熱裝導(dǎo)致冷剪現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)性能不佳。

2.2.2 制造時(shí)存在的缺點(diǎn)

(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(guò)程中無(wú)法靠近齒輪，必須依托工裝才能進(jìn)行齒輪的安裝，易發(fā)生人員安全事故。

(2)裝備時(shí)間長(zhǎng)。大噸位冷剪的大齒輪通常直徑超過(guò)2 m，只能進(jìn)熱處理爐進(jìn)行加熱。裝配過(guò)程大齒輪需要起吊、轉(zhuǎn)移、對(duì)準(zhǔn)、降落等幾個(gè)步驟才能安裝，裝配所需時(shí)間長(zhǎng)。且裝配后大齒輪溫度高需要很長(zhǎng)的降溫時(shí)間，后續(xù)的設(shè)備安裝只能停止等待。

同時(shí)，熱裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不確定性，一旦某個(gè)步驟出現(xiàn)延誤就會(huì)導(dǎo)致裝配失敗。如果事故嚴(yán)重可能需要對(duì)工件破壞性拆除，熱裝的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

3 冷裝油壓法

3.1 裝配原理

在齒輪與主軸加工過(guò)程中，通過(guò)磨床保證齒輪內(nèi)孔與偏心軸外圓配合的表面粗糙度值Ra≤0.8 μm以內(nèi)，在齒輪的內(nèi)孔和曲軸外圓是1/30錐面配合，便于裝配時(shí)導(dǎo)入。同時(shí)正式安裝前進(jìn)行錐面試裝，要求全長(zhǎng)范圍內(nèi)斑點(diǎn)接觸面積超過(guò)75%，且上下錐面配合密封帶完整。

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《過(guò)盈配合的油壓裝卸》(JB/T 6136─2007)可知，偏心軸的錐面與齒輪內(nèi)孔形成良好接觸，易獲得密封，同時(shí)選用運(yùn)動(dòng)粘度較高的礦物油避免滲漏，高壓油使齒輪的內(nèi)錐面和偏心軸的外錐面變形，形成油膜，當(dāng)齒輪與偏心軸之間產(chǎn)生徑向間隙時(shí)，在軸向力的作用下會(huì)使齒輪發(fā)生移動(dòng)，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(shí)，需計(jì)算結(jié)合面的壓力

P=δ/[df(Ca/Ea+Ci/Ei)]

整理計(jì)算結(jié)合面徑向壓力P=258 MPa。

裝配時(shí)液壓泵的油壓應(yīng)高于結(jié)合面的壓力，裝配時(shí)徑向油壓最大設(shè)定為280 MPa，軸向油壓按徑向油壓的1/5設(shè)定，即56 MPa。

3.2 冷剪本體大齒輪拆裝裝置

中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司據(jù)冷剪機(jī)的結(jié)構(gòu)及特性，設(shè)計(jì)制作了一套冷剪的專用工裝(專利號(hào)：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(wú)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(shí)，將大齒輪5放置到機(jī)架6內(nèi)部合適位置，將曲軸4從左側(cè)安裝到圖示位置，隔套3從曲軸4右側(cè)裝入，雙頭螺柱2左端擰入曲軸4，液壓螺母1按照?qǐng)D示狀態(tài)擰到雙頭螺柱2的右端壓緊隔套3。

通過(guò)液壓泵給A口充入高壓油，等待數(shù)分鐘給B口充入高壓油，同時(shí)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(duì)固定，缸體1-1在油壓作用下向左運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)隔環(huán)3及大齒輪5相對(duì)向左運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大齒輪5和曲軸4的過(guò)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(huán)3，擰緊螺母8。

通過(guò)液壓泵給B口充入高壓油，等待數(shù)分鐘給A口充入高壓油，同時(shí)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(duì)固定，缸體1-1在油壓作用下向右運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓環(huán)3及螺桿7拉動(dòng)大齒輪向右運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行裝配及拆卸，安裝實(shí)踐證明大齒輪齒面性能不發(fā)生改變，滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。安裝及拆解時(shí)間大為縮短，僅需2 h就可以完成從工裝制具的準(zhǔn)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(shí)，裝配過(guò)程中操作人員近距離接觸，安裝過(guò)程可控可調(diào)，可以輕松的掌握裝配細(xì)節(jié)，易于精確安裝到位，表1所示為1 300 t，過(guò)盈量1.2 mm時(shí)熱裝及冷裝油壓壓入法性能對(duì)比。

表1 熱裝及冷裝油壓壓入法的對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

冷剪大齒輪、曲軸的冷裝油壓法安裝簡(jiǎn)便易于拆裝，便于用戶現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)及檢修，同時(shí)也解決了國(guó)內(nèi)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(tái)1 000 t以上大噸位冷剪裝配，并且對(duì)多家鋼鐵公司的850 t冷剪進(jìn)行了在線修復(fù)，偏心軸與大齒輪的配合狀態(tài)良好，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，該油壓法裝配技術(shù)市場(chǎng)效益明顯。