开卷机卷筒铜楔块不良问题及对策分析①

董春光

(常州宝菱重工机械有限公司， 江苏 常州　213019)



开卷机卷筒铜楔块不良问题及对策分析①

董春光

(常州宝菱重工机械有限公司， 江苏 常州213019)

阐述了开卷机卷筒铜楔块的设计、使用中出现的问题及其解决措施，同时研究了具体的设计和计算方法。建立了上述主要参数的计算模型，为开卷机卷筒的设计和控制提供了理论基础。

开卷机； 卷筒； 铜楔块； 断裂故障

引　言

铜楔块是开卷机卷筒的重要机械零件，开卷机的性能能否正常发挥主要取决于卷筒的开卷能力，铜楔块的质量保证是卷筒正常运转的必要条件，对于卷筒的承载能力和使用寿命起着重要作用。铜楔块的使用寿命受到设计、计算、润滑、使用和零件制造等较多因素影响。

1　铜楔块故障现象

铜楔块的制造质量、结构设计和使用方法直接影响卷筒的性能，若某个环节出现问题，会造成开卷机故障。

常州宝菱重工机械有限公司为国内某大型钢铁公司提供了多条连退机组开卷机，有几台开卷机卷筒的铜楔块头部发生断裂故障。断裂图片如图1所示，铜楔块外形如图2所示。

经过分析，在正常设计和使用条件下，该零件的使用寿命较长；而发生故障的零件使用寿命较短，且失效形式都是断裂，说明问题一定存在于设计、润滑、使用和零件制造等环节中。

图1　断裂形状

图2　铜楔块外形

2　故障分析

2.1设计输入条件

2.1.1零件参数

材料为ZCuAl10Ni6Fe5，化学成分如表1所示；抗拉强度>600 MPa，屈服强度>250 MPa，脉动疲劳弯曲极限304 MPa，循环弯曲疲劳极限183 MPa，疲劳特性曲线如图3所示，弹性模量E=10300 kg/mm2。

表1　铜楔块化学成分表

2.1.2设备相关参数

马达：400 kW，435/1800 r/min；速比：i=4.1；开卷张力：T=36 kN;钢卷外径：D= 2100 mm;旋转油缸规格：Φ250 mm×(115～175) mm ;旋转油缸油压：P=140 kg/cm2;铜楔块摩擦系数：μ=0.1(正常时),μ=0.15(异常时)；钢板与卷筒摩擦系数：μ1=0.2(正常时)；斜楔角度：α=10°；卷筒结构外形图：如图4所示；铜楔块受力模型：如图5所示，得出油缸力、斜楔角度和径向力的关系；铜楔块头部受力情况：如图6所示。

图3　青铜疲劳特性曲线

2.2计算分析

在最大开卷张力、最大钢卷直径条件下，必须的油缸拉力Fb=Fr×tan(2ρ+λ)=40000 kg，旋转油缸可提供最大拉力F=π(D2-d2)/4×P=54180 kg>40000 kg，油缸拉力满足开卷要求。在油缸最大拉力时形成的卷筒径向压力Fr=F/tan(2ρ+λ)=138102 kg，正常情况下卷筒缩小时必须的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=3426 kg(取μ=0.1正常时)，此时每块斜楔勾头承受力Fg=T/4×1.4(冲击系数)=1199 kg；异常情况下卷筒缩小时必须的油缸推力T=Fr×tan(2ρ-λ)=17107 kg(取μ=0.15异常时)，此时每块斜楔勾头承受力Fg=T/4×1.4(冲击系数)=5987 kg，卷筒胀开时端部哈夫环可提供推力Fh=螺栓预紧力×0.3=1155 kg。由此，铜楔块头部受油缸力及打开自锁条件比较清楚。

图4　卷筒结构外形图

图5　铜楔块受力模型

图6　楔块头部受力

其中P=W×1375/2625×Kf=34000×1375/2625×1.35=24043kg(如图9所示)；

L=461 mm，F=54180 kg，S=167 mm，O=334 mm。

图7　轴套配合间隙

图8　轴套受力模型

图9　外支撑受力分析

图10　轴套受力分析

2.3有限元分析

正常情况下，楔块头部受拉，Simulation分析情况如图11，12所示。应力情况，根部达到103 MPa，安全系数183/103=1.8。X方向头部最大变形0.038 mm。

图11　正常情况下楔块应力

图12　正常情况下楔块变形

异常情况下，斜楔勾头受拉，Simulation分析情况如图13，14所示。应力情况，根部达到492 MPa，大概寿命131968次(脉动)，1379次(对称循环)。X方向勾头部最大变形0.17 mm，在宽度方向上的变形分布情况如图15所示。

图13　异常情况下楔块应力

图14　异常情况下楔块变形

2.4实物分析

从楔块断裂实物上取三组试样，取样位置如图16所示，进行机械性能分析，报告如图17所示。实物的机械性能与设计要求有一定差距。

图15　宽度方向的变形情况

图16　断裂实物取样位置

3　原因分析和对策措施

从材料的符合性方面来看，实际所用材料从化学成分到机械性能未能满足设计要求，需要在今后的制作过程中引起足够重视。

从设计角度分析，虽然正常情况下使用没有问题，但当滑动面润滑异常，头部的哈夫环对楔块头部受力引起对称循环应力，负载缩径时头部易断裂；扇形板交错齿处若有垃圾存在，会阻碍缩径，也会引起斜楔头部断裂；轴套间隙偏大，使头部外支撑力作用在楔块头部也易使楔块断裂。楔块头部R2圆角设计得偏小，应力集中效果明显。

编号工令号产品名称及图号屈服强度(ReL)MPa抗拉强度(Rm)MPa规定非比例延伸强度(Rp)断后伸长率(A)断面收缩率(Z)%AKJ第1个20620111斜契块2223199746022513第2个20620111斜契块2223199749522016.5第3个20620111斜契块2223199751523018

图17　试样分析情况

改进措施有：加强楔块材料及尺寸方面验收时的符合性检查，增加超声波探伤；改善楔块润滑条件，确保按时加注润滑脂；减小轴套与轴的配合间隙，避免外支撑力直接作用在楔块上；适当降低旋转油缸无杆腔油压；适当增大有杆腔油压，避免外支撑力对楔块头部形成的负载缩径力；尽量避免负载状态下的缩径；合理安装哈夫环，保证其与楔块间隙>0.2 mm，避免循环应力效应；适当增大楔块头根部圆角R2。

4　结束语

通过开卷机卷筒铜楔块的分析和研究，给出了确定卷筒铜楔块的计算方法、设计原则和制造要点，从而保证了开卷机的有效工作，这对于提高设备工作效率和开卷质量具有重要的意义。

2016-01-23

董春光(1974—)，男，高级工程师。电话：13861024336

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