切削锅炉烟管用片刀刀杆设计理论计算

王凯军，曹治明，赵玉记

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院新乡分院，河南 新乡 453003）

1 概述

在锅炉制造过程中，为了保证制造效率，烟管与管板通常采用粗装备，也就是烟管伸出管板长度远大于标准要求。这就要求在烟管与管板焊接完成后，还需通过片刀把过长的烟管管端削短到符合标准《锅壳锅炉》GB/T16508-2013 的要求，这就需要用切削片刀来完成。片刀主要由四部分组成：刀杆、切削用刀、丝堵、滚动轴承（如图1）。片刀的制作主要由使用单位自己制造，大多无理论计算，这就导致在使用中片刀刀杆极易产生问题。常见问题有：（1）强度不足导致刀杆断裂；（2）刀杆刚度不足导致所切削的烟管端头偏斜，达不到标准要求。

图1

2 存在问题分析

2.1 刀杆强度不足

刀杆强度不足会导致刀杆断裂。刀杆一端与电机相连，另一端承载片刀，由电机提供切削动力。在切削过程中由于切削阻力的作用，在刀杆两端出现大小相等方向相反的一对力偶。所受力偶及扭矩如图2 所示。

图2

由图2 可知，刀杆端面承受扭转切应力。根据剪切胡克定律可知，在剪切比例极限内，切应力与切应变成正比，所以在横截面ρ 处的切应力为：

通过式（1）我们可以知道扭转切应力沿截面径向线性变化。刀杆通常采用实心圆轴，其扭转切应力分布如图3。通过图3 我们可以知道实心圆轴的最大扭转切应力在轴断面的最大半径处。

最大扭转切应力τmax 不得超过材料的扭转需用切应力[τ]，一旦超过则刀杆的强度就无法保证，切削过程中刀杆就有可能断裂飞出，导致生产停滞，甚至会造成人身伤害。

图3

2.2 刀杆刚度不足

刀杆刚度不足导致在切削过程中易造成烟管管端伸出长度偏斜，也就是管端不是一个平面，而是一个斜面。这就造成加工不美观，给人以粗制滥造的感觉；并且若偏斜过大，就只能保证管端一侧距管板距离能满足标准要求，再切削就有可能切去角焊缝导致焊角高度达不到要求。

3 问题对策

3.1 刀杆断裂对策

解决刀杆断裂问题的关键在于解决刀杆强度，由于我们通常采用的是等截面实心轴，故刀杆强度应满足以下计算条件：

式中，τmax为最大扭转切应力；Tmax为最大扭矩；Wp抗扭截面系数；[ ]τ为扭转许用应力。

对塑性材料[ ]τ=（0.5 ～0.6）[ ]σ，[ ]σ为材料许用应力。通过图2 可知：

式中， {}p为发动机输入功率，kW； {}n为轴的转速，r/min。

式中，d为实心轴圆截面直径。

实心圆轴直径d应满足以下条件：

通过以上公式我们可以知道，选刀杆时首先通过式（5）计算出实心圆轴的最小直径d，实际选取的实心圆轴直径d0≥d。然后把实际所选取的实心轴圆截面直径d0带入式（4）求出抗扭截面系数Wp，通过式（2）求出最大扭矩切应力并与所选刀杆材料的扭转许用应力进行比较，若满足则所选轴满足强度要求。

3.2 刀杆刚度不足对策

式中，θ为单位长度内的扭转角；T为扭矩；G切变模量；钢的切变模量G=75 ～80实心圆截面极惯性矩；[ ]θ单位长度许用扭转角，一般为。

式中，d为实心圆轴直径。

在运用中，依据式（5）计算出实心圆轴的最小直径d，实际选取的实心圆轴直径d0≥d，把d0带入式（7）求出极惯性矩Ip。在通过式（6）计算出单位长度内的扭转角θ，若满足θ≤[ ]θ，则选取的实心圆轴直径d0能满足刀杆的刚度要求。

通过对刀杆强度与刚度的理论计算，更加合理地来选取片刀刀杆，最大程度地保证片刀刀杆的使用安全性及实效性。