1前言湘钢棒材厂650型钢轧机为国家通用设计的轧机,该轧机的三辊人字齿轮轴与联轴节采取的 是重级过盈联接配合传递转矩,这种联接属不可拆联接,拆开会使零件配合面损坏,此种过盈联接 的优点是结构简单、承载能力高,能传递较大扭矩或受较大冲击负荷,且在振动工况下能可靠工作 ,通常用于需大过盈配合的轧钢设备中有辊子和心轴、轧钢机主传动联轴节等。该厂的工艺布置为 一架650轧机开坯,后续6架中轧机和6架精轧机组成半连轧生产线,生产圆钢和螺纹钢产品。 目前最高年产达到41.3万t以上。由于加热炉设计能力偏小,在产能进一步提升的过程中,6 50轧机生产存在低温钢的轧制及频繁的咬入冲击,造成650轧机负载加大,安全销剪断、安全 臼碎裂、轧机断辊、电机或变压器跳闸等现象发生较多,2004年1月还出现了中辊人字齿轴与 万向联轴节配合松动现象,面临停产状态,给设备的安全运行带来很大的威胁,因此必须对其进行 改进。2改进方案2.1配合松动分析及设计能力核算650轧机传动系统主要性能参数为:主电 机额定功率2500kW,额定电流572A,减速机中心距1800mm,轧辊转速82r/m in,设计轧制力3MN。轧机中辊人字齿与联轴节过盈联接设计的配合类型为340犤D(+ 0.050～0)/jd(+0.4～+0.35)犦,温差法装配加热温度为t=δmax+δ cad×103+t0=(0.4+0.2)×10010×10-6×340×103+20≈ 196(℃)犤1犦。2.1.1设计能力核算原设计配合340(D/jd),实际最小过盈 δmin=0.35-0.05=0.3=300(μm),实际最大过盈δmax=0.4-0 =0.4=400(μm),所需最小过盈δ'min=δmin-1.2(Rz1+Rz2)= 300-1.2(6.3+6.3)≈285(μm),所需最大过盈δ'max=δmax-1 .2(Rz1+Rz2)=400-1.2(6.3+6.3)≈385(μm),其中Rz1、 Rz2为轴、孔的表面微观不平度(十点平均高度)。δ'min=pmindE(1+d22+ d2d22-d2)×103犤1犦(1)pmin=2T/dπdlμ=2Tπd2lμ犤2犦 (2)式中:pmin———传递负荷所需最小压强,MPa;d———配合直径,mm;E—— —材料弹性模量(钢取2.1×105),MPa;l———配合长度,mm;μ———配合磨擦 系数(温差装配时钢取0.14);T———联轴节传递扭矩,N·m;d2———包容件外径, mm。由文献犤2犦可知:理论上上、中、下辊联轴节传递转矩约为系统传递转矩的一半(忽略磨 擦及空载等影响)。由式(1)可求得:pmin=δ'minEd(1+d22+d2d22- d2)×103=285×2.1×105340(1+6202+34026202-3402 )=61.55(MPa)由式(2)可求得:T=pmin·πd2lμ2=385×3.14 ×3402×280×0.142=43.79×107(N·mm)=43.79×104N· m同理可得设计最大过盈δ'max理论所能传递最大转矩极限值T'max=59.15×10 4N·m。T1=9550P1n1=P/2n/i犤2犦(3)103·P=3√U1I1co s犤3犦(4)式中:P———系统传递功率,kW;P1———联轴节处传递功率(P1=P /2),kW;n1———联轴节处传递转速,r/min;i———减速机速比(6.07); n———电机转速,r/min(2500kW电机转速为498r/min);T1———联轴 节传递转矩,N·m(T1=103T);U1———电机定子线电压,V(2500kW电机系 统为3000V);I1———电机定子线电流,A(2500kW电机系统额定电流为572A );cos———功率因数(棒材厂取0.84)。由(3)式和(4)式易知:该过盈联接设 计最小过盈量理论对应系统保障电流最大值Ilmax=1724A;设计最大过盈量理论对应系 统允许最大电流极限值Ilmax=2328A。2.1.2配合松动分析由2.1.1知:系统 轧制电流不允许超过1724A,否则就很有可能出现过盈联结松动问题,理论上在不考虑设计安 全系数情况下,如超过2328A则肯定将出现过盈联结松动。棒材厂在650轧机生产轧制过程 中频繁出现冲击电流过大,甚至出现超过2800A瞬时跳闸现象(2500kW电机过载电流整 定为800A,延时40s跳闸,瞬时跳闸保护电流整定为2800A),说明650轧机轧制已 经出现严重过负荷,大大超过原过盈联结设计负载,由于中辊受载频次为上、下辊的两倍,故最易 造成中辊传动辊过盈联结失效松动现象。3联轴节配合改进措施根据失效情况,可采取后述改进措 施:增加配合的过盈量;改变零件的材质和尺寸;改变联结方式(焊接);降低轧制力。经综合分 析,在配合出现松动的紧急状况下,先采取改变联结方式(焊接)方案应急处理,再采取增加配合 的过盈量方案最佳,这既能保证计划性连续化生产的需要,又能进一步挖掘设备潜能。3.1焊接 联轴节3.1.1焊条材质的选择焊接母材材质为40Cr,含碳量高,焊后热影响区及焊缝易形 成高碳马氏体,冷裂纹倾向严重,考虑到母材熔入焊缝金属中,碳钢合金元素增加,因此选用了含 碳量较低的ER50-6焊丝,抗拉强度σb=500MPa,由于有了互熔性,焊后焊缝σb可 达700MPa以上。3.1.2焊机及工具的选择(1)500A直流焊机一台,碳棒6mm, 反极性,气刨电流230A。(2)250ACO2焊机一台,电流150A,电压22.5～2 3V。(3)乙炔工具二套(预热、热处理用)。(4)红外线测温枪。3.1.3焊接方法采用 Ar-CO2(富氩80%,CO220%)混合气体保护焊,它能有效地减少焊缝的含氢量,从 而减少焊缝产生冷裂缝的可能性,同时加以焊前预热和焊后热处理。焊后热处理工艺为:将焊接工 件刨成单V形坡口,并将工件预热至(道间温度)250℃,然后采用点固、对称、分段焊接顺序 ,焊后将工件加热至高于MS点(10～40℃),保温1h后,再在空气中缓冷。3.2增加配 合的过盈量改进配合为特重级过盈配合340犤H7(+0.057～0)/v6(+0.51 1～0.475)犦;温差法装配加热温度t=δmax+δcad×103+t0=(0.56 5+0.2)×10010×10-6×340×103+20≈245(℃),装配时加热温度 为245℃,注意第一回火脆性应力区温度为250～350℃,理论计算预留装配间隙为0.2 mm。3.2.1改进配合设计能力核算改进配合340(H7/v6),实际最小过盈δmi n=0.475-0.057=0.418=418(μm),比原设计增加118μm;实际最 大过盈δmax=0.511-0=0.511=511(μm),比原设计增加111μm;所 需最小过盈δ'min=δmin-1.2(Rz1+Rz2)=418-1.2(6.3+6. 3)≈403(μm);所需最大过盈δ'max=δmax-1.2(Rz1+Rz2)=51 1-1.2(6.3+6.3)≈496(μm)。由式(1)可求得:pmin=δ'minE d(1+d22+d2d22-d2)×103=403×2.1×105340(1+6202 +34026202-3402)=87.03(MPa)由式(2)可求得:T=pmin·π d2lμ2=7.03×3.14×3402×280×0.142=61.92×107(N· mm)=61.92×104N·m同理可得设计最大过盈δ'max理论所能传递最大转矩极限 值T'max=76.21×104N·m。由式(1)、(2)、(3)、(4)可知,δ、p 、T、P、I、T1呈正比例关系式,易知改进后过盈联接设计最小过盈量理论对应系统保障电流 最大值Ilmax=2438A,设计最大过盈量理论对应系统允许最大电流极限值I'lmax =3001A。3.2.2改进后包容件及被包容件强度校核已知:人字齿轴与联轴节40Cr材 质调质,40Cr调质屈服极限σs=450MPa,包容件强度条件为2pd22d22-d2 ≤σs1,被包容件强度条件为pmax≤σs2(σs1、σs2为包容件、被包容件屈服极限 ,此处均为450MPa),代入可得包容件联轴节所能承受最大径向压力ps=(d22-d2 )2d22.σs2=157.34(MPa),此时联轴节所能承受最大过盈量:σs=psd E(1+d22+d2d22-d2)×103=157.34×3402.1×105(1+6 202+34026202-3402)×103=728.59(μm)所能传递最大扭矩为T s=psπd2lμ2=157.34×3.14×3402×280×0.142=112×1 07(N·mm)=112×104N·m对应系统极限电流Is=4410A,如取安全系数S =1.2,可得联轴节允许系统对应负载电机电流I1允=I1sS=3675A。T允=TsS =93×104N·m>T'max=76.21×104N·m。包容件强度满足要求。联轴节 允许承受最大径向压力p允=psS=131MPa,对被包容件人字齿轴强度校核:因pmax =p允≤σs2=σs1,故只需校核包容件强度满足即可。3.2.3改进后设备负载潜能及安 全性分析由文献犤1犦知:CL19主接手设计允许负载为100×104N·m,改进后过盈联 接不松动失效的保障传动扭矩为T=61.92×104N·m,所能传递最大转矩极限值T'max=76.21×104N·m,均小于主接手允许负载,而原有1800减速机、人字齿轮箱由于设计安全系数在5.0以上,所以仍能起到原有保护作用,与原有过盈配合承载能力43.79×104N·m相比较,改进后过盈联结设备负载潜能可提高约(61.92-43.79)/
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