曲柄式飞剪曲轴装配间隙问题分析

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摘要：近年来，曲柄式飞剪曲轴及其相关核心部件装配和间隙管控问题在业内受到广泛关注，研究其相关课题，意义重大。本文首先对相关设备进行综述。并结合现场实践经验，分别从曲轴、钢套、铜套、轴承等多个角度，就飞剪曲轴存在的问题及解决方案展开了研究，得出了几点看法与认识，希望能对此类设备的维护有所帮助。

关键词：曲柄式飞剪；曲轴；改进；管控

1概述

曲柄飞剪是热轧机组的主要设备，用来对轧件定长剪切。曲柄式飞剪曲轴装配间隙的管控是一项对现场实际要求较高的实践性工作，有着其自身的特殊性。通过对该项课题的研究，将会对曲柄飞剪的结构、设计特点、使用中遇到的问题，以及针对故障点做出的改进方案进行详细解读，最终达到延长曲柄飞剪的使用寿命，提升对曲柄式飞剪曲轴装配间隙变化问题的分析与掌控能力。从而通过合理化的措施，保证曲柄飞剪在动作时剪刃间隙的控制，进一步优化曲柄飞剪的工作状态。飞剪安装在进口侧和高压除鳞设备之间，它采用旋转式曲柄、盒式设计，作用是将轧件的头部和尾部在行进中切割掉，以保证轧件稳定进入轧机。曲柄飞剪属于较大设备，并且结构复杂，要求精度高，提高飞剪使用年限和运行中设备精度，是设备管理者所要研究和解决的重要问题，本次以提高飞剪使用年限作为重点，要管控和提高使用年限飞剪曲轴、钢瓦、铜瓦、轴承等重要部件的管控就是重中之重，针对飞剪使用中遇到的故障，提出解决方案，并且改进后运行较好，飞剪的稳定运行，对钢坯进入轧机稳定、设备检维修费、备件预修费控制起到重要作用。

2启停式飞剪的设计特点

2.1启停式飞剪的发展及控制原理

本文介绍的热轧机组启停式飞剪，应用于本钢2300热轧生产线，飞剪整体安装在车架下端，可绕铰接轴摆动，飞剪的下刀片为固定式，上刀片连接在曲轴上，可以在框架内滑动。上刀架由曲轴带动，传动机构简单，系统的转动惯量小，启停效率高。启停式飞剪为间歇式工作模式，需要剪切轧件时，电机启动并带动剪切装置开始剪切工作；剪切结束后电机立即制动，刀片将准确停在预先设定好的位置上，为下一次剪切做好准备。启停式飞剪由PLC控制的低惯量大扭矩直流或交流电机带动，具有位置、速度、加速度等反馈信号控制飞剪，自动完成启动、剪切、制动的工作循环，控制精准。由于采用了PLC控制，传统的定尺、空切、匀速机构和离合器、制动器均被取消，设备的机械故障也大大减少。

2.2曲柄式飞剪的组成部分

①底座：两个轴承座，钢结构，基础安装，两个废钢滑槽；②轴承座：两个封闭设计的传动和非传动侧的轴承座，重板，铸钢，带曲柄轴，用预埋螺栓安装在基础上；③上横移梁：钢结构，2个上横移梁中间连接的轴承座；④曲柄轴：锻钢件，在飞剪机架内用耐磨轴承支撑；⑤刀座：铸钢造，并由曲柄轴上的普通轴承支撑；⑥剪刃间隙调整：用气动马达传动，通过蜗轮传动装置和安装在下刀座上的偏心轴和倾斜杆进行调整；⑦剪刃：特殊刃具钢，带衬垫，曲面设计，安装在刀座上，用液压缸锁紧；⑧中间辊：锻钢造，耐磨轴承支撑，交流辊道电机传动。

2.3主要技术参数

①飞剪结构形式：双曲轴连杆式飞剪；②剪切钢板最大板厚60mm、板宽max.2150mm；③剪切温度：≥900℃；④剪切速度：0.3-2m/s；⑤最大剪切力max.11300kN；⑥最大剪切长度：400mm；⑦刀片长度2350mm；⑧主传动电机：2-1970kW、转速290/580r/min的电机驱动；⑨主减速机速比：5.368；⑩曲轴偏心：270mm。

2.4对飞剪机的要求

飞剪机的特点是沿横向剪切正在向前输送的轧件，所以提出以下要求：①剪刃在进行剪切时要与轧件随动，即剪刃要同时进行横向剪切与向前移动两个方向的运动，且剪刃在轧件运动方向的瞬时分速度V应等于或略大于轧件运动速度V1，即V=（1-1.03）V1。若V＜V1，则剪刃将会对轧件的运动产生阻碍，使轧件弯曲，甚至产生缠刀事故[1]。反之，如在剪切时剪刃在轧件运动方向的瞬时速度V比轧件运动速度V1大很多，则会对轧件产生较大的拉应力，影响轧件的剪切质量和增加飞剪机的冲击负荷。②同一台飞剪机要能够剪切多种定尺长度，以满足市场对产品规格的需求。产品的长度公差与剪切断面平整度要符合国家标准的规定。③工作效率要与轧机或机组的生产节奏和速度匹配。

3飞剪曲轴机构存在的问题及解决方案

3.1曲轴机构存在的问题

3.1.1曲轴机构工艺及配合要求不能满足现场使用

曲轴装配是双曲柄飞剪的核心部件（如图1），各部件的材质选择、加工工艺要求、加工精度保证以及各部件之间的装配标准极其重要，通过近些年对双曲柄飞剪的使用，随着时代的发展以及对现场工艺要求的提升，需要针对飞剪出现的故障进行改进、提升，以满足现场使用，飞剪曲轴原设计的强度已经不能满足生产使用，需要曲轴进行强度升级，以保证使用寿命，以及精度控制。现场使用中，出现曲轴与钢套之间定位键出现磨损，其原因为曲轴与钢套相连的定位键强度不足，长时间受冲击曲轴与钢套配合键槽双向磨损，导致钢套与曲轴存在相对运动，键槽磨损迅速加剧，飞剪无法正常切头、切尾，影响轧件进入精轧机，生产产品的提升，飞剪所承载的载荷需求加大，需要对曲轴工艺以及同钢套之间的定位形式、强度进行改进，曲轴机构的改进提升，伴随着上刀架和下刀架强度一并提升。

3.1.2曲轴装配磨损间隙控制

任何设备的使用，需要制定合理的预修周期、检修周期以及使用周期，特别像飞剪设备承受较大冲击载荷，各部件随着使用周期出现不同程度的磨损，曲轴与钢套受冲击磨损，铜套正常磨损，轴承正常磨损，导致曲轴装配产生间隙，精度整体下降，剪刃间隙无法控制，影响钢坯头、尾剪切，并且各个部件损坏存在周期性，如果提前更换曲轴装置下机，避免运转时出现故障，不能保证设备的最大利用率，增加检维修费用；但如果继续使用，将有可能导致曲轴机构出现重大设备事故。曲轴机构的精度下降，直接体现在剪刃间隙、及剪切情况，出现飞剪在静止状态下测量的剪刃间隙在0.4-0.8mm范围内，实际在运动中，剪刃间隙是不确定值，影响切头、切尾，经常出现头尾未切断，带入下游机架故障，所以针对使用周期，提前做好预修，延长曲轴机构的整体使用寿命，制定曲轴机构的劣化倾向管理，根据劣化值，确认曲轴机构的下机时间，是飞剪的管理的重点因素。

3.1.3飞剪剪刃间隙控制原则及管控方向

①剪刃侧隙及剪刃寿命的研究。剪刃间隙的设定对飞剪剪切性能影响很大。根据剪刃侧隙理论与经验设定方法，侧隙设定过大会影响剪切断面平整度，还可能会出现剪不断的情况；侧隙设定过小，会使剪切时的剪切力过大，刀片磨损加剧，降低剪刃耐用度，甚至出现碰刀、崩口现象。而剪刃的寿命，受剪刃几何参数，尤其是刀刃倾角的影响最为明显，当倾角设计过大时，刀片与轧件接触面积大，导致剪切力大；倾角设计过小时，虽然剪切力会变小，但刀片在剪切时所受的冲击力增大，可能导致刀片破损。②剪刃锁紧机构对剪刃间隙的影响。对现场更换的故障剪刃进行测量，平放时，检测发现故障剪刃变形严重，平面度较差，剪刃“两端翘”时平面度误差为0.4-1mm，剪刃“中间鼓”时为0.3-0.52mm；立放时，检测剪刃底面平面度误差为0.4-0.8mm，而图纸中技术要求剪刃两锁紧面和剪刃底面的平面度误差应小于0.04mm。这种情况会造成锁紧装置中碟簧的势能有很大一部分要用来克服剪刃的变形，并且剪刃和刀座之间的接触面积缩小，摩擦力减小，使剪刃无法可靠固定，甚至产生松动。当飞剪工作时，固定侧面调整垫片的螺栓受到离心力和剪切力的共同作用，容易断裂，甚至发生剪刃垫片或剪刃脱落的严重后果。③剪刃锁紧机构的锁紧力不够。剪刃是循环使用的备件，当打开锁紧装置时，要求刀座与剪刃之间装配间隙保证在0.5-1mm之内。然而由于锁紧勾头及剪刃底座的磨损或是剪刃座存在变形，会使碟簧伸长，由碟簧产生的锁紧力大为降低，导致剪刃无法可靠固定，生产过程中极易发生剪刃脱落、窜动故障。提高更换锁紧装置底座的频率可以消除此问题，但是费时费力，也会使备件消耗增多，增加生产成本。④刀座与剪毂间存在杂质。剪刃刀座靠螺栓固定在剪毂上，由于长期剪切过程中的震动，固定螺栓会慢慢松退或拉长，当更换剪刃卸掉锁紧力时，刀座与剪毂配合面之间便会产生间隙。再加上剪刃工作环境复杂，长期受高温及冷却水腐蚀，易产生氧化物，落入刀座和剪毂之间，在安装剪刃时，氧化物残渣会影响装配的精度，使上下剪刃之间产生较大的剪刃间隙偏差。不能正确标定剪刃间隙，就会导致生产过程中出现轧件剪不断或是咬刀现象，造成产品不合格或是设备故障。

3.2解决方案

3.2.1完善曲轴装配核心零件的强度优化设计，配件形式提升优化

随着产品强度的提升，要想满足高强度产品的生产，设备需要升级改造，当然飞剪也不例外，首先对曲轴装配核心部件的工艺材质进行优化；①曲轴材料的优化设计，将原材料42CrMo调质优化为50CrMo调质，提高了材料的机械性能，增加了曲轴的刚度；②完善了核心零件———两个机架的铸造和连接的强度优化设计，防止设备在使用时候机架变形问题；③上刀架和下刀架材料为GS-30Mn5LV优化为G28Mn6+QT1，增加了材料的机械性能，防止设备在使用时候刀架变形问题；④同时对曲轴上的键连接处进行优化，键槽尺寸由22mm改为28mm，并对配合键进行了优化设计，强化了与其它零件的连接强度；⑤计算优化曲轴和连接的剖分轴套的间隙配合设计，剖分面保留一定的间隙（每侧最大0.10mm），以保证最终装配后轴颈与轴套间有适当的过盈，连接键槽尺寸由22mm改为28P9，增加对称度0.05，增强连接强度，使其稳定可靠运行，防止在使用中由于间隙大承受冲击力变形损坏，造成停机问题。

3.2.2加强曲轴装配磨损间隙控制，增加使用寿命

根据双曲柄飞剪的使用情况，制定了曲轴装配劣化倾向管理，同时确定了测量手段，调整间隙报警值为4mm，对曲轴装配磨损存在因素进行总结，制定应对措施，从设备整体上进行管控，保证双曲柄飞剪的稳定运行，重点是延长使用寿命，降低成本。具体措施如表1。

3.2.3剪刃装配间隙管控手段

①根据现场实际情况，对于剪刃安装前需要管控以下几方面：1）剪刃经过磨床加工后，需要有退磁操作，对修复好的剪刃进行测量验尺，取两端200mm和中间位置三点进行测量数据，如果剪刃“两端翘”时三点数据最大差值需≤0.4mm，“中间鼓”时三点数据最大差值需≤0.1mm。剪刃在存放时应保持水平放置，不得与其他物品叠放，以免在外力作用下剪刃变形。2）新的剪刃立放，平面度误差≤0.3mm，整体厚度公差≤0.2mm，满足要求为合格剪刃，具备上机条件。3）剪刃底座在装配时，要检测水平面与垂直面的垂直度小于0.1mm。②根据碟簧锁紧力制作合适锁紧块。该飞剪剪刃有13套独立的锁紧机构，每套锁紧机构由11组对合碟簧组成，每组由3件碟簧叠合。根据图纸，对锁紧机构进行分析和计算，将锁紧块按照0.5mm间隔制作成151/151.5/152mm等不同尺寸，根据现场测量的实际间隙使用不同尺寸的锁紧块，从而保证各个位置的锁紧力合理，避免垫片窜出和剪刃脱落事故发生，降低了底座更换频率，减少了备件使用量，节省了生产成本。③保证刀座与剪毂之间配合紧密。每次更换剪刃时必须检查刀座磨损以及刀座和剪毂的配合，力求刀座与剪毂配合紧密，中间无间隙和杂质，刀座固定螺栓紧固无松脱；如果刀座磨损量超过0.25mm，必须更换。

4结束语

通过采取上述解决方案，该曲柄式飞剪自2018年底开始，没有出现任何事故，并且正常磨损的部位，劣化趋势对比之前缓慢，解决了由设备原因引发的切头、切尾异常的现象。经统计，设备事故大大减少，过去每年有非计划抢修十余次，现在零抢修，提高了设备使用效率，降低了备件成本，减轻了工人的劳动负担。因此在今后的曲柄式飞剪曲轴装配间隙管控过程中，应该加强对关键环节的把控，严格执行管控措施。

作者：荆鸿鹏 单位：本钢采购中心