限動齒條連接的設(shè)計改進(jìn)

黃凈國

（洛陽銳騰機(jī)械設(shè)備有限公司，河南471000）

0 引言

芯棒限動裝置作為連軋管工藝過程中重要一環(huán)設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。限動齒條作為芯棒限動裝置中的重要零部件，通常由3～4節(jié)相同的短齒條通過雙螺栓或啞鈴型連接塊連接形成一條更長的齒條。兩種連接方式在長期的使用中存在著不同類型的問題，困擾著廣大現(xiàn)場維護(hù)人員。

1 雙螺栓連接使用中存在的問題及故障分析

168機(jī)組雙螺栓連接形式見圖1。

限動齒條是三輥連軋管機(jī)組的重要組成部分，具有“軋制前將芯棒穿入毛管”和“在軋制時限動芯棒”的功能。限動齒條帶上下齒和滾輪在跑床上運(yùn)行[1]。限動齒條是由4臺交流電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、齒輪減速機(jī)及在限動力矩裝置的聯(lián)軸器驅(qū)動齒輪軸，通過4個齒輪軸傳動限動齒條[2]。整套設(shè)備速度快、質(zhì)量大、慣性大。限動齒條在運(yùn)行一段時間后易發(fā)生雙螺栓連接松動的問題，螺栓松動后導(dǎo)致齒條連接區(qū)側(cè)護(hù)板銷釘及螺栓受剪松動并斷裂，進(jìn)而引起護(hù)板掉落等嚴(yán)重故障，造成機(jī)組停產(chǎn)。

圖1 雙螺栓連接形式（168機(jī)組）

在鋼管軋制過程中限動齒條受到循環(huán)往復(fù)的拉應(yīng)力，連接螺栓在工作時承受交變橫向載荷，隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，螺栓連接的螺紋副應(yīng)力和接觸壓力會發(fā)生變化，在累計一定時間后導(dǎo)致螺栓連接的自松弛[3]。張緊力下降的極端情況是拉斷、斷牙等，此類失效導(dǎo)致的連接夾緊力的消失，可能引起重大事故[4]。限動床身前部因長期高溫下承受大負(fù)荷而出現(xiàn)變形塌腰，齒條運(yùn)行至該區(qū)域時運(yùn)行軌跡發(fā)生變化[1]，導(dǎo)軌面的不平引起齒條在連接區(qū)受到附加的彎曲力矩及沖擊。雙螺栓連接在以上因素的聯(lián)合作用下發(fā)生松動，在彎矩及沖擊作用下進(jìn)一步加劇了前后齒條端面的擠壓磨損變形。

為防止螺栓松動問題的發(fā)生，現(xiàn)場人員通常采用焊接的方式將螺栓及螺母焊接固定。由于螺栓和螺母已焊接為一體，拆卸時無法使用電加熱棒加熱螺母使連接膨脹拆開連接。在需要拆卸齒條時，必須使用氧氣乙炔切掉連接兩端螺母，在操作過程中往往不可避免地?fù)p傷齒條連接部位。

齒條材質(zhì)為合金鋼，合金材料碳當(dāng)量高，焊接性能差，焊接前后需加熱，可能引起變形[5]。由于現(xiàn)場條件限制，往往無法完成正確的焊接前后處理。焊接防松時易發(fā)生工人錯誤，如將螺母焊接在齒條上，引起齒條連接區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成齒條本體損傷，嚴(yán)重時會造成齒條斷裂，造成重大損失。南方某廠齒條斷裂兩端圖見圖2。

圖2 南方某廠齒條斷裂兩端圖

2 168限動齒條連接的設(shè)計改進(jìn)

168原限動齒條兩段之間通過加熱型預(yù)緊螺栓連接在一起，安裝時采用電加熱棒加熱，使螺栓伸長后擰緊螺母，待螺栓冷卻后收縮產(chǎn)生預(yù)緊力。雙螺栓連接形式存在鎖緊面小、預(yù)緊力不等、螺栓防松及松動等缺點(diǎn)。由于齒條使用工況惡劣，現(xiàn)場在采用焊接防松方法后，發(fā)生了螺栓連接的拆卸問題。

對雙螺栓連接形式出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳盡分析后，將新齒條的連接設(shè)計為啞鈴型連接。各組齒條端部加工凹狀連接槽，裝配時以啞鈴狀連接桿連接鎖緊，通過電熱棒加熱，使連接桿長度膨脹后裝入兩端齒條連接槽，回復(fù)常溫后鎖緊實(shí)現(xiàn)預(yù)緊功能[5]。

168機(jī)組改進(jìn)后啞鈴型連接形式見圖3。

啞鈴型連接較雙螺栓連接型式存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）啞鈴型連接緊力大、受力均勻。連接塊桿截面積較雙螺栓截面積大，同等過盈量情況下預(yù)緊力更大，連接更穩(wěn)固；連接塊在冷卻收縮后，預(yù)緊力均勻作用在四個接觸面上，避免了雙螺栓型式預(yù)緊力不均的現(xiàn)象。

（2）齒條定位準(zhǔn)確牢固。原雙螺栓連接通過螺栓收縮產(chǎn)生預(yù)緊力，齒條端面中部3個短鍵塊進(jìn)行定位。鍵塊由于長度過短，在工作一段時間后很快發(fā)生鍵塊擠壓變形、齒條鍵槽磨損、鍵塊緊固螺釘斷裂等故障。若不拆開齒條進(jìn)行更換，將嚴(yán)重影響齒條正常運(yùn)行。改為連接塊形式后，齒條的定位采用上下對稱的兩件長鍵條定位。鍵條有效受力面積是原來的4．8倍，定位更為準(zhǔn)確牢固。

圖3 啞鈴型連接形式（168機(jī)組改進(jìn)后）

（3）后期維護(hù)方便。將原螺栓型式改進(jìn)為連接塊型式后，從設(shè)計源頭上直接避免了現(xiàn)場的焊接防松方式。安裝時，連接塊在齒條外部通過加熱棒加熱后迅速安放進(jìn)齒條連接區(qū)并調(diào)平，連接塊與齒條非工作面間預(yù)留空隙，待等卻至室溫即完成安裝主要操作。拆卸時，通電后待連接塊加熱與齒條產(chǎn)生合理溫差后即可拆開齒條。

（4）帶調(diào)整墊的啞鈴型連接塊壽命長久。連接塊在長期使用及多次拆卸后往往不可避免地會產(chǎn)生“蠕變”伸長或壓緊面磨損，影響二次使用。在設(shè)計時將連接塊與齒條兩端相觸面間新增一對不同材料的調(diào)整墊。調(diào)整墊可以彌補(bǔ)連接塊制造誤差、后期蠕變誤差，修復(fù)連接塊后測量相關(guān)尺寸并修磨兩調(diào)整墊后可再次使用，減少了連接塊的備件數(shù)量。

168限動齒條雙螺栓連接原始設(shè)計過盈量為0．26 mm，最大過盈量不超過0．35 mm。在進(jìn)行雙螺栓結(jié)構(gòu)向啞鈴型連接塊形式轉(zhuǎn)換時需將原預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為啞鈴型連接塊的過盈量。

原螺栓直徑106 mm，螺栓內(nèi)孔直徑28 mm，雙螺栓計算截面積S=16 418 mm2。轉(zhuǎn)化方法如下：

式中，為桿件、螺栓伸長量（L對應(yīng)原始長度），mm；E=206×103MPa 彈性模量；L=300 mm(連接區(qū)長度)；α=12．4×10-6/℃，鉻鋼線膨脹系數(shù)[6]。

原雙螺栓最大過盈量0．35 mm，帶入公式（1）計算，可得雙螺栓連接原始預(yù)緊力為3945792N，此處按400 t計，結(jié)合天津無縫鋼管總廠軋管車間φ250 mm限動芯棒連軋管機(jī)組芯棒限動機(jī)構(gòu)最大芯棒限動力為300 t[7]。此處168限動齒條設(shè)計時400 t預(yù)緊力足夠。

改進(jìn)后啞鈴型連接塊桿截面積S=30 840 mm2，將公式（1）進(jìn)行變形，反求出=0.19 mm。即改進(jìn)后要達(dá)到同等預(yù)緊力，啞鈴型連接塊過盈量僅需0.19 mm?？紤]測量及加工誤差新設(shè)計過盈量取0.2～0.23 mm，此時預(yù)緊力可達(dá)到400～475 t。

3 啞鈴型連接塊使用維護(hù)的探討

根據(jù)公式（2）計算可知，在過盈量為0.2 mm確定的情況下，將公式（2）進(jìn)行變形，可得拆卸時最低加熱后溫差=60℃。

齒條在拆卸時，電加熱棒將熱量傳遞至連接塊，引起連接區(qū)桿受熱膨脹伸長，產(chǎn)生間隙后拆除調(diào)整墊即可完成拆卸過程。但在實(shí)踐過程中，現(xiàn)場往往將設(shè)計過盈量人為加大，造成拆卸困難。在168機(jī)組齒條拆卸試驗(yàn)時，加熱棒通電后連接塊及齒條均存在不同程度溫升，現(xiàn)場測量連接塊外側(cè)平衡溫度約220～280℃、齒條被鎖緊區(qū)溫度約90～120℃。現(xiàn)場安裝過盈量0.45 mm時，難以拆下調(diào)整墊。

通過熱模擬有限元分析，探究該連接形式理論最大間隙量。將SOLIDWORKS Simulation熱分析用于處理固體熱傳導(dǎo)。熱分析中溫度是基本未知量，類似于結(jié)構(gòu)分析中的位移。通過SOLIDWORKS Simulation熱分析建立對應(yīng)模型，設(shè)置連接塊加熱桿實(shí)際最高工作溫度300℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時模擬結(jié)果見圖4。

圖4 穩(wěn)態(tài)熱力圖

通過圖解工具，ISO剪裁選項測得平衡態(tài)連接塊鎖緊區(qū)溫度為270℃，齒條被鎖緊區(qū)溫度在110℃以內(nèi)，見圖5、圖6。連接塊與齒條連接區(qū)域溫差約160℃。兩個區(qū)域熱膨脹伸長量最大差值為160×α×310=0.6 mm。

考慮安裝拆卸的便捷性，該連接結(jié)構(gòu)使用時不可將過盈量調(diào)整過大，否則在齒條未找平的情況下會引起拆卸困難。

圖5 穩(wěn)態(tài)270℃以上區(qū)

圖6 穩(wěn)態(tài)110℃以上區(qū)

安裝時有兩種熱裝方法。方法一：在條件允許情況下，安裝時應(yīng)優(yōu)先將連接塊置于齒條外部通電加熱，并采取適當(dāng)保溫措施，此方法可避免加熱時熱量傳遞至齒條連接區(qū)引起膨脹，從而快速達(dá)到安裝所需間隙量。方法二：采用連接塊置于齒條內(nèi)部加熱的方法時，此時如圖7所示，應(yīng)通過墊片調(diào)整連接塊位置，使連接塊與齒條之間留出空隙，以減小熱傳導(dǎo)作用，此時熱輻射所引起的齒條溫升最小。

圖7 齒條內(nèi)部加熱

4 啞鈴型連接設(shè)計及使用建議

根據(jù)對現(xiàn)場安裝拆卸過程的跟蹤及熱分析模擬，筆者對啞鈴型連接塊的設(shè)計及使用提出以下建議：

（1）安裝時，在條件允許狀況下，應(yīng)優(yōu)先將連接塊在齒條外部加熱后再放入齒條連接區(qū)。該操作方便、加熱時間短、便于直接使用工具測得膨脹尺寸，一次安裝到位。待連接塊安裝到位后，應(yīng)迅速調(diào)整連接塊，使非工作面與齒條間預(yù)留出空隙，以減小拆卸時熱傳導(dǎo)引起的齒條膨脹。

（2）加熱棒通電后由于熱傳導(dǎo)及對流的存在，熱量在連接塊內(nèi)部逐漸向外部傳導(dǎo)并最終達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)過程。由于功率和結(jié)構(gòu)外形限制存在一平衡溫差，由此溫差產(chǎn)生的最大間隙值約為0.6 mm（168機(jī)組）。

（3）當(dāng)調(diào)整墊過盈量選擇過大時，前后兩齒條在導(dǎo)軌上未放平，嚴(yán)重影響了連接塊的順利拆除，故安裝及拆卸兩齒條時，應(yīng)首先將兩齒條水平放置，減小附加力矩。

（4）在設(shè)計時，電加熱棒應(yīng)按較大功率設(shè)計，以利于連接塊快速受熱膨脹產(chǎn)生較大溫差。加熱棒安裝孔間隙不應(yīng)過大，以加強(qiáng)熱傳導(dǎo)作用、利于快速傳熱。

（5）現(xiàn)場在拆卸作業(yè)時，應(yīng)測量連接塊與齒條被鎖緊區(qū)兩處溫度，當(dāng)兩處溫差達(dá)到80～100℃時即可進(jìn)行拆卸調(diào)整墊的嘗試。

5 結(jié)語

通過比較可知，啞鈴型連接塊在現(xiàn)場使用過程中較雙螺栓連接型式具有預(yù)緊力均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，抗變形能力強(qiáng)，安裝及拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。通過將雙螺栓連接型式改進(jìn)為啞鈴型連接塊型式，延長了連接件的使用壽命及次數(shù)、提高了齒條運(yùn)行穩(wěn)定性、避免了現(xiàn)場出現(xiàn)不合適的防松方法、減少了備件量，達(dá)到了良好的使用效果。從現(xiàn)場維護(hù)及使用情況來看，新制齒條在能夠滿足設(shè)計目的的情況下，建議優(yōu)先選用啞鈴型連接塊的連接形式。