2050精整縱切機(jī)組圓盤剪剪刃更換裝置及過程優(yōu)化

劉睿平,唐 越,景群平,賈海亮,楊 偉

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.寶山鋼鐵股份公司熱軋廠，上海 寶山 201900)

0 前言

圓盤剪(又稱切邊剪)是大部分熱軋精整工序和冷軋工序的重要設(shè)備之一，目的是保證交貨鋼卷或鋼板的寬度精度控制，同時也能切除前工序的帶鋼邊部缺陷。關(guān)于圓盤剪和碎邊剪的剪刃更換，由于不同廠商設(shè)計的圓盤剪的結(jié)構(gòu)不同，剪刃更換方法也不同。比如國外主流廠家西馬克、喬格等，國內(nèi)的如西重所等，一般直接更換圓盤剪的刀片本身。而達(dá)涅利設(shè)計的圓盤剪，剪刃更換時需要將固定圓盤剪刀片的刀盤一起拆除并更換。從剪刃更換效率的角度來講，達(dá)涅利的設(shè)計使得更換過程較為復(fù)雜，安裝精度存在偏差的可能性較大。達(dá)涅利公司對剪刃更換的過程也沒有提出本質(zhì)性的后續(xù)改進(jìn)方案。

1 存在問題

寶鋼2050縱切線圓盤剪設(shè)計覆蓋產(chǎn)品板厚1.2 mm至12.7 mm，屈服強(qiáng)度最高1 000 MPa，機(jī)組速度最高150 m/min，切邊余量(單邊)最小8 mm。投產(chǎn)以來，圓盤剪的剪刃更換問題始終制約著生產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)和產(chǎn)能發(fā)揮。一片圓盤剪的更換過程約需115 min。而一般四片刀片同時更換時，總體時間約為5 h。更換過程中的主要問題有：

(1)刀盤的離線解體和組裝應(yīng)該完全作為外部時間，不應(yīng)占用刀盤更換的內(nèi)部時間，但是目前無法實(shí)現(xiàn)。主要因?yàn)閭溆玫侗P還不具備與在機(jī)刀盤互換的條件。備用刀盤配件不全，備用刀盤與在機(jī)定位環(huán)不配套，備用刀盤上機(jī)后的剪刃間隙無法保證等;

(2)一套刀盤重約350 kg，缺少專用的臺架和工具，對其進(jìn)行解體和組裝較為困難，耗時較長。搬運(yùn)和作業(yè)時易碰傷剪刃且有一定的安全風(fēng)險;

(3)由于刀盤推力環(huán)油嘴位置被液壓螺母覆蓋，所以在刀盤拆卸和安裝時液壓螺母不能在機(jī)頭上，此時存在刀盤整體滑出的風(fēng)險;

(4)刀片儲存時，換下來的刀片需要專用的格欄箱儲存。

2 設(shè)備組成及工作原理

本文設(shè)計一套合理的專用工裝臺架，使得離線組裝作業(yè)更為簡單、可靠、安全。新刀頭在生產(chǎn)線工作時換好并儲存，隨時更替拆下的舊刀頭，拆下的舊刀頭在新設(shè)計的裝置上進(jìn)行更換剪刃，剪刃更換好后再儲存起來留備下次換刀使用，實(shí)現(xiàn)圓盤剪刀盤整體快速更換。

2.1 設(shè)備組成

圖1為針對寶鋼2050 mm精整縱切機(jī)組圓盤剪剪刃更換設(shè)計的換刀裝置，其中包括旋轉(zhuǎn)儲存臺架、刀盤轉(zhuǎn)鼓儲存臺架、上刀頭更換臺架、下刀頭更換臺架四部分設(shè)備組成，其中刀盤旋轉(zhuǎn)解體臺架由支撐臺架、旋轉(zhuǎn)臺架、鎖緊拉桿、手輪、安全銷等組成，用于存放拆卸的舊刀頭以及對上下不同刀頭可旋轉(zhuǎn)至不同更換位置；刀盤轉(zhuǎn)鼓儲存臺架由支撐臺架、軸、手輪、安全銷、楔形套、蓋板組成，用于臨時存放需要更換的新刀頭組件。使用吊具將新刀頭組件吊出，安裝至圓盤剪上，同時將圓盤剪上另一臺刀頭組件卸下，吊具吊至儲存臺架的空位，安裝蓋板，將刀頭組件固定；上刀頭組件更換臺架由臺架、支撐快、活動墊塊、拉桿、壓緊法蘭及吊環(huán)螺釘組成，用于上刀頭組件的剪刃更換；下刀頭組件更換臺架由臺架、支撐塊、墊塊、拉桿、壓緊法蘭及吊環(huán)螺釘組成，用于下刀頭組件的剪刃更換。

圖1 離線換刀裝置

2.2 工作原理

圓盤剪刀頭組件通過專用吊具，液壓螺母加壓實(shí)現(xiàn)刀頭拆卸，拆卸至旋轉(zhuǎn)臺架上，同時可將儲存臺架上新的刀頭組件吊裝至圓盤剪上，剩余所有更換剪刃步驟可離線進(jìn)行。整個換刀過程流程如圖2所示。

圖2 剪刃更換流程

旋轉(zhuǎn)臺架的目的是根據(jù)上下、刀頭組件的不同結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)手輪使旋轉(zhuǎn)軸架轉(zhuǎn)至不同位置，便于吊裝至剪刃更換臺架，如圖3所示，轉(zhuǎn)動手輪，將旋轉(zhuǎn)臺架錐體轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，插入定位銷使手輪不能轉(zhuǎn)動；松開卡板上的螺栓，移出卡板，轉(zhuǎn)動2個鎖緊銷手柄，使2個扇形擋板呈縮回狀態(tài)，方便刀頭組件套到錐體上；用吊具將刀頭組件套到旋轉(zhuǎn)臺架錐體上，轉(zhuǎn)動2個鎖緊銷手柄，使2個扇形擋板呈打開狀態(tài)，使刀頭組件固定在錐體上使其不會掉落。裝上卡板，并將卡板上的螺栓固定好；對于上刀頭組件，將刀頭組件旋轉(zhuǎn)至刀頭組件在下，旋轉(zhuǎn)架在上的位置，用旋轉(zhuǎn)架上的吊環(huán)螺釘將旋轉(zhuǎn)架與上刀頭組件一起吊到上刀頭組裝臺架上更換刀片；對于下刀頭組件，將刀頭組件旋轉(zhuǎn)至刀頭組件在上，旋轉(zhuǎn)架在下的位置，用下刀頭組件上的吊環(huán)螺釘將下刀頭組件吊到下刀頭組裝臺架上更換刀片。

圖3 旋轉(zhuǎn)臺架基本組成

旋轉(zhuǎn)臺架旋轉(zhuǎn)位置固定好后，用專用吊具吊至上剪刃更換臺架或者下剪刃更換臺架上。更換上刀頭組件時旋轉(zhuǎn)臺架上將刀頭組件旋轉(zhuǎn)至刀頭組件在下，旋轉(zhuǎn)架在上的位置，用旋轉(zhuǎn)架上的吊環(huán)螺釘將旋轉(zhuǎn)架與上刀頭組件一起吊到上刀頭組裝臺架上，旋轉(zhuǎn)鎖緊銷手柄，將扇形擋板轉(zhuǎn)至縮回狀態(tài)，此時旋轉(zhuǎn)架和刀頭組件分離，用懸臂吊將旋轉(zhuǎn)架吊走；松開上刀頭組件的固定螺栓，使膠環(huán)與上轉(zhuǎn)鼓分離，在上刀頭組件鋼襯環(huán)上安裝吊環(huán)螺釘，將刀頭組件吊起，在刀頭組件和上膠環(huán)之間放置尼龍支撐塊，使刀頭組件固定，如圖4所示安裝上刀頭組件解體/組裝臺架上的拉桿，在拉桿上安裝壓緊法蘭、墊片、螺母，擰緊螺母，使壓緊法蘭將上轉(zhuǎn)鼓向下壓，轉(zhuǎn)鼓與鋼襯環(huán)、剪刃分離；將鋼襯環(huán)與舊剪刃吊走，同時安裝新剪刃及鋼襯環(huán)，將膠環(huán)托起，并安裝固定螺栓,如圖5所示，將上刀頭組件解體/組裝臺架上的拉桿拆掉，將旋轉(zhuǎn)架吊到組裝好的上刀頭組件上，旋轉(zhuǎn)鎖緊銷手柄將擋板轉(zhuǎn)至打開狀態(tài)，用懸臂吊將旋轉(zhuǎn)架與上刀頭組件一起吊走，并放置到旋轉(zhuǎn)臺架上，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺架手輪將旋轉(zhuǎn)臺架旋轉(zhuǎn)90°，用定位銷固定，在刀頭組件上安裝吊具，將扇形擋板轉(zhuǎn)至縮回狀態(tài)，用吊具將刀頭組件吊至儲存臺架，新的上刀頭組件剪刃更換完成。

圖4 上刀頭組件放置

圖5 上刀頭組件剪刃更換

更換下剪刃時應(yīng)將旋轉(zhuǎn)臺架上將下刀頭組件旋轉(zhuǎn)至刀頭組件在上，旋轉(zhuǎn)架在下的位置，使用定位銷將手輪固定，用吊繩鉤住安裝在刀頭組件上的兩個吊環(huán)， 轉(zhuǎn)動鎖緊銷手柄，使扇形卡板處于縮回狀態(tài)；將下刀頭組件吊起，放至下刀頭組件組裝臺架上，松開刀頭組件螺母，使螺栓落在墊塊上；安裝壓緊法蘭，擰緊螺母，使壓緊法蘭將下轉(zhuǎn)鼓向下壓，轉(zhuǎn)鼓與鋼襯環(huán)、剪刃分離；將鋼襯環(huán)吊走，舊剪刃吊走，如圖6所示，將支撐塊從墊塊中取出，將新更換的剪刃與襯環(huán)，對中放置在刀頭上；安裝刀頭組件的螺栓，擰緊螺母，使刀頭與襯環(huán)、剪刃固定好；拆掉螺母和壓緊法蘭，如圖7所示。將旋轉(zhuǎn)臺架的旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)至底部，用懸臂吊將下刀頭組件吊至旋轉(zhuǎn)臺架上，旋轉(zhuǎn)鎖緊銷手柄，使扇形擋板處于打開狀態(tài)，并裝上卡板，擰緊螺釘，將刀頭組件與旋轉(zhuǎn)架固定；將旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)90°，在刀頭組件上安裝吊具，旋轉(zhuǎn)鎖緊銷手柄，使扇形擋板處于縮回狀態(tài)，用吊具將刀頭組件吊至儲存臺架，新的下刀頭組件剪刃更換完成。

圖6 下刀頭組件放置方式

圖7 下刀頭組件剪刃更換

3 應(yīng)力仿真校核

3.1 旋轉(zhuǎn)軸架強(qiáng)度校核

由于旋轉(zhuǎn)臺架轉(zhuǎn)動過程中，旋轉(zhuǎn)軸架的銷軸與U型槽游動連接，其在旋轉(zhuǎn)方向上受轉(zhuǎn)動扭矩，同時也受到刀頭組件和鋼結(jié)構(gòu)施加的彎矩和剪切力，如圖8所示，因此有必要對銷軸強(qiáng)度進(jìn)行仿真校核。

圖8 旋轉(zhuǎn)臺架銷軸模型

根據(jù)實(shí)際情況，刀頭組件重約340 kg，旋轉(zhuǎn)軸架剛結(jié)構(gòu)重約65 kg，材料選用Q235，彈性模量E=210 000 MPa，泊松比μ=0.3。

旋轉(zhuǎn)臺架銷軸被焊接在U型框架兩側(cè)，主結(jié)構(gòu)、載荷及支撐對稱，兩支撐中心相距920 mm, 支撐座寬度70 mm，銷軸直徑35 mm。

分析計算時支撐段處設(shè)置接觸面單元，接觸對下方固定約束；載荷區(qū)施加向下(負(fù)Z向)均布力，合力F1=3.6 kN,計算結(jié)果如表1所示(取正負(fù)極值或絕對值最大值)。

表1 數(shù)據(jù)計算結(jié)果

有限元分析模型如圖9、圖10所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)臺架銷軸撓度Uz

圖10 旋轉(zhuǎn)臺架銷軸主應(yīng)力σ1

跟據(jù)第四強(qiáng)度校核理論,該旋轉(zhuǎn)軸架銷軸最大等效應(yīng)力為28.2 MPa，小于Q235的許用應(yīng)力[σ]=160 MPa，校核結(jié)果符合第四強(qiáng)度的強(qiáng)度條件。

3.2 儲存臺架支撐軸強(qiáng)度校核

儲存臺架用于存放刀頭組件的軸，靜置情況下需要承受兩側(cè)刀頭組件所受的彎矩帶來的壓應(yīng)力，因此需對軸的直徑大小是否合適進(jìn)行校核，以設(shè)計的直徑Ф40 mm進(jìn)行校核，分析計算時支撐段處設(shè)置接觸面單元，接觸對下方固定約束；兩端載荷段施加向下(負(fù)Y向)均布力，合力為F=3.4 kN ，如圖11所示。材料40#鋼，彈性模量E=210 000 MPa，泊松比μ=0.3，貯存臺架軸結(jié)構(gòu)對稱，兩支撐中心相距192 mm, 支撐段寬度8 mm。

圖11 軸受力模型

計算結(jié)果如表2所示(取正負(fù)極值或絕對值最大值)

表2 數(shù)據(jù)計算結(jié)果

有限元分析模型如圖12、圖13所示。

圖12 貯存臺架軸撓度Uy

圖13 貯存臺架軸工況1主應(yīng)力σ1

跟據(jù)第四強(qiáng)度校核理論,該軸最大等效應(yīng)力為106.2 MPa，小于調(diào)質(zhì)40#鋼的許用應(yīng)力[σ]=190 MPa。校核結(jié)果符合第四強(qiáng)度的強(qiáng)度條件，軸直徑Ф40 mm滿足工裝需要。

3.3 旋轉(zhuǎn)軸架手輪直徑校核

在轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺架時，由于受到軸架及刀頭組件重力產(chǎn)生的扭矩，而操作工人轉(zhuǎn)動出力大小一定，因此有必要計算并校核手輪直徑大小，方便操作。

如圖14、圖15所示，在實(shí)際操作中，存在無刀頭(工況1)和有刀頭(工況2)旋轉(zhuǎn)的兩種工況。分別測量旋轉(zhuǎn)軸架中心軸線至兩種工況下軸架的重心位置距離z1=96.187 mm，z2=28.703 mm。

按實(shí)際情況刀頭組件重約340 kg，旋轉(zhuǎn)軸架重約65 kg，根據(jù)手冊查得一個工人轉(zhuǎn)動輸出力范圍5～30 kg，按15 kg計算，并假設(shè)手輪半徑為R。

工況1：R×1.5 N=6.5 N×0.0 096 m,R=0.416 m；即在工況1的情況下，手輪直徑應(yīng)大于832 mm，即可滿足出力條件。

工況2：R×1.5 N=40.5 N×0.0 028m,R=0.075 m，即在工況2條件下，手輪直徑大于150 mm，即可滿足出力 條件。

由工況1校核的手輪直徑遠(yuǎn)大于工況2校核的手輪直徑，考慮工人輸出扭矩不變的情況下，若采用工況1直徑，在工況2條件下操作則更為省力。為使工人出力同時滿足無刀頭和有刀頭情況，同時為避免直徑過大對設(shè)備產(chǎn)生干涉，經(jīng)計算得出手輪直徑d=850 mm時，使得操作工轉(zhuǎn)動輸出力較合適。

圖14 無刀頭組件工況重心位置

圖15 有刀頭組件工況重心位置

4 結(jié)束語

本文對寶鋼2050 mm精整縱切機(jī)組圓盤剪剪刃更換裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，制定了合理的剪刃更換方案，對操作方法做出必要說明，對設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及可行性做出分析，使得剪刃可以離線更換。目前該套設(shè)備已在寶鋼2050精整縱切機(jī)組生產(chǎn)線上投入實(shí)驗(yàn)，使用后效果明顯，用專用吊裝裝置順利拆卸刀頭，同時可以直接存放刀具，更換新刀具，其時間間隔能夠有效利用，極大節(jié)省人力及時間。拆刀換刀時間縮短近15 min，離線更換四片剪刃也僅需200 min，說明對圓盤剪換刀裝置的設(shè)計優(yōu)化是成功的，為同類型產(chǎn)品生產(chǎn)線的設(shè)計應(yīng)用提供豐富的經(jīng)驗(yàn)。