電動平移板坯夾鉗掉坯故障原因分析及改進措施

尚伊寧

（燕山大學經濟管理學院工業(yè)工程系，河北 秦皇島 066004）

電動平移式板坯夾鉗主要應用于連鑄連軋線或板坯庫房內以及城鄉(xiāng)料場。其可以完成板坯的上料、下料、運輸工作，主要結構如圖1 所示。上橫梁與下橫梁之間采用剛性連接，以電動機為動力源的驅動機構帶動兩個鉗腿相向平移，鉗腿內置導向滑塊，導向滑塊前端鑲嵌的鉗齒夾持住板坯的側面，形成初始的夾緊力[1]。然后由吊車通過滑輪組吊起整個夾鉗，導向滑塊隨之下滑，將板坯越夾越緊，最終會將板坯吊起運走。

圖1 電動平移板坯夾鉗的主要結構

圖2 是夾鉗傳動原理圖。鉗腿通過上滑塊和下滑塊卡在橫梁滑道上，電動機經鏈傳動驅動滑動螺旋機構，即絲杠轉動，螺母平移。螺母再帶動鉗腿沿橫梁滑道相向平移，從而夾緊板坯。吊車吊起整個夾鉗時，導向滑塊沿陀螺面向下滑動，會將板坯越夾越緊，保證板坯不掉落。

圖2 夾鉗傳動原理圖

這種夾鉗的特點是高度小、效率高，能充分利用堆場空間[2]。但結構復雜，機加工件多，制造、裝配調試難度大。該類夾鉗在用戶現(xiàn)場曾出現(xiàn)過許多問題，其中最致命的是夾持過程中出現(xiàn)打滑甚至掉坯，存在很大的安全隱患。有人從機械結構自鎖、操作及場地、設備維護、板坯形狀超標等方面分析了出現(xiàn)這些故障的原因[3-4]，但都沒有在夾鉗工作本質機理上對掉坯故障原因進行分析闡述。

由前述夾鉗工作原理可知，為防止打滑、掉坯，夾鉗的設計關鍵應滿足2 點：（1）鉗腿夾緊板坯，形成初始夾緊力后，滑動螺旋機構應能自鎖；（2）起吊過程中，導向滑塊能夠順暢下滑，對夾緊力進行及時補償。這里著重對這兩個設計關鍵點進行討論，分析夾鉗掉坯原因并提出相應的改進措施。

1 設計關鍵點分析

1.1 滑動螺旋副自鎖分析

式中S為導程；d2為中徑；f為螺旋副摩擦系數(shù)；α為牙型角若λ＜φm，則絲杠自鎖。

這里討論的某型號40T 電動平移板坯夾鉗設計改進前后滑動螺旋副參數(shù)沒做改變，絲杠幾何尺寸見表1所列。

表1 絲杠幾何尺寸

因λ＜φm，滑動螺旋副可自鎖，不再贅述。

1.2 導向滑塊下滑條件分析

圖3 是導向滑塊受力分析圖。圖中FN1為上陀螺與導向滑塊間正壓力；Ff1為上陀螺與導向滑塊間摩擦力；FR1為FN1與Ff1合力；φm1為上陀螺與導向滑塊間摩擦角，φm1=arctg（f1）（f1為上陀螺與導向滑塊間摩擦系數(shù)。FN2為下陀螺與導向滑塊間正壓力）；Ff2為下陀螺與導向滑塊間摩擦力；FR2為FN2與Ff2合力；φm2為下陀螺與導向滑塊間摩擦角，φm2=arctg（f2）（f2為下陀螺與導向滑塊間摩擦系數(shù)）。FN3為鉗齒與板坯間正壓力；Ff3為鉗齒與板坯間摩擦力；FR3為FN3與Ff3合力；φm3為鉗齒與板坯間摩擦角，φm3=arctg（f3）（f3為鉗齒與板坯間摩擦系數(shù)）。L1為兩陀螺中心點O1、O2間距離；L2為兩陀螺面間距離；L3為鉗齒中心面與下陀螺中心點O2間距離；L4為鉗齒與下陀螺中心點O2間距離。α為導向滑塊滑移面與垂直方向夾角，稱為導向滑塊傾斜角。

圖3 導向滑塊受力分析圖

如此，導向滑塊上作用著三個力FR1、FR2和FR3。點C為FR1與FR2力作用線交點，這里稱為臨界下滑點，此點對應的鉗齒與板坯間摩擦角φmc稱為下滑臨界摩擦角。若FR3力作用線在點C右側，因為FR1和FR2力作用線只能分別在摩擦角φm1和φm2內，因此，F(xiàn)R1、FR2和FR3三力不可能相交于一點，根據(jù)三力平衡匯交原理[5]，F(xiàn)R1、FR2和FR3將不可能達到平衡，導向滑塊將下滑，故將點C 右側區(qū)域稱為下滑區(qū)，此時φm3＞φmc。當FR3力作用線由點C右側逐漸偏向點C 過程中，意味著φm3逐漸減小。當FR3力作用線通過點C 時，F(xiàn)R1、FR2和FR3三力平衡匯交，導向滑塊將停止下滑，此時φm3=φmc。當力作用線進入點C左側后，F(xiàn)R1、FR2和FR3仍然能達到三力平衡匯交，導向滑塊將不能下滑，將點C 左側區(qū)域稱為非下滑區(qū)，此時φm3＜φmc。

綜上所述，導向滑塊下滑條件可表示為鉗齒與板坯間的摩擦角要大于下滑臨界摩擦角。也就是鉗齒與板坯間摩擦系數(shù)f3應滿足：

2 改進措施

2.1 改進前原夾鉗打滑、掉坯原因分析

設計改進前原夾鉗采用鋼制陀螺，陀螺與導向滑塊間采用干油潤滑，經實驗測試其間靜摩擦系數(shù)最小值為0.13，對應的臨界下滑系數(shù)tg（φmc）=0.46。經實驗測試原鉗齒與板坯間摩擦系數(shù)在0.24～0.39 之間，f3＜tg（φmc），導向滑塊不能下滑，鉗齒與板坯間必然會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。打滑以后，鉗齒與板坯間摩擦系數(shù)f3會增大至0.45～0.5[6]，與下滑臨界系數(shù)tg（φmc）= 0.46 十分接近，因此，原有設計處于臨界工作狀態(tài)，故有時會出現(xiàn)掉坯故障。

2.2 改進措施

綜上所述，為了提高夾持可靠性，防止打滑、掉坯，需要從兩方面考慮：（1）減小下滑臨界系數(shù)；（2）是增大鉗齒與板坯間的摩擦系數(shù)。為此，提出如下改進措施。

措施1：改進陀螺材料，將陀螺材質由鋼改為鋁青銅，并將潤滑脂由干油改為鋰基脂，目的在于降低導向滑塊和陀螺之間摩擦系數(shù)。

措施2：導向滑塊結構尺寸優(yōu)化設計

優(yōu)化目標：臨界下滑系數(shù)最小，即

式中S為安全系數(shù)；σs為強度極限；M為危險截面（滑塊下端圓角處）彎矩，M=FN3L3+Ff3L4；W為抗彎截面模量。

該優(yōu)化問題是一個單目標多變量約束非線性規(guī)劃，用Matlab 優(yōu)化工具箱fmincon 函數(shù)求解。結果見表2。

表2 導向滑塊結構尺寸優(yōu)化設計結果

優(yōu)化目標即下滑臨界系數(shù)tg（φmc）由設計改進前的0.46 降至0.31，夾鉗工作可靠性效果得到明顯改善。

措施3：改進鉗齒形狀，如圖4 所示。齒數(shù)由3 齒改為2 齒；齒形由對稱型改為不對稱型。齒面經熱處理提高硬度，以增加鉗齒壓入板坯深度，增大鉗齒與板坯間的摩擦系數(shù)，并提高鉗齒耐磨性。

圖4 鉗齒

2.3 臨界下滑系數(shù)實測值

按上述改進措施制作了樣機，如圖5 所示。在樣機的鉗齒上分別施加水平方向的夾緊力和垂直方向的推力。在水平夾緊力分別為25 000 N 和30 000 N 兩種情況下各測量3 次，測得的垂直推力分別為8 070 N、8 695 N、9 315 N、8 695 N、9 935 N、9 530 N，對應的下滑臨界系數(shù)分別為0.27、0.29、0.30、0.29、0.33、0.32。實際測出的下滑臨界系數(shù)與設計值0.31 比較接近。

圖5 電動平移板坯夾鉗樣機

3 結論

（1）電動平移式板坯夾鉗可靠工作，不發(fā)生打滑、掉坯的條件是鉗齒與板坯間的摩擦角要大于下滑臨界摩擦角。

（2）改進陀螺材料，改用鋰基酯潤滑，以及優(yōu)化導向滑塊結構設計，可以較為顯著地減小下滑臨界系數(shù)。改進后的不對稱齒型則可以增大鉗齒與板坯間的摩擦系數(shù)。改進后的下滑臨界系數(shù)為0.31。改進后鉗齒與板坯試塊間摩擦系數(shù)實測在0.45～0.5 之間，滿足導向滑塊下滑條件，可以保證夾鉗可靠工作，達到改進預期目標。實際測出的下滑臨界系數(shù)與設計值比較接近，證明了本文理論分析和設計方法的正確性。