曲柄式飛剪曲軸裝配間隙問題分析與管控

荊鴻鵬 JING Hong-peng

（本鋼采購中心，本溪 117000）

1 概述

曲柄飛剪是熱軋機組的主要設備，用來對軋件定長剪切。曲柄式飛剪曲軸裝配間隙的管控是一項對現場實際要求較高的實踐性工作，有著其自身的特殊性。通過對該項課題的研究，將會對曲柄飛剪的結構、設計特點、使用中遇到的問題，以及針對故障點做出的改進方案進行詳細解讀，最終達到延長曲柄飛剪的使用壽命，提升對曲柄式飛剪曲軸裝配間隙變化問題的分析與掌控能力。從而通過合理化的措施，保證曲柄飛剪在動作時剪刃間隙的控制，進一步優化曲柄飛剪的工作狀態。

飛剪安裝在進口側和高壓除鱗設備之間，它采用旋轉式曲柄、盒式設計，作用是將軋件的頭部和尾部在行進中切割掉，以保證軋件穩定進入軋機。曲柄飛剪屬于較大設備，并且結構復雜，要求精度高，提高飛剪使用年限和運行中設備精度，是設備管理者所要研究和解決的重要問題，本次以提高飛剪使用年限作為重點，要管控和提高使用年限飛剪曲軸、鋼瓦、銅瓦、軸承等重要部件的管控就是重中之重，針對飛剪使用中遇到的故障，提出解決方案，并且改進后運行較好，飛剪的穩定運行，對鋼坯進入軋機穩定、設備檢維修費、備件預修費控制起到重要作用。

2 啟停式飛剪的設計特點

2.1 啟停式飛剪的發展及控制原理

本文介紹的熱軋機組啟停式飛剪，應用于本鋼2300熱軋生產線，飛剪整體安裝在車架下端，可繞鉸接軸擺動，飛剪的下刀片為固定式，上刀片連接在曲軸上，可以在框架內滑動。上刀架由曲軸帶動，傳動機構簡單，系統的轉動慣量小，啟停效率高。

啟停式飛剪為間歇式工作模式，需要剪切軋件時，電機啟動并帶動剪切裝置開始剪切工作；剪切結束后電機立即制動，刀片將準確停在預先設定好的位置上，為下一次剪切做好準備。啟停式飛剪由PLC控制的低慣量大扭矩直流或交流電機帶動，具有位置、速度、加速度等反饋信號控制飛剪，自動完成啟動、剪切、制動的工作循環，控制精準。由于采用了PLC控制，傳統的定尺、空切、勻速機構和離合器、制動器均被取消，設備的機械故障也大大減少。

2.2 曲柄式飛剪的組成部分

①底座：兩個軸承座，鋼結構，基礎安裝，兩個廢鋼滑槽；

②軸承座：兩個封閉設計的傳動和非傳動側的軸承座，重板，鑄鋼，帶曲柄軸，用預埋螺栓安裝在基礎上；

③上橫移梁：鋼結構，2個上橫移梁中間連接的軸承座；

④曲柄軸：鍛鋼件，在飛剪機架內用耐磨軸承支撐；

⑤刀座：鑄鋼造，并由曲柄軸上的普通軸承支撐；

⑥剪刃間隙調整：用氣動馬達傳動，通過蝸輪傳動裝置和安裝在下刀座上的偏心軸和傾斜桿進行調整；

⑦剪刃：特殊刃具鋼，帶襯墊，曲面設計，安裝在刀座上，用液壓缸鎖緊；

⑧中間輥：鍛鋼造，耐磨軸承支撐，交流輥道電機傳動。

2.3 主要技術參數

①飛剪結構形式：雙曲軸連桿式飛剪；

②剪切鋼板最大板厚60mm、板寬max.2150mm；

③剪切溫度：≥900℃；

④剪切速度：0.3-2m/s；

⑤最大剪切力max.11300kN；

⑥最大剪切長度：400mm；

⑦刀片長度2350mm；

⑧主傳動電機：2-1970kW、轉速290/580r/min的電機驅動；

⑨主減速機速比：5.368；

⑩曲軸偏心：270mm。

2.4 對飛剪機的要求

飛剪機的特點是沿橫向剪切正在向前輸送的軋件，所以提出以下要求：

①剪刃在進行剪切時要與軋件隨動，即剪刃要同時進行橫向剪切與向前移動兩個方向的運動，且剪刃在軋件運動方向的瞬時分速度V應等于或略大于軋件運動速度V1，即V=（1-1.03）V1。若V＜V1，則剪刃將會對軋件的運動產生阻礙，使軋件彎曲，甚至產生纏刀事故[1]。反之，如在剪切時剪刃在軋件運動方向的瞬時速度V比軋件運動速度V1大很多，則會對軋件產生較大的拉應力，影響軋件的剪切質量和增加飛剪機的沖擊負荷。

②同一臺飛剪機要能夠剪切多種定尺長度，以滿足市場對產品規格的需求。產品的長度公差與剪切斷面平整度要符合國家標準的規定。

③工作效率要與軋機或機組的生產節奏和速度匹配。

3 飛剪曲軸機構存在的問題及解決方案

3.1 曲軸機構存在的問題

3.1.1 曲軸機構工藝及配合要求不能滿足現場使用

曲軸裝配是雙曲柄飛剪的核心部件（如圖1），各部件的材質選擇、加工工藝要求、加工精度保證以及各部件之間的裝配標準極其重要，通過近些年對雙曲柄飛剪的使用，隨著時代的發展以及對現場工藝要求的提升，需要針對飛剪出現的故障進行改進、提升，以滿足現場使用，飛剪曲軸原設計的強度已經不能滿足生產使用，需要曲軸進行強度升級，以保證使用壽命，以及精度控制?，F場使用中，出現曲軸與鋼套之間定位鍵出現磨損，其原因為曲軸與鋼套相連的定位鍵強度不足，長時間受沖擊曲軸與鋼套配合鍵槽雙向磨損，導致鋼套與曲軸存在相對運動，鍵槽磨損迅速加劇，飛剪無法正常切頭、切尾，影響軋件進入精軋機，生產產品的提升，飛剪所承載的載荷需求加大，需要對曲軸工藝以及同鋼套之間的定位形式、強度進行改進，曲軸機構的改進提升，伴隨著上刀架和下刀架強度一并提升。

圖1 曲軸裝配圖

3.1.2 曲軸裝配磨損間隙控制

任何設備的使用，需要制定合理的預修周期、檢修周期以及使用周期，特別像飛剪設備承受較大沖擊載荷，各部件隨著使用周期出現不同程度的磨損，曲軸與鋼套受沖擊磨損，銅套正常磨損，軸承正常磨損，導致曲軸裝配產生間隙，精度整體下降，剪刃間隙無法控制，影響鋼坯頭、尾剪切，并且各個部件損壞存在周期性，如果提前更換曲軸裝置下機，避免運轉時出現故障，不能保證設備的最大利用率，增加檢維修費用；但如果繼續使用，將有可能導致曲軸機構出現重大設備事故。曲軸機構的精度下降，直接體現在剪刃間隙、及剪切情況，出現飛剪在靜止狀態下測量的剪刃間隙在0.4-0.8mm范圍內，實際在運動中，剪刃間隙是不確定值，影響切頭、切尾，經常出現頭尾未切斷，帶入下游機架故障，所以針對使用周期，提前做好預修，延長曲軸機構的整體使用壽命，制定曲軸機構的劣化傾向管理，根據劣化值，確認曲軸機構的下機時間，是飛剪的管理的重點因素。

3.1.3 飛剪剪刃間隙控制原則及管控方向

①剪刃側隙及剪刃壽命的研究。

剪刃間隙的設定對飛剪剪切性能影響很大。根據剪刃側隙理論與經驗設定方法，側隙設定過大會影響剪切斷面平整度，還可能會出現剪不斷的情況；側隙設定過小，會使剪切時的剪切力過大，刀片磨損加劇，降低剪刃耐用度，甚至出現碰刀、崩口現象。而剪刃的壽命，受剪刃幾何參數，尤其是刀刃傾角的影響最為明顯，當傾角設計過大時，刀片與軋件接觸面積大，導致剪切力大；傾角設計過小時，雖然剪切力會變小，但刀片在剪切時所受的沖擊力增大，可能導致刀片破損。

②剪刃鎖緊機構對剪刃間隙的影響。

對現場更換的故障剪刃進行測量，平放時，檢測發現故障剪刃變形嚴重，平面度較差，剪刃“兩端翹”時平面度誤差為0.4-1mm，剪刃“中間鼓”時為0.3-0.52mm；立放時，檢測剪刃底面平面度誤差為0.4-0.8mm，而圖紙中技術要求剪刃兩鎖緊面和剪刃底面的平面度誤差應小于0.04mm。這種情況會造成鎖緊裝置中碟簧的勢能有很大一部分要用來克服剪刃的變形，并且剪刃和刀座之間的接觸面積縮小，摩擦力減小，使剪刃無法可靠固定，甚至產生松動。當飛剪工作時，固定側面調整墊片的螺栓受到離心力和剪切力的共同作用，容易斷裂，甚至發生剪刃墊片或剪刃脫落的嚴重后果。

③剪刃鎖緊機構的鎖緊力不夠。

剪刃是循環使用的備件，當打開鎖緊裝置時，要求刀座與剪刃之間裝配間隙保證在0.5-1mm之內。然而由于鎖緊勾頭及剪刃底座的磨損或是剪刃座存在變形，會使碟簧伸長，由碟簧產生的鎖緊力大為降低，導致剪刃無法可靠固定，生產過程中極易發生剪刃脫落、竄動故障。提高更換鎖緊裝置底座的頻率可以消除此問題，但是費時費力，也會使備件消耗增多，增加生產成本。

④刀座與剪轂間存在雜質。

剪刃刀座靠螺栓固定在剪轂上，由于長期剪切過程中的震動，固定螺栓會慢慢松退或拉長，當更換剪刃卸掉鎖緊力時，刀座與剪轂配合面之間便會產生間隙。再加上剪刃工作環境復雜，長期受高溫及冷卻水腐蝕，易產生氧化物，落入刀座和剪轂之間，在安裝剪刃時，氧化物殘渣會影響裝配的精度，使上下剪刃之間產生較大的剪刃間隙偏差。不能正確標定剪刃間隙，就會導致生產過程中出現軋件剪不斷或是咬刀現象，造成產品不合格或是設備故障。

3.2 解決方案

3.2.1 完善曲軸裝配核心零件的強度優化設計，配件形式提升優化

隨著產品強度的提升，要想滿足高強度產品的生產，設備需要升級改造，當然飛剪也不例外，首先對曲軸裝配核心部件的工藝材質進行優化；

①曲軸材料的優化設計，將原材料42CrMo調質優化為50CrMo調質，提高了材料的機械性能，增加了曲軸的剛度；

②完善了核心零件——兩個機架的鑄造和連接的強度優化設計，防止設備在使用時候機架變形問題；

③上刀架和下刀架材料為GS-30Mn5LV優化為G28Mn6+QT1，增加了材料的機械性能，防止設備在使用時候刀架變形問題；

④同時對曲軸上的鍵連接處進行優化，鍵槽尺寸由22mm改為28mm，并對配合鍵進行了優化設計，強化了與其它零件的連接強度；

⑤計算優化曲軸和連接的剖分軸套的間隙配合設計，剖分面保留一定的間隙（每側最大0.10mm），以保證最終裝配后軸頸與軸套間有適當的過盈，連接鍵槽尺寸由22mm改為28P9，增加對稱度0.05，增強連接強度，使其穩定可靠運行，防止在使用中由于間隙大承受沖擊力變形損壞，造成停機問題。

3.2.2 加強曲軸裝配磨損間隙控制，增加使用壽命

根據雙曲柄飛剪的使用情況，制定了曲軸裝配劣化傾向管理，同時確定了測量手段，調整間隙報警值為4mm，對曲軸裝配磨損存在因素進行總結，制定應對措施，從設備整體上進行管控，保證雙曲柄飛剪的穩定運行，重點是延長使用壽命，降低成本。

具體措施如表1。

表1 劣化因素和管控措施

3.2.3 剪刃裝配間隙管控手段

①根據現場實際情況，對于剪刃安裝前需要管控以下幾方面：

1）剪刃經過磨床加工后，需要有退磁操作，對修復好的剪刃進行測量驗尺，取兩端200mm和中間位置三點進行測量數據，如果剪刃“兩端翹”時三點數據最大差值需≤0.4mm，“中間鼓”時三點數據最大差值需≤0.1mm。剪刃在存放時應保持水平放置，不得與其他物品疊放，以免在外力作用下剪刃變形。

2）新的剪刃立放，平面度誤差≤0.3mm，整體厚度公差≤0.2mm，滿足要求為合格剪刃，具備上機條件。

3）剪刃底座在裝配時，要檢測水平面與垂直面的垂直度小于0.1mm。

②根據碟簧鎖緊力制作合適鎖緊塊。

該飛剪剪刃有13套獨立的鎖緊機構，每套鎖緊機構由11組對合碟簧組成，每組由3件碟簧疊合。根據圖紙，對鎖緊機構進行分析和計算，將鎖緊塊按照0.5mm間隔制作成151/151.5/152mm等不同尺寸，根據現場測量的實際間隙使用不同尺寸的鎖緊塊，從而保證各個位置的鎖緊力合理，避免墊片竄出和剪刃脫落事故發生，降低了底座更換頻率，減少了備件使用量，節省了生產成本。

③保證刀座與剪轂之間配合緊密。

每次更換剪刃時必須檢查刀座磨損以及刀座和剪轂的配合，力求刀座與剪轂配合緊密，中間無間隙和雜質，刀座固定螺栓緊固無松脫；如果刀座磨損量超過0.25mm，必須更換。

4 結束語

通過采取上述解決方案，該曲柄式飛剪自2018年底開始，沒有出現任何事故，并且正常磨損的部位，劣化趨勢對比之前緩慢，解決了由設備原因引發的切頭、切尾異常的現象。經統計，設備事故大大減少，過去每年有非計劃搶修十余次，現在零搶修，提高了設備使用效率，降低了備件成本，減輕了工人的勞動負擔。因此在今后的曲柄式飛剪曲軸裝配間隙管控過程中，應該加強對關鍵環節的把控，嚴格執行管控措施。