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轴承知识

连铸中包车机械手故障分析与改进

2020-03-20
张栋,田万冬
  摘 要:介绍了鞍钢股份有限公司炼钢总厂板坯连铸生产线中包车机械手的设备组成和工作原理,分析了机械手故障的原因,提出了机械和液压两方面的改进措施。实践表明,采取上述措施后,每年减少机械手事故时间30h,节省修复费用11万多元,且减轻了操作者的劳动强度。
  关键词:连铸;中包车;机械手
  中包车机械手是连铸生产工序中保证铸坯质量的关键设备之一,其作用是将长水口的上端安装在大包钢水罐底部滑板处,下端伸入中间包钢水内,钢水通过长水口注入中间包,并用氩气密封长水口和大包滑动水口之间的间隙,实现保护浇注,防止浇注过程中钢水二次氧化,从而提高铸坯的质量。鞍钢股份有限公司炼钢总厂板坯连铸生产线中包车机械手设备出现严重老化现象,主要表现在手臂回转阻力大,手臂轴向窜动,增加了操作者的劳动强度,液压系统故障导致紧固力不足使长水口与钢包底部滑板下水口瞬间脱开等,威胁人身安全,严重影响了连铸的正常生产。经过分析研究中包车机械手在生产过程中产生的故障原因,提出了解决措施。
  1 中包车机械手简介
  中包车设置在钢包回转台下方,结晶器上方,机械手位于中包车车体上,该设备由生产工人操作,用于承接钢包回转台上的钢水罐,通过机械手上安装的耐火套砖(亦称长水口)与中间包直接联接起来,钢水通过长水口直接注入中间包。连铸机生产过程中,在长水口接头处连续填充氩气,采用正压密封,隔绝氧气,防止钢水二次氧化。因此机械手是连铸生产中保护浇注、保证铸坯质量的关键设备。中包车机械手结构示意图见图1。
  2 机械手的工作方式
  当大包钢水罐处于浇铸位置时,操作人员站在扶手1处,操作带液压提升和下降装置的液压缸4,控制手臂10的升降动作。当钢水罐下降(由钢包回转台上的液压缸控制)时,对正机械手前端安装的长水口耐火套砖与钢水罐出口的滑动水口,升起机械手手臂,使手臂上的长水口与钢包滑动水口紧固联接起来。在连接部位连续充填氩气,实现保护浇铸功能。此紧固力由液压系统的减压阀调定。当钢水罐下降时,带动机械手手臂向下移动,此时液压系统的溢流阀开启,这样机械手就能以几乎恒定不变的紧固力托住钢水罐。该溢流阀主要起安全保护作用,防止因钢水罐下降产生的压力通过手臂作用到液压缸活塞产生过大的压力破坏机械设备。
  机械手手臂具有升降、水平摆动、回转功能。手臂的提升和下降由液压缸4控制,操作者只需搬动在蜗轮减速机上方配置的手动液压换向阀手柄即可;机械手的水平摆动是由人工推拉扶手1及偏心支座12摆动实现。该偏心支座应用曲轴的工作原理,人工水平推拉扶手,偏心支座便会绕固定底座摆动,达到手臂所需的位置。
  为了倾倒废旧长水口,手臂回转操作由人工转动手轮2,驱动蜗轮减速机的输出轴,带动联接板使手臂转动。因此,机械手是机液一体化设备。在钢水浇铸过程中,每罐钢水需安装、拆卸机械手各一次。
  3 机械手的主要故障分析
  3.1机械方面
  (1)设备工况恶劣,为高温、重载,使用频率高。机械手在使用过程中,其手臂主要受到开关滑动水口产生的轴向力,手臂的轴向定位由联接板上的螺栓固定,当螺栓因松动脱落或断裂时,轴向定位便会失效。使手臂轴与联接板脱开,丧失回转功能。在对机械手的检修过程中,由于联接板仅由三对M10×70(8.8级)的内六角螺栓固定,设计上对该螺栓定位的可靠性要求过高,一旦螺栓联接失效,将使手臂无法转动。
  (2)联接板固定螺栓松动的主要原因为:由于机械手工作温度可高达100℃,在待机位温度为室温,故此温差变化大是产生螺栓疲劳松动的主要原因。
  (3)由于机械手手臂在套筒内由铜套支承,铜套支承必须为间隙配合,若间隙过小,使手臂回转卡滞或回转失灵;当配合间隙过大时,又因同轴度不好,使对中性降低,产生附加阻力。因此,当铜套磨损后,铜套内孔与手臂轴的径向间隙过大,增大了回转阻力,使回转困难。
  为保证机械手设备功能的完好率,必须频繁下机检修,仅仅为更换三对固定螺栓便将设备全部解体检修,浪费大量人力、财力。
  3.2液压方面
  (1)由于在浇铸过程中,设备长期处于高温环境。液压介质水乙二醇在高温环境下易变质,产生胶状物质,导致对介质精度等级要求高的三通减压阀压力低及无法调压故障。压力不足,机械手会下滑,将导致长水口脱开,发生串钢,轻则引起断浇生产事故,重则有可能发生钢水喷溅伤人。严重影响人身及设备安全。
  (2)在外方给定的设计压力(12MPa)下,在长水口粘钢或长水口上偏的情况下偶尔会发生机械手下滑现象。
  (3)液压缸内泄或液压锁有泄漏导致长水口紧固力不够,机械手下滑。
  4 改进措施
  4.1机械方面
  在机械手下线检修过程中,为消除故障必须解决如下缺陷:
  (1)针对手臂的轴向定位失效,决定在每次修理过程中除更换新的定位联接板,再将手臂上与联接板的普通平键改为钩头楔键,利用后者既有周向定位也有轴向定位的作用,而后更换新螺栓并选用12.9级的高强螺栓,将螺栓紧固后再点焊,进行破坏防松,解决因螺栓松动产生的定位失效;
  (2)针对手臂支承铜套回转费力问题,决定改变手臂的支承方式,铜套改为双列圆柱滚子轴承,该思路的出发点是利用滚动摩擦阻力远小于滑动摩擦阻力,可使手臂转动更加灵活。机械手臂回转操作时主要是克服轴承的摩擦力矩,原先采用铜套为滑动摩擦,更改双列圆柱滚子轴承为滚动摩擦,大大减小摩擦力矩。根据经验公式:
  M=μ×P×d
  式中,M为摩擦力矩,N·mm;μ为轴承的恒定摩擦系数;P为等效轴承动负荷,N;d为轴承内圈直径,mm。
  选取适当的μ精确计算摩擦力矩。一般情况下,滑动轴承μ=0.01~0.02,圆柱滚子轴承μ=0.0008~0.0012。已知轴承内圈直径d=105mm,需要计算等效轴承动负荷P,人工进行手臂回转操作时,手臂升降液压缸处于平衡状态,作用力近似为零,轴承动负荷P主要由手臂自重及安装的长水口重量形成的力矩产生,手臂水平状态轴承动负荷最大,受力简图见图2。
 
  已知:G手臂=110kg,G水口=30kg,L1=600mm,L2=1500mm,L3=3000mm。
  根据力矩平衡公式:
  P×L1=G手臂×L2+G水口×L3
  解得P=5635N,取滑动轴承μ1=0.015,滚动轴承μ2=0.001,则计算减小摩擦力矩:
  M减=(0.015-0.001)×5635×105=8283(N·mm)
  首先,委托修理厂根据图纸尺寸,取消普通平键,重新加工钩头楔键。安装后,将紧固后的螺栓用电焊点焊,进行破坏防松,提高螺纹联接的可靠性[4]。其次,对手臂的支承铜套重新设计,根据选好的双列圆柱滚子轴承加工新的轴承座,在手臂轴上加工安装弹性挡圈的沟槽,以便于轴承的定位。更改后的手臂支承结构示意图如图3所示。
  按上述方法组织生产,上机试用后,手轮回转阻力非常小,操作轻松自如,极大地减轻了操作工人的劳动强度。此后,对连铸线上的其它机械手也相继进行了改造。
  4.2液压方面
  (1)减压阀改型,将原设计的三通减压阀改为抗污染能力强的直通式减压阀,通过增加一过渡板,很方便将板式直通减压阀安装到原三通减压阀位置上,通过减压阀改型,极大地降低了机械手减压阀故障。
  (2)通过现场实验,将原设计的减压阀出口压力提高到14MPa,经过几年的设备使用表明,此压力值即满足长水口紧固力的要求,又不损坏机械结构(注:压力过大会损坏机械结构,如长手臂弯曲变形,固定机械手地脚螺栓剪断等)。现就机械手臂在工作中处于水平状态时计算液压缸产生的紧固力,机械手臂受力结构简图如图4。
  已知液压缸活塞直径80mm,活塞杆直径45mm,L1=442mm,L2=370mm,L3=3000mm,可计算出L4=284mm。
  根据力矩平衡原理F液×L4=F紧固力×L3。首先按照压力12MPa计算:3.14×(402-22.52)×12×284=F紧固力×3000,得F紧固力=3902N。若按照压力14MPa计算,则F紧固力=4553N。
  由此可见,油压力提高2MPa,紧固力提高651N。校核一下在14MPa压力作用下手臂的弯曲强度,公式如下:
  σmax=(M/WZ)max
  式中,M取最大弯矩;WZ为抗弯截面模量。根据图4手臂的受力情况,画出手臂的弯矩图如图5。
  对于截面积为环状钢管:WZ=π(D4-d4)/32D,其中,D=105mm(钢管外径),d=76mm(钢管内径),则:
  σmax=11.97×1000×32×0.105/〔π(0.1054-0.0764)〕=144.8MPa
  机械手臂材质为Q345B,查钢管材料许用应力表得知,σ=(470~630)MPa,σmax<σ,所以14MPa压力下,机械手臂满足弯曲强度设计要求。
  (3)制定机械手液压缸更换周期为半年,每次检修检查机械手是否能保持住压力,采用方式为将机械手停在任意某位置,保持10min,如果机械手位置不变,则说明设备状态良好;若长手臂上升,则可能液压缸内泄,更换液压缸;若长手臂下降,则可能液压锁有泄漏,更换液压锁。
  (4)增加机械手压力检测传感器,将压力曲线实时传到中控室电脑画面,有利于对压力的检测,发现压力稍低马上调高减压阀压力。若出现事故,也利于对故障原因进行分析。
  (5)在减压阀出口处增加一个10L蓄能器,起稳压及短时供油作用,提高液压系统的可靠性,防止由于压力瞬间降低导致的机械手下滑事故。
  5 应用效果
  改造前,机械手的年修复计划平均为12台,每台修复费用11000元;平均每月发生一次机械手下滑事故,会造成生产中断,重新组织生产至少需2.5h。改造后,机械手的年修复计划平均为2台,年节约维修费用为:11000元/台×10台=110000元;减少由于机械手下滑事故时间为2.5h/月×12月=30h/a。由此可见,此项改进直接经济效益11万元,减少事故时间创造的间接效益可达百万元,而且提高了操作工人的作业安全。
  6 结语
  通过改进机械手的机械结构,解决了机械手操作不灵活的缺陷,延长了机械手的使用寿命,既提高了设备的操作性能,减轻操作者的劳动强度,又减少了维修费用,每年减少维修费用11万余元;通过改进机械手的液压系统,彻底解决了机械手下滑的问题,减少事故时间30余小时,保证了生产顺行,取得了可观的间接效益。
(来源:冶金之家)

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