舞钢4100mm宽厚板生产线双边剪退刀拉杆断裂原因分析

第22卷第6期 • 28 • 2016 年 12 月宽厚板WIDE AND HEAVY PLATEVol.22,No.6December 2016舞钢4 100 mm宽厚板生产线双边剪退刀拉杆断裂原因分析王国强王维国邢飞孟怀军(舞阳钢铁有限责任公司检修厂）摘要针对舞钢公司4 100 mm宽厚板生产线双边剪退刀拉杆断裂事故，根据退刀机构的工作原理，对 退刀拉杆进行了受力分析，最终找出断裂的主要原因并采取改进措施,避免了同类事故再次发生。

关键词退刀拉杆退刀机构偏心机构受力分析Causes Analysis of Blade Retracting Tie Rod Failure forDouble Side Trimming Shear in Wugang 4 100 mmWide and Heavy Plate Production LineWang Guoqiang,Wang Weiguo,Xing Fei and Meng Huaijun(Maintenance Division of Wuyang Iron and Steel Co. ,L td.)Abstract For the failures of blade retracting tie rod for double side trimming shear in Wugang 4 100 mm wide and heavy plate production line, the paper analyzes the loading of blade retracting tie rod according to the working prin­ciple of blade retraction mechanism, and finds out the major causes of the failure. The same incident is prevented after taking corrective measures.Keywords Blade retracting tie rod,Blade retraction mechanism,Eccentric mechanism,Force anaylsis〇前言双边剪在剪钢过程中两边同时剪切，剪后钢 板在水平分力作用下被夹持在两侧上剪刃之间，为了防止两侧上剪刃抬起时将钢板带起或磨损剪 刃，新型双边剪设计了退刀机构，可在每次剪切完 成后将上剪刃从剪切钢板的边部后退1 ~2mm，同时抬起上剪刃，并在下一次剪切开始之前恢复 到原来的剪切位置。

舞钢公司的4 100 mm宽厚板生产线双边剪 由Svemens V A I公司设计监制，结构精巧、紧凑，退刀机构与刀架拉紧机构、剪刃间隙调整机构紧 密结合。

作为双边剪的核心部件，退刀机构一旦 出现问题就会造成偏心机构不能固定，导梁失去 支撑，甚至剪刃间隙失衡，导致双边剪停产。

双边 剪在2007年投产后的三年里曾经出现2次退刀 机构拉杆断裂事故，严重影响了生产线的正常生 产。

本文根据双边剪及退刀机构的工作原理，对退刀拉杆进行力学计算和强度校核，最终找出退 刀拉杆断裂的主要原因并实施改进措施，取得了 明显效果。

1双边剪及退刀机构工作原理双边剪作业时，由2台电动机驱动每边剪机 齿轮轴，经过3级传动后驱动曲轴1、曲轴2和曲轴3。

曲轴1、曲轴2驱动主刀架作滚切运动，并 沿钢板纵向切边，曲轴3驱动碎边刀架将切边截 断。

曲轴1、曲轴2尾端安装了凸轮，退刀机构在 2个凸轮的驱动下如同杠杆绕中间支点上下摆 动，从而使退刀拉杆作周期性上下运动。

退刀拉 杆的上下运动使偏心机构转动一定的角度，偏心 机构的转动使导梁及支点向后摆动，刀架在回拉 机构的牵引下实现后退动作。

退刀拉杆直接与偏 心机构相连，对偏心机构的位置、主剪刃的刃隙以 及剪切质量产生影响。

双边剪与退刀机构的工作 原理如图1、图2所示。

第6期王国强，等:舞钢4 100 mm 宽厚板生产线双边剪退刀拉杆断裂原因分析• 29 •图1双边剪工作原理简图由于刀架及导梁始终承受回拉缸的拉力，偏 心机构同样受到使刀架后退的偏转力矩，退刀拉 杆下端又与偏心机构相连，因而受到偏心机构偏转力矩提供的拉力&。

退刀拉杆中部与减速机 底板之间安装有导向套和碟簧预紧部件，退刀拉 杆还受到碟簧施加的预紧力。

退刀拉杆装配 如图3 (a )所示，退刀拉杆受力如图3(b )所示。

当刀架完成一次剪切，右侧凸轮由大直径圆弧转 动到小直径圆弧并与滚轮配合时，退刀机构开始 摆动，退刀拉杆在偏心机构及碟簧的作用下实现 向下运动，偏心机构发生转动，从而使刀架及导梁 产生向后运动实现退刀动作。

刀架随后开始向上 抬起，右侧凸轮由小直径圆弧转动到大直径圆弧 并与滚轮配合时，退刀拉杆在退刀机构的作用下 向上抬起，偏心机构转动使刀架及导梁复位，为下 一次剪切做好准备。

2退刀拉杆受力分析及强度校核退刀拉杆2次发生断裂的位置都在图3 (a ) 所示的焊口部位，从断面形态初步判断为焊接缺 陷造成应力集中，最终导致断裂发生。

为了确定 断裂的原因，对退刀拉杆进行如下分析和强度校图3退刀拉杆装配关系及受力简图2.1受力分析及强度校核退刀拉杆在工作过程中，由于偏心机构的转动，退刀拉杆下端在沿竖直方向向下运动的同时 还伴随水平方向的摆动，拉杆沿竖直方向的往复行程为10 mm ，偏心机构的偏心量为50 mm 。

根 据三角函数关系计算水平位置偏移量（a )，见式(1)：a = 50 - \J 502 - 102 «= 1 mm(1)由式（1)计算得知退刀拉杆的水平位置偏移 量为1 mm ,导向套间隙允许水平偏移2 mm ,因此 可以不考虑拉杆承受弯曲应力的情况。

退刀拉杆受力如图3 ( b )所示，拉杆B 处受到 碟形弹簧向下的张紧力心，C 处受到由偏心机构 转矩产生的拉力&。

退刀拉杆A C 段同时承受轴 向载荷八和。

作用，设A B 段和BC 段承受变拉 力，并分别用^«与表示，可得式（2)和式(3)：核。

= ^2 +(2)• 30 •宽厚板第22卷Fm=Fi-F2(3)从图纸资料可以了解[1]，未发生退刀动作时碟黄张紧力心=〇. 389 x105N，退刀动作发生后碟賛张紧力&'=0.27 x105N。

2.1.1拉力&的计算根据图纸可知，回拉液压缸内径为320 mm,半径7?= 160 mm，活塞杆直径为140 mm，半径r=7〇mm，工作压力p = 12 MPa,回拉缸动作时的拉力（Ff i)计算公式见式(4):F&=PS=Pn(R2 -r2)(4)式(4)代人相关数据计算得出：F& =7. 8 x lO5N偏心机构受回拉缸拉力产生的退刀拉杆拉力为A，根据力矩平衡计算得出：F1x50 = Fhl x7解得：F1 =1. 092 x10s N2.1.2退刀拉杆各段受力计算及强度校核齿轮轴正常转动而未退刀时，拉杆的受力计算见式(5)和式(6):Fm =F1 +F2 =1.481 xlO5N(5)F N2 =F1-F2 =0. 703 x lO5N(6)退刀动作发生后，退刀拉杆的受力计算见式(7)和式(8):Fm = F1 +F2'=1.362 x lO5N(7)Fm =F1-F2 =0. 822 xlO5N(8)通过计算可知，在退刀动作发生之前和退刀动作发生之后这两个平衡状态下，拉杆A B段受到的最大拉力f M为1•481 x105N，拉杆BC段受到的最大拉力为〇•822 x105N。

通过对拉杆A B段及BC段截面面积最小位置进行强度校核，确定A B段截面面积最小处为B点台阶处，面积为3.42X10—3m2,应力为段截面面积最小处为螺纹上端台阶处，面积为2_ 64 x1(T3m2，应力为cr2，见式(9)和式（10)。

Fm X1.481 x lO5~3.42 xlO3= 43. 3 MPa(9)0-2Fm _ 〇. 822 x105B~2. 64 x l O-3= 31. 1MPa(10)退刀拉杆材质为45钢，极限应力取屈服极限 值355 MPa,大于q和。

，强度满足工作要求[2]。

2.2疲劳强度校核在设备运行中承受交变应力的零件往往会在 工作应力低于其屈服点的情况下发生疲劳断裂。

双边剪每年实际剪钢量约50万t，钢板的厚度为 6 ~50 mm，据此可粗略估算出双边剪每年剪切次 数，即退刀拉杆的工作次数为139万次，退刀拉杆 每年承受循环交变应力139万次，存在拉杆疲劳断裂的可能性。

根据《工程材料》教材中的说明[3]，碳素钢的疲劳强度与抗拉强度之间存在近 似比例关系，见式（11)。

55)^(11)根据有关资料可知，％ =600 MPa,由上式计 算可得为240 ~ 330 MPa，远大于构件的实际受力^和，因此构件在使用过程中不会产生疲劳损伤。

3分析结果经受力分析、强度校核以及疲劳校核，说明材 料和结构的静态及动态强度都大于实际受力，不 会发生过载或疲劳断裂。

实际断裂部位不是截面 面积较小的部位B和部位C，而是截面面积最大的焊口处，因此判断焊接缺陷是造成构件断裂的 原因。

众所周知，在焊接过程中，焊缝容易形成夹 渣、气孔、未焊透、焊接裂纹等煙接缺陷，构件在使 用过程中极易在焊接缺陷处形成应力集中，长期 使用时，在交变应力作用下，裂纹的产生和发展最 终导致断裂，实际的断面形态印证了这一结论。

4改进及效果根据分析结果，舞钢对双边剪退刀拉杆加以 改进，将退刀拉杆由原来的焊接结构改成整体锻 造结构，不但避免了焊接缺陷的产生，还增强了退 刀拉杆的整体力学性能，大大降低了因应力集中 而发生疲劳断裂的可能性。

公司于2010年7月完成了对双边剪移动侧退刀拉杆的更换处理，改 造后的退刀拉杆使用至今，未再发生断裂事故。

参考文献1西门子-奥钢联（SVAI).舞阳3 800 mm生产线双边剪相关图纸及技术附件,2005.2单辉祖.材料力学（I).北京:高等教育出版社,1999.3徐自立.工程材料.武汉:华中科技大学出版社.2003.王国强，男，2007年毕业于中原工学院机械设计制造及其自动化专业，工程师。

收稿日期:2016 - 07 -11。