砂轮机机械结构改造

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【摘 要】通过对砂轮机现场使用情况,各种数据的计算和收集,完成了对砂轮机机械结构改造,对轧钢厂降低砂轮机故障率、提高生产效率有着重要的作用.本为主要介绍了,通过数据计算,最大优化砂轮机的使用效果,通过对轴承、砂等的重新选择,达到改造的目的.

【关 键 词】轴承；砂轮；惯性；剪力

前言

砂轮机是精整设备中的一种,轧钢厂后部精整工序一台六辊矫直机、喷砂机、超声波探伤机和两台辊底式退火炉,逐步发展到今天拥有矫直、喷砂、探伤、修磨、倒棱等多种工艺手段比较齐全的精整设备.其中包括φ50～φ100七辊矫直机、φ15～φ40七辊矫直机、φ15～φ40六辊矫直机、φ12～φ80涡流探伤机、φ50～φ100四磨头钢坯修磨机等.在使用过程中出现的诸多问题中,以砂轮轴断裂为最严重的问题,需要对其进行改造.

1现状分析

1.1砂轮机结构

原砂轮头机械装配图如图1所示：

图1原砂轮头装配图

其中：砂轮机动力源为一台型号为Y200L4－4、30Kw、1470r/min的电机,采用C2362型皮带传动.砂轮头升降采用气缸(QGB100×300-MP2)实现,气动系统最大压力为0.3Mpa.

1.2存在的问题

钢坯修磨机其主要职能是去除棒料的表面缺陷,对棒料进行磨光处理.该修磨机在实际使用过程中,逐渐发现其存在一些着问题,其中主要的是砂轮机砂轮头在对棒料进行修磨过程中,时常发生砂轮轴与砂轮夹盘间传动平键损坏,砂轮轴断裂,砂轮头轴承使用寿命过低等诸多问题,严重影响修磨机的工作效率.针对这种情况,决定对修磨机原设计的砂轮头进行改造,从根本上解决上述问题,从而提高修磨机的工作效率和机时产量.

2改造过程

2.1砂轮轴的剪切强度校合

砂轮轴在对棒料进行磨削时,主要承受两个方向的力,一个气动系统对砂轮头施加的一个垂直向下的压力,一个是砂轮片机构在转动时和棒料接触产生的一个棒料对砂轮片产生的阻力.也就是说,砂轮头在对棒料进行磨削过程中砂轮轴所承受的剪应力是两个分力所合成的一个合力F合.因此,计算出该砂轮轴的剪应力就可以确定该砂轮轴的轴径是否满足使用要求.

2.1.1砂轮片转动时产生的惯性力

砂轮片与棒料之间产生的摩擦力,也就是砂轮片机构在转动过程中产生的转动惯性力与砂轮片棒料之间摩擦产生的摩擦力.

首先,需计算出砂轮片机构的转动惯性力.

如图1所示,原砂轮头装配图中砂轮轴砂轮片夹紧机构的零部件主要有镐刚玉砂轮片（φ127×φ500×100）、砂轮内压板、砂轮外压板、锁紧螺母及轴螺母.其质量根据公式m＝ρv可分别计算出.

（1）镐刚玉砂轮片（φ127×φ500×100）71.6Kg

（ρ＝3.9t/m3）

（2）砂轮内压板9.4Kg

（3）砂轮外压板4.0Kg

因此,砂轮轴所带负荷总重为5Kg.

根据惯性力公式Fgn等于-mω2r,由此可以计算出砂轮轴砂轮片夹紧机构在转动时所产生的惯性力.

其中：m为质量,单位Kg

ω为角速度,单位r/s

r为半径,单位米

首先,根据惯性力公式中各参数的含义,确定出各个参数的具体数值.根据电机的输出转速2950r/min,可以确定出ω的数值.同时在计算中,因为安全系数的原因,所以半径r值要取最大值.

所以,公式中各相关变量数值确定如下：

（1）m＝85Kg

（2）ω＝（2×1470×π）÷60＝153.9r/s-1

（3）r＝0.25m

因此,公式Fgn等于-mω2r

等于－85×153.92×0.25

等于－503310.7N

≈－503.3KN

所以,砂轮片在转动时产生的转动惯性力为503.3KN.

同时,查表可知钢与砂轮片之间的摩擦系数为0.22,由此可以确定出摩擦力F磨＝503.3×0.22≈110.7KN.

2.1.2修磨棒料的转动时产生的惯性力

由于砂轮头在对棒料进行修磨时,被修磨的棒料由辊道带动进行旋转前进,因此棒料会在旋转过程中也产生一个转动惯性力,该惯性力与砂轮头的惯性力会产生一定的抵消.该辊道转速由一台型号为Y200L4－4、30Kw、1470r/min的电机和一台速比为15.75的齿轮减速机提供.该惯性力计算如下：

公式中相关参数确定

m＝π0.0452×6×7800

≈297.6Kg

ω＝2π（1470÷15.75）/60

≈9.8r/s

∵Fgn＝-mω2r

∴Fgn＝-297.6×9.82×0.045

≈1286N

≈1.3KN

因为该转动惯性力与砂轮片转动惯性力相比很小,在这里的计算过程中可忽略不计.

2.1.3砂轮头承受的向下的压力

砂轮头承受的向下的压力来自与气动系统所产生的一个向下的力,该向下的压力可以根据气动系统的压力和气缸的缸径计算出来.

由于气动系统压力最大值为0.3Mpa,气缸的型号为QGB100×300,可以确定出该气缸缸径为100mm,由此可以确定出压力公式“P＝F/A”中的参数值,可以计算出压力“F”.其中：P＝0.3MPa、A＝78.5×10-4m2

∵P＝F/A

∴F压＝PA

＝0.3×106×78.5×10-4

＝2.36KN

2.1.4砂轮轴剪力的确定

根据力的合成原则,可以计算出砂轮轴所受剪力的大小.

∴F合2＝F磨2+F压2

∴F合≈110.7KN

2.1.5砂轮轴径的确定

根据剪应力公式τ＝Q/A,其中：

τ为剪应力,单位MPa

Q为剪力,单位KN

A为剪切面积,单位平方米（m2）

可以计算出在确定的剪力条件下砂轮轴临界轴径.

因为砂轮轴的材质为45＃钢,由此可以确定出该砂轮轴的剪应力［τ］为60Mpa,将确定的数值带入剪应力公式：

∵τ＝Q/A

∴A＝Q/τ

＝110.7×103/60×106

≈1.85×10-3

∵A＝πd2/4

∴d2＝4A/π

＝4×1.85×10-3/3.14

≈2.36×10-3

∴d≈48.6mm

＝49mm

由此可以确定,在剪力Q＝110.7KN的条件下,砂轮轴直径在φ49圆时,发生断裂.因此,原砂轮轴不符合使用要求,需要重新进行选择砂轮轴径.

根据轴承内径尺寸变化的规律,对砂轮轴径进行选择.在原轴承内径为φ60的基础上,先增加一个尺寸,也就是由φ60增加到φ65.由此,可以确定出砂轮夹紧机构处的砂轮轴直径应在φ65以下.根据使用惯例,轴径一般应选择一个整数值,所以确定砂轮轴径为φ60.根据剪应力公式,计算φ60轴径的剪力.

∵τ＝Q/A

∴Q＝τA

∴Q＝τπd2/4

＝60×106×3.14×（602×10-6）/4

＝169560N

≈169.6KN＞110.7KN

因为该数值大于计算出的剪力,所以该砂轮轴径符合使用要求.因此,该砂轮轴使用的轴承内径为φ65,轴承型号的尾号尾“13”.

2.2轴承的重新选择

轴承的重新选择,主要是对轴承的配置方式和轴承类型进行选择.根据通常的轴承配置方式,一侧的轴承为固定轴承,承受径向和轴向两种负荷.另一侧轴承为自由轴承,仅承受径向负荷,轴向可以相对移动.原砂轮轴轴承配置方式及使用效果分析,原砂轮轴轴承配置方式采用的是固定侧轴承为圆锥滚子轴承,自由侧轴承为双列的深沟球轴承,配置基本正确.但由于砂轮头侧承受的径向负荷较大,一列圆锥滚子轴承的配置方式能力较弱,可以改为双列配置.同时,在对棒料进行磨削过程中,棒料的旋转前进使砂轮轴产生一定的轴向位移,造成原配置的双列深沟球轴承易发生损坏.所以,应将原配置的深沟球轴承更改为同时可以承受轴向和径向两种负荷的轴承.根据轴承的径向负荷能力排序“深沟球轴承＜角接触轴承＜圆柱滚子轴承＜圆锥滚子轴承＜调心滚子轴承”,其中角接触轴承还可以承受一定的轴向负荷,所以将原双列深沟球轴承改为双列角接触轴承.轴承型号分别为2313和7313.

2.3砂轮轴的剪切强度校合

根据改砂轮轴的尺寸,也对原砂轮夹盘进行了重新设计.重新设计后的砂轮头机械机构如图2所示.

图2重新设计后的砂轮头装配图

3结语

此次改造后,取得了预期的效果,在实际使用过程中,该砂轮头的故障率大大降低,提高了修磨机的使用效率,降低了故障率,效果显著.