25T抓斗卷筒改进及修复

25T抓斗卷筒改进及修复

王学军

四川机电职业技术学院

摘要

针对25T抓斗吊卷筒轴滚键，轴与卷筒毂孔磨损，提出将原轴上宽16mm×140mm的键槽改为宽22mm×140mm的键槽.把已磨损的卷筒毂采用加钢套镶套修复，已达到防止滚键和降低备品费用，减轻工人劳动强度，提高设备的工作效率。

关键词

卷筒   轴    键    挤压应力   许用挤压应力[]

前言 25T抓斗。主要用于铁精矿的输出，以满足炼铁厂的生产需求，所使用的设备有25T箱形双梁桥式抓斗吊，它主要是为铁路运输装卸，搬运铁精矿的主要运输机械，是一种生产过程机械化，减轻工人体力劳动和提高生产率的重要机械设备。

卷筒在起升机构或牵引机构中是用来曳引和卷绕钢丝绳的。用它的旋转运动来驱动载荷升降，抓斗作业时卷筒在电机的驱动下作顺时或逆时转动，由于这样频繁转动，使用一段时间靠轴承座端轴上16mm键两侧工作面磨损，造成滚键，导致轴径与卷筒毂孔径产生磨损。必须对卷筒进行修复与改进。

1、卷筒的结构及磨损原因分析

由于铁精矿生产需求量的增大，通过抓斗吊每天输出的铁精矿高达1.4万吨以上，加上降钛，降水份频繁的倒矿，设备的运行时间比过去增加了三分之二。外加物料堆放不规则，取物时对抓斗斗体和卷筒影响特别大，对起升华机构的主要影响是卷筒轴滚键和卷筒轴与卷筒毂的相应磨损。

抓矿前使用的桥式抓斗有25T桥式抓斗和10T桥式抓斗共6台。它的优点是结构简单，工作可靠，工作效率高，起升开到任意高度可以卸载。机械部分有三个机构组成。外型尺寸为31.5×7×4.13（m）。起升机构上两套φ800（mm）×L1800(mm)的卷筒，总重2.7T每套总价值14余万元。它不但备品费用高，使用特殊。检修也不方便，所以如何解决好卷筒轴和卷筒毂滚键，卷筒轴和卷筒毂的磨损是关系到起吊设备的完好，保证铁精矿的输出和生产成本降低的核心问题。

1.1 卷筒组的组成：（图一）

  卷筒组由齿轮盘接手、卷筒、轴、双头螺栓、螺母、垫圈、压板、圆螺母、油环、限位开关接手、开口销、限位开关架、轴承座、双列调心滚柱轴承、通盖、轴衬、键、卷筒毂、垫、垫板、盖板、螺栓、止动垫等组成。

1.2、磨损原因分析

卷筒在工作中频繁换向转动，使用一段时间后靠轴承座端轴上16mm键两侧工作面磨损，导致轴径与卷筒毂孔径产生微量磨损。 因此通常不易发现，时久造成卷筒轴与卷筒毂达不到原设计φ130配合要求，严重时将卷筒毂内孔磨到φ131mm-φ132mm致使卷筒毂与轴上衬套严重磨损，使整个卷筒产生轴向窜动，造成齿轮和卷筒毂上的内齿不同程度的损坏。严重时会将卷筒座撞断，造成卷筒脱落事故。

由于卷筒两端卷筒毂不能互换，且卷筒毂损坏后也不能单换。要解决25T抓斗吊卷筒毂存在的共性问题，防止卷筒轴滚键和价值14余万元的卷筒不被报废。提出对25T抓斗卷筒轴滚键的改进和对卷筒毂磨损的修复措施。

2、改进和修复的措施与方法。

2.1改进和修复的措施

为增大传递扭矩将原轴上16mm×140mm的键槽改为22mm×140mm卷筒毂上的键槽已同时改为22㎜。将已滚键的轴和已磨损的卷筒毂进行修复。

2.2改进和修复的方法

2.2.1磨损后轴的修复

由于滚键造成ф130mm，轴的磨损在实际修复过程中：用J507焊条沿轴堆焊一周，上车床加工，使其满足Ф130mm的原尺寸。因为出现滚键现象，我们将原b=16mm的键改为b=22mm，在Ф130mm轴上插b=22的键槽。

T=3.98×106N.mm    d=130mm     l=140-22=118mm  

由机械设计课程设计手册表4-3可查得键高h=14mm.

平键联结的挤压强度条件：σ==×106=74.12 N/mm2

[σ]=100N/mm2

经平键联接的强度校核验算挤压应力σ远小于许用挤压应力[σ]理论上能满足实际工作需要。

2.2.2磨损后卷筒毂的修复

（1）卷筒毂内孔尺寸理论上为Ф130+0.063 0mm磨损后变成实际中φ131mm-Ф132mm之间，补焊是不可能了。我们将卷筒毂拆卸下来送到加工车间上车床把磨损后的内孔尺寸扩至φ190+0.046 +0.02扩孔目的是为里镶钢套。

（图二）卷筒扩孔后简图

（2）加工钢套，钢套尺寸如图：

                                        （图三）钢套尺寸图

将加工后的450钢钢套内沿为2×450的倒角。外径5×450的倒角为焊接坡口。我们采用的是不锈钢焊条焊接，钢套和卷筒毂的倒角是便于焊接更牢固。

2.2.3键的选择与强度分析

考虑到实际工作中25T抓斗是高频率重载运转，卷筒正反转很频繁，镶入卷筒毂的钢套光靠焊接是不能保证钢套的强度要求，这就需要在卷筒毂扩孔后的位置加工键槽，然后装入键来增加钢套的稳定性，键的强度在载荷分布不均情况下，增加其强度，我们采用两键180

0布置，即在卷筒毂内孔1800处加工两条22mm的直通键槽。见（图三）。 

键的联接方式主要有以下几种，（1）平键联接（2）半圆键联接（3）楔键联接和花键联接，根据各类键的结构的应用特点，这里选用普通平键联接。因为普通平键是以两个工作侧面为工作面，上表面与卷筒毂槽有一定间隙，这种键定心性能较好，便于装配，而普通平键用于静连接。按照端部的形状不同可分为A、B、C三种，A型为圆头键在槽中对中固定良好，但槽对轴的应力集中较大，B型为方头键，轴槽用盘型铣刀加工应力集中较小，而C型为半圆头键，一般用于轴端，我们这里选用的是方头键，因为用盘型铣刀加工，钢套的应力集中较小。

（1）平键联接的挤压强度条件

σ=≤[σ]

T 为转矩N.mm 、d为轴径 、h为键的高度 、 L为键的工作长度mm、 [σ]为许用挤压应力。

25T抓斗抓铁精矿一般是精矿15吨，加上斗体和刚绳的重量≤25T，卷筒的直径是Ф800mm。但是计算卷筒毂钢套上键的转矩时应代入的直径是钢套直径d=190mm.一台25T抓斗有两台卷筒，一个相当一个动滑轮，一台25T抓斗就是两个动滑轮。

其力矩计算应是：

T=×1000×9.8×=5.8×106N.mm

（2）平键公称尺寸的选择

因为这里镶入的是钢套 d=190mm、 键初选的公称尺寸b=22mm、可查出高度h=14mm、 这里是普通键，其键的工作长度是L=170mm。

（图四）钢套装上键的受力概图：

两键180º布置，载荷分布不均匀性因素的存在，在强度校核中应是：

           σ =≤1.5[σ]

         σ =4×5.8×106/190×14×170=51.3N/mm

由机械设计基础（第三版）表10-10查出45#钢键在受冲击情况下的许用挤压应力为100N/mm -120 N/mm，这里验证其失效临界面[σ]= 100N/mm

  σ=51.30N/mm<1.5×100N/mm=150N/mm

经验算卷筒毂和钢套之间选用b=22mm的平键在强度校核中能满足实际生产需要，即

[σ]平键不会出现失效形式。

卷筒失效而报废的根本原因在于出现滚键，从而磨损卷筒毂和130  mm的轴，卷筒毂和130 mm轴之间的联接原备件采用b=16mm的双圆头平键（A型）

圆头平键概图

（图五）

  L=140mm    b=16mm

在平键的强度校核中，平键的工作长度l=L-b=140mm-16mm=124mm

h=10mm

钢套与1300 -0.010 mm轴联接其平键所受力矩：

T=×1000×9.8×=3.98X106N.m

σ==×106=98.76N/mm2 [σ]=100N/mm2

经验算该圆头平键在强度校核中能满足需要，理论上其平键不会出现失效形式，但实际生产中出现了滚键现象，是由于σ=98.76N/ mm2接近于[σ]﹤100 N/mm2，而抓斗是频繁运转，当使用一段时间以后，当达到平键疲劳极限时，就可能出现滚键现象。

2.2.4修复卷筒装配

（1）清洗。筒毂、键、钢套、轴、清除零件的毛刺，防止在安装过程中由于毛刺产生较大的过盈，阻碍装配。

（2）将清洗后去毛刺的零件对照图纸检查各部尺寸。公差是否符合要求。

（3）将检查完毕的键在键槽中进行试配，保证键的工作面与键槽较好配合。

（4）将卷筒毂内孔适量加热，同时将两根键和钢套装上。

（5）钢套与卷筒毂两端的结合处两边有5×450的倒角，采用不锈钢焊条焊接。防止钢套与筒毂串动。然后用砂轮机将两端焊接处修平，并达到图纸尺寸。

（6）45#钢和铸钢属于中碳钢，焊接时由于含碳量较高，焊后易产生冷裂纹，如采用J507焊条焊接，则需焊前预热，焊后保温缓冷，并进行热处理才能保证焊接质量。工艺复杂，考虑到为简化工艺，且因开的坡口角度较小，填充金属较少，于是采用奥氏体不锈钢焊条（A307、A407）采用奥氏体不锈钢焊条焊接上述两种材料，只要工艺得当，焊缝组织为奥氏体，具有良好的塑性和韧性，可防止冷裂纹的产生。

结语

几年前卷筒损坏后一般都是更换新卷筒，而一套新卷筒的价值14余万元，造成备件费用居高不下，通过对轴和卷筒毂镶套修复后，满足了长期高频率运转的要求，以前经常发生卷筒滚键将卷筒毂130+0.063mm的内孔磨损的情况再没发生过，卷筒工作平稳，通过两年多时间证明，修复后的卷筒满足了高频率的工作状态下的强度、刚度要求，起升机构工作正常，铁精矿的顺利输出得到保证，同时降低了备件的损耗，节约了大量资金，也减轻了工人的劳动强度。延长了卷筒的使用寿命提高工作效率。25Т抓斗卷筒毂的改进修复‚不但彻底解决卷筒毂磨损‚轴滚键这一难题‚而且还将过去因此原因换下去的卷筒进行利用。

参考文献

《机械设计基础》扬可桢. 程光蕴 主编

      《机械设计课程设计手册》吴宇泽. 罗圣国.主编

      《机械制图》四川科学出版社

      《异种金属焊接技术指南》刘中青. 刘凯.编著

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