电动平移板坯夹钳掉坯故障原因分析及改进措施

尚伊宁

（燕山大学经济管理学院工业工程系，河北 秦皇岛 066004）

电动平移式板坯夹钳主要应用于连铸连轧线或板坯库房内以及城乡料场。其可以完成板坯的上料、下料、运输工作，主要结构如图1 所示。上横梁与下横梁之间采用刚性连接，以电动机为动力源的驱动机构带动两个钳腿相向平移，钳腿内置导向滑块，导向滑块前端镶嵌的钳齿夹持住板坯的侧面，形成初始的夹紧力[1]。然后由吊车通过滑轮组吊起整个夹钳，导向滑块随之下滑，将板坯越夹越紧，最终会将板坯吊起运走。

图1 电动平移板坯夹钳的主要结构

图2 是夹钳传动原理图。钳腿通过上滑块和下滑块卡在横梁滑道上，电动机经链传动驱动滑动螺旋机构，即丝杠转动，螺母平移。螺母再带动钳腿沿横梁滑道相向平移，从而夹紧板坯。吊车吊起整个夹钳时，导向滑块沿陀螺面向下滑动，会将板坯越夹越紧，保证板坯不掉落。

图2 夹钳传动原理图

这种夹钳的特点是高度小、效率高，能充分利用堆场空间[2]。但结构复杂，机加工件多，制造、装配调试难度大。该类夹钳在用户现场曾出现过许多问题，其中最致命的是夹持过程中出现打滑甚至掉坯，存在很大的安全隐患。有人从机械结构自锁、操作及场地、设备维护、板坯形状超标等方面分析了出现这些故障的原因[3-4]，但都没有在夹钳工作本质机理上对掉坯故障原因进行分析阐述。

由前述夹钳工作原理可知，为防止打滑、掉坯，夹钳的设计关键应满足2 点：（1）钳腿夹紧板坯，形成初始夹紧力后，滑动螺旋机构应能自锁；（2）起吊过程中，导向滑块能够顺畅下滑，对夹紧力进行及时补偿。这里着重对这两个设计关键点进行讨论，分析夹钳掉坯原因并提出相应的改进措施。

1 设计关键点分析

1.1 滑动螺旋副自锁分析

式中S为导程；d2为中径；f为螺旋副摩擦系数；α为牙型角若λ＜φm，则丝杠自锁。

这里讨论的某型号40T 电动平移板坯夹钳设计改进前后滑动螺旋副参数没做改变，丝杠几何尺寸见表1所列。

表1 丝杠几何尺寸

因λ＜φm，滑动螺旋副可自锁，不再赘述。

1.2 导向滑块下滑条件分析

图3 是导向滑块受力分析图。图中FN1为上陀螺与导向滑块间正压力；Ff1为上陀螺与导向滑块间摩擦力；FR1为FN1与Ff1合力；φm1为上陀螺与导向滑块间摩擦角，φm1=arctg（f1）（f1为上陀螺与导向滑块间摩擦系数。FN2为下陀螺与导向滑块间正压力）；Ff2为下陀螺与导向滑块间摩擦力；FR2为FN2与Ff2合力；φm2为下陀螺与导向滑块间摩擦角，φm2=arctg（f2）（f2为下陀螺与导向滑块间摩擦系数）。FN3为钳齿与板坯间正压力；Ff3为钳齿与板坯间摩擦力；FR3为FN3与Ff3合力；φm3为钳齿与板坯间摩擦角，φm3=arctg（f3）（f3为钳齿与板坯间摩擦系数）。L1为两陀螺中心点O1、O2间距离；L2为两陀螺面间距离；L3为钳齿中心面与下陀螺中心点O2间距离；L4为钳齿与下陀螺中心点O2间距离。α为导向滑块滑移面与垂直方向夹角，称为导向滑块倾斜角。

图3 导向滑块受力分析图

如此，导向滑块上作用着三个力FR1、FR2和FR3。点C为FR1与FR2力作用线交点，这里称为临界下滑点，此点对应的钳齿与板坯间摩擦角φmc称为下滑临界摩擦角。若FR3力作用线在点C右侧，因为FR1和FR2力作用线只能分别在摩擦角φm1和φm2内，因此，FR1、FR2和FR3三力不可能相交于一点，根据三力平衡汇交原理[5]，FR1、FR2和FR3将不可能达到平衡，导向滑块将下滑，故将点C 右侧区域称为下滑区，此时φm3＞φmc。当FR3力作用线由点C右侧逐渐偏向点C 过程中，意味着φm3逐渐减小。当FR3力作用线通过点C 时，FR1、FR2和FR3三力平衡汇交，导向滑块将停止下滑，此时φm3=φmc。当力作用线进入点C左侧后，FR1、FR2和FR3仍然能达到三力平衡汇交，导向滑块将不能下滑，将点C 左侧区域称为非下滑区，此时φm3＜φmc。

综上所述，导向滑块下滑条件可表示为钳齿与板坯间的摩擦角要大于下滑临界摩擦角。也就是钳齿与板坯间摩擦系数f3应满足：

2 改进措施

2.1 改进前原夹钳打滑、掉坯原因分析

设计改进前原夹钳采用钢制陀螺，陀螺与导向滑块间采用干油润滑，经实验测试其间静摩擦系数最小值为0.13，对应的临界下滑系数tg（φmc）=0.46。经实验测试原钳齿与板坯间摩擦系数在0.24～0.39 之间，f3＜tg（φmc），导向滑块不能下滑，钳齿与板坯间必然会出现打滑现象。打滑以后，钳齿与板坯间摩擦系数f3会增大至0.45～0.5[6]，与下滑临界系数tg（φmc）= 0.46 十分接近，因此，原有设计处于临界工作状态，故有时会出现掉坯故障。

2.2 改进措施

综上所述，为了提高夹持可靠性，防止打滑、掉坯，需要从两方面考虑：（1）减小下滑临界系数；（2）是增大钳齿与板坯间的摩擦系数。为此，提出如下改进措施。

措施1：改进陀螺材料，将陀螺材质由钢改为铝青铜，并将润滑脂由干油改为锂基脂，目的在于降低导向滑块和陀螺之间摩擦系数。

措施2：导向滑块结构尺寸优化设计

优化目标：临界下滑系数最小，即

式中S为安全系数；σs为强度极限；M为危险截面（滑块下端圆角处）弯矩，M=FN3L3+Ff3L4；W为抗弯截面模量。

该优化问题是一个单目标多变量约束非线性规划，用Matlab 优化工具箱fmincon 函数求解。结果见表2。

表2 导向滑块结构尺寸优化设计结果

优化目标即下滑临界系数tg（φmc）由设计改进前的0.46 降至0.31，夹钳工作可靠性效果得到明显改善。

措施3：改进钳齿形状，如图4 所示。齿数由3 齿改为2 齿；齿形由对称型改为不对称型。齿面经热处理提高硬度，以增加钳齿压入板坯深度，增大钳齿与板坯间的摩擦系数，并提高钳齿耐磨性。

图4 钳齿

2.3 临界下滑系数实测值

按上述改进措施制作了样机，如图5 所示。在样机的钳齿上分别施加水平方向的夹紧力和垂直方向的推力。在水平夹紧力分别为25 000 N 和30 000 N 两种情况下各测量3 次，测得的垂直推力分别为8 070 N、8 695 N、9 315 N、8 695 N、9 935 N、9 530 N，对应的下滑临界系数分别为0.27、0.29、0.30、0.29、0.33、0.32。实际测出的下滑临界系数与设计值0.31 比较接近。

图5 电动平移板坯夹钳样机

3 结论

（1）电动平移式板坯夹钳可靠工作，不发生打滑、掉坯的条件是钳齿与板坯间的摩擦角要大于下滑临界摩擦角。

（2）改进陀螺材料，改用锂基酯润滑，以及优化导向滑块结构设计，可以较为显著地减小下滑临界系数。改进后的不对称齿型则可以增大钳齿与板坯间的摩擦系数。改进后的下滑临界系数为0.31。改进后钳齿与板坯试块间摩擦系数实测在0.45～0.5 之间，满足导向滑块下滑条件，可以保证夹钳可靠工作，达到改进预期目标。实际测出的下滑临界系数与设计值比较接近，证明了本文理论分析和设计方法的正确性。