張文奇

(武鋼有限設(shè)備部 湖北 武漢：430080)

某鋼廠熱鍍鋅機(jī)組年生產(chǎn)總量約40萬噸，具備生產(chǎn)普通建材用板、家電板及高級汽車用板等產(chǎn)品的能力，產(chǎn)品在市場上有著廣泛的應(yīng)用，給該廠帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該熱鍍鋅生產(chǎn)線由德國SMS-D EMAG公司技術(shù)總承包，于2004年進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，采用國內(nèi)外設(shè)備整合建造，至今運(yùn)行近15年。由自投產(chǎn)以來，開卷機(jī)故障率較高，嚴(yán)重制約了熱鍍鋅機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，降低了經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)分析研究，發(fā)現(xiàn)開卷機(jī)的銅滑條斷裂和變形問題是重要制約因素，解決開卷機(jī)的銅滑條斷裂和變形問題是當(dāng)務(wù)之急。

1 開卷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及功能

熱鍍鋅機(jī)組開卷機(jī)的主要部件由電機(jī)、減速箱、卷筒、制動器及端部支撐臂等零部件組成，其中卷筒內(nèi)部部件包括空心軸、拉桿、扇形塊、銅滑條等零部件。開卷機(jī)拉桿、銅滑條、扇形塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 開卷機(jī)軸、銅滑條、扇形塊結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)開卷機(jī)上料后需要漲緊時，漲縮缸通過拉桿以及拉套帶動四根銅滑條向后運(yùn)動，扇形塊沿斜面上升，外徑擴(kuò)大，漲緊鋼卷內(nèi)壁，使鋼卷隨著卷筒一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)卷筒收縮時，漲縮缸通過拉桿以及拉套帶動四根銅滑條向前運(yùn)動，扇形塊沿斜面下降，外徑縮小，這就是開卷機(jī)的基本動作原理，通過銅滑條在漲縮過程中位置的變化來改變卷筒直徑的大小，從而達(dá)到上卷開卷的目的[1-2]。

2 開卷機(jī)銅滑條失效原因分析

追蹤熱鍍鋅機(jī)組開卷機(jī)所有的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)自該廠熱鍍鋅機(jī)組投產(chǎn)以來，開卷機(jī)就頻繁地發(fā)生故障，其中發(fā)生最多的問題就是銅滑條與拉套連接的端部鉤頭拉變形或斷裂，導(dǎo)致開卷機(jī)不能正常工作，機(jī)組被迫停機(jī)，嚴(yán)重影響了熱鍍鋅機(jī)組的正常生產(chǎn)。針對上述存在的問題，對銅滑條變形或斷裂問題進(jìn)行了全面分析，認(rèn)為銅滑條與拉套連接的端部鉤頭拉變形或斷裂主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)銅滑條的端部鉤頭截面存在應(yīng)力集中區(qū)，在銅滑條前后滑動運(yùn)行中，容易在鉤頭應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在斷裂風(fēng)險。鉤頭截面應(yīng)力集中區(qū)如圖2所示。

圖2 銅滑條鉤頭應(yīng)力集中

(2)銅滑條端部鉤頭截面在設(shè)計加工時設(shè)計過小，導(dǎo)致銅滑條端部鉤頭能夠承擔(dān)的拉力有限，在漲縮缸頻繁的動作過程中，由于不能夠抵抗?jié)q縮缸的拉力，從而發(fā)生銅滑條端部鉤頭斷裂失效的事故，示意圖如圖3所示。

圖3 銅滑條鉤頭結(jié)構(gòu)

(3)銅滑條材質(zhì)可能不符合設(shè)計要求，銅滑條使用的是國內(nèi)廠商生產(chǎn)加工的產(chǎn)品，分析認(rèn)為所用材料的材質(zhì)達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所要求的抗拉強(qiáng)度，漲縮缸的拉力超過了銅滑條端部鉤頭所能夠承受的拉力，示意圖如圖4所示。

圖4 銅滑條鉤頭受力

(4)在卷取機(jī)裝配過程中，銅滑條與空心軸、扇形塊裝配精度不夠，導(dǎo)致滑動阻力過大，示意圖如圖5所示。

圖5 銅滑條滑動阻力

3 開卷機(jī)卷筒銅滑條失效解決方案

3.1 對斷裂銅滑條材質(zhì)進(jìn)行檢測

按照SMS-D EMAG的設(shè)計，開卷機(jī)的銅滑條材質(zhì)應(yīng)為CuAl10Fe5Ni5，不能降低材料強(qiáng)度和隨意更換制造材料。對損壞的銅滑條取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，確定材料屬性，結(jié)果表明銅滑條制造廠所用材料材質(zhì)為CuAl10FeZn，材料的化學(xué)成分Fe元素含量遠(yuǎn)小于設(shè)計要求，Ni元素含量為零，實(shí)際抗拉強(qiáng)度最大僅為390MPa，跟SMS-D EMAG公司設(shè)計所要求的材質(zhì)的抗拉極限強(qiáng)度800MPa有很大的差距，因此要求銅滑條的制造廠對制造材料進(jìn)行更換，按照MS-D EMAG公司設(shè)計要求進(jìn)行選材。

3.2 對斷裂的銅滑條進(jìn)行修復(fù)處理

由于制作新銅滑條的周期較長，且制造成本很高，為了最大程度降低開卷機(jī)失效故障時間，不影響熱鍍鋅機(jī)組的正常生產(chǎn)，采取鑲嵌法修復(fù)拉斷的銅滑條，并要求修復(fù)廠家選用符合設(shè)計要求的材質(zhì)進(jìn)行修補(bǔ)，用螺栓進(jìn)行固定[3]。修復(fù)后，將銅滑條與扇形塊進(jìn)行重新研磨，使尺寸精度、表面精度符合設(shè)計要求，同時銅滑條與扇形塊裝配時，確保裝配精度和潤滑良好，從而降低銅滑條的滑動阻力。修復(fù)后安裝使用如圖6所示。

圖6 鑲嵌法修復(fù)

3.3 調(diào)節(jié)卷筒收縮位置并對液壓回路進(jìn)行修正

在檢查開卷機(jī)的卷筒時發(fā)現(xiàn)存在過度收縮現(xiàn)象，卷筒收縮后扇形塊之間完全沒有間隙，扇形塊相互咬死，此時由于液壓缸未完全收縮到位，其液壓系統(tǒng)壓力仍然作用于拉桿，并通過拉套作用于銅滑條上[4]。為避免卷筒過度收縮導(dǎo)致銅滑條長期承受負(fù)載，通過調(diào)整拉套定位螺帽位置，使液壓缸收縮到末端位置后，扇形塊之間仍然保留一定的間隙值。

在原設(shè)計液壓回路圖(見圖7)中，沒有減壓和過載保護(hù)，漲開壓力為系統(tǒng)壓力14MPa，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。為實(shí)現(xiàn)液壓工作壓力可調(diào)，在液壓系統(tǒng)回路上加裝了一組溢流閥(見圖8)，實(shí)現(xiàn)了工作壓力可以設(shè)定控制。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，將卷筒漲開工作壓力最大設(shè)定在10MPa就可以滿足正常開卷生產(chǎn)。

圖7 原設(shè)計液壓控制圖

圖8 改進(jìn)后液壓控制圖

3.4 應(yīng)力分析

針對上述情況，對銅滑條進(jìn)行應(yīng)力分析。假設(shè)在極端情況下，將鋼卷放在卷筒上收縮卷筒，卷筒扇形塊之間夾入碎鋼片，卷筒偏載，滑道卡阻時，按系統(tǒng)壓力14MPa來進(jìn)行計算，此時單根銅滑條承受了所有液壓缸壓力載荷P1計算如下：

(1)銅滑條危險截面積S計算：根據(jù)危險面積的等效計算，將圖3簡化成圖9，圖9剖視圖面積(圖中陰影面積)即為銅滑條危險截面積S。

圖9 圖3的簡化圖

(2)總載荷P0計算：總載荷P0等于系統(tǒng)總壓力14MPa乘以漲縮缸的內(nèi)徑面積0.038m2。

P0=14MPa×0.038m2=5.32×105N

(3)單個銅滑條材料的有效載荷P1：極端工況條件下等于系統(tǒng)總載荷P0除以單個銅滑條有效危險受力面積S。

=851.2MPa

851.2MPa>390MPa，由于液壓缸的拉伸力遠(yuǎn)超過了國內(nèi)制造廠所選材料所能承受的抗拉強(qiáng)度，此時銅滑條無法承受拉伸載荷，從而導(dǎo)致銅滑條斷裂。

因此，必須按照SMS-D EMAG公司設(shè)計要求進(jìn)行選材制造銅滑條，另外按照外方選用的材料最大能夠承受800MPa的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)工作壓力達(dá)到系統(tǒng)壓力時，851.2MPa>800MPa也超過材料所能承受的強(qiáng)度，銅滑條仍然有可能發(fā)生斷裂故障。為避免這種情況發(fā)生，進(jìn)一步對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將漲縮缸工作壓力最大設(shè)定在10MPa，此時單根銅滑條承受了所有液壓缸壓力載荷P2計算如下：

(4)總載荷P01計算：總載荷P01等于系統(tǒng)總壓力10MPa乘以漲縮缸的內(nèi)徑面積0.038m2。

P01=10MPa×0.038m2=3.8×105N

(5)單個銅滑條材料的有效載荷P2：極端工況條件下等于系統(tǒng)總載荷P01除以單個銅滑條有效危險受力面積S。

=608MPa

608MPa<800MPa，在改進(jìn)后的液壓控制系統(tǒng)下，按照MS-D EMAG公司設(shè)計的要求進(jìn)行選材制造銅滑條，開卷機(jī)不存在銅滑條斷裂故障風(fēng)險，滿足設(shè)備生產(chǎn)工藝技術(shù)要求。

4 改進(jìn)效果

該廠熱鍍鋅機(jī)組開卷機(jī)經(jīng)改進(jìn)后，開卷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期的效果，提高了熱鍍鋅機(jī)組設(shè)備完好率，為生產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。