何奕平 王寧 李宏

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

關(guān)鍵字：熱軋；卷取機(jī)；助卷臂回轉(zhuǎn)軸；仿真

地下卷取機(jī)通常置于軋鋼生產(chǎn)線末端，其作用是將軋制成品的鋼材卷取成一定規(guī)格的鋼卷以便于后期側(cè)運輸、儲存以及銷售。卷取設(shè)備在線材和帶材生產(chǎn)線中有十分廣泛的應(yīng)用，卷取設(shè)備的好壞對軋制生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量有直接影響。近年來，由于熱帶鋼連軋的技術(shù)發(fā)展，使其產(chǎn)量、品種、規(guī)格不斷增加，軋制速度不斷提高，熱軋帶鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)正不斷向高強(qiáng)度寬厚規(guī)格方向發(fā)展。同時，熱軋高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)“以水代金”的長足發(fā)展，導(dǎo)致卷取帶鋼溫度越來越低。因此，熱連軋生產(chǎn)線地下卷取機(jī)必須滿足對高強(qiáng)度鋼寬厚規(guī)格低溫卷取的強(qiáng)烈需求，從而相應(yīng)地對卷取設(shè)備提出了更高要求[1-2]。本文結(jié)合某鋼廠熱軋帶鋼生產(chǎn)線助卷臂回轉(zhuǎn)軸斷裂問題，對其事故原因進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化策略。

1 地下卷取機(jī)助卷輥介紹

地下卷取機(jī)的主要執(zhí)行系統(tǒng)包括夾送輥、助卷輥、卷筒、外支撐等。目前在熱軋寬帶鋼生產(chǎn)線廣泛用的地下卷取機(jī)組為三助卷輥結(jié)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中助卷輥作為卷取機(jī)的核心組件之一，在鋼帶卷取過程中承受著巨大的沖擊和帶鋼的變形抗力，其工作的可靠性和穩(wěn)定性對于整個設(shè)備的運行至關(guān)重要。

圖1 三助卷輥助卷臂機(jī)構(gòu)簡圖Figure 1 Schematic diagram of wrapper arm with 3-wrapper rollers

No.1、2、3助卷臂裝配均由助卷臂、助卷輥裝配和助卷臂液壓缸組成，由助卷臂伺服液壓缸驅(qū)動各助卷臂繞固定回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)助卷輥與卷筒間的距離(輥縫)調(diào)節(jié)。各助卷臂伺服液壓缸的工作壓力和位置控制均由獨立的伺服閥控制，助卷臂伺服液壓缸配置位移傳感器，助卷臂伺服液壓缸的兩腔均配置壓力傳感器。

卷取機(jī)的No.1、2、3助卷臂主要分為兩種用途，通常第一種用途是用于彎曲熱態(tài)帶鋼頭部，采用伺服系統(tǒng)控制助卷輥作AJC踏步動作確保帶鋼頭部的3～5圈緊密纏繞在卷筒表面，順利實現(xiàn)卷筒建張后，No.1、2、3助卷臂就擺置打開狀態(tài)[3]；第二種用途是用于熱態(tài)高強(qiáng)帶鋼的輔助彎曲，補(bǔ)充卷筒張力的不足，通過No.1、2、3助卷臂持續(xù)壓靠在正在卷取的帶鋼表面，確保卷筒能卷緊整條帶鋼，所以在第二種用途的工作狀態(tài)下，No.1、2、3助卷臂的回轉(zhuǎn)軸所承受的載荷也最大[4]。本文也是針對這種工況的極限條件下對助卷臂的受力情況進(jìn)行分析討論。

2 問題分析

2.1 現(xiàn)場問題分析

圖2(a)為助卷臂回轉(zhuǎn)軸用戶現(xiàn)場斷裂失效的情況照片。進(jìn)一步查找缺陷，將與該回轉(zhuǎn)配合段的側(cè)臂加工至原配合孔直徑時，發(fā)現(xiàn)側(cè)臂有大量鑄造夾渣缺陷，見圖2 (b)。

(a)斷裂轉(zhuǎn)軸缺陷 (b)側(cè)臂配合孔鑄造缺陷

由此初步分析問題原因，傳統(tǒng)的助卷臂側(cè)臂采用鑄鋼鑄造，由于鑄造本身的制造工藝特性，鑄件鑄造過程中多存在夾渣和氣孔等鑄造缺陷，當(dāng)上述缺陷出現(xiàn)在主要承載荷區(qū)域時，例如缺陷處于側(cè)臂開孔與回轉(zhuǎn)軸熱裝配合的位置時，就往往造成側(cè)臂開孔對回轉(zhuǎn)軸的包裹不緊密或使用一段時間后逐漸出現(xiàn)間隙的情況，最終導(dǎo)致回轉(zhuǎn)軸因為往復(fù)擺動回轉(zhuǎn)和沖擊載荷在回轉(zhuǎn)軸臺階區(qū)域出現(xiàn)疲勞斷裂，造成斷軸失效情況。

2.2 理論推導(dǎo)分析

首先以3號助卷臂為例對卷取過程中助卷臂受力情況進(jìn)行分析。圖3中圓形線框圈中的部位為助卷臂回轉(zhuǎn)軸現(xiàn)場發(fā)生斷裂的地方，是本次研究的主要受力點。

圖3 3號助卷臂Figure 3 No.3 wrapper arm

為了研究助卷臂回轉(zhuǎn)軸受力最大的情況，所以設(shè)定助卷臂工況為液壓缸完全出力壓緊帶鋼進(jìn)行卷取。

圖4為3號助卷臂在帶鋼卷取過程中的受力簡化圖。其中Fz為液壓缸對助卷臂的作用力，F(xiàn)f為助卷臂轉(zhuǎn)軸處受到的支座反力，F(xiàn)y為帶鋼對助卷臂的反作用力，F(xiàn)g為助卷臂和助卷輥的重力。

圖4 3號助卷臂受力簡圖Figure 4 Force diagram of No.3 wrapper arm

設(shè)Fz與水平方向的夾角為驅(qū)動力水平角α，F(xiàn)y與水平方向的夾角為壓緊力水平角β。Ff與水平方向的夾角為支反力水平角γ。由材料力學(xué)可知，假設(shè)助卷臂為一個有質(zhì)量的剛體，重心位置已知，在某個輥縫大小的時刻，助卷臂保持相對靜止，剛體處于受力平衡狀態(tài)。對助卷臂轉(zhuǎn)軸處求力矩方程得

FzLz+FyLy+FgLg=0

(1)

式中，Lz、Ly、Lg分別為三個作用點對轉(zhuǎn)軸處的力臂?？梢灾苯訌脑O(shè)備圖中測量得到。因為要分析計算助卷臂轉(zhuǎn)軸處的極限工況，所以假設(shè)Fz為一定值，即液壓缸最大推力[5]。

Fz=PS

(2)

式中，S為液壓缸無桿腔面積，P為系統(tǒng)最大工作壓力。

液壓缸技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 助卷臂液壓缸參數(shù)表Table 1 Parameters of hydraulic cylinder of wrapper arm

重力用Fg表示，可以直接測算得到。由此通過式(1)就可以求出各助卷臂在輥縫大小變化時受到的壓緊反作用力Fy。1號和3號助卷臂采用相同的方法依次進(jìn)行計算，最終得到1、2、3號臂壓緊力反作用力匯總并繪制數(shù)據(jù)對比圖，如圖5所示[6-7]。

圖5 助卷臂受鋼卷反作用力FyFigure 5 Wrapper arm suffering reactive force Fy from coil

在求得帶鋼對助卷臂的反作用力Fy的情況下，對助卷臂整體在水平和垂直方向分別建立力平衡方程式：

(3)

聯(lián)合式(2)就可以求出助卷臂轉(zhuǎn)軸處受到的支座反力Ff。1號和2號助卷臂同樣依據(jù)上文所述相同方法進(jìn)行計算分別求出其助卷臂轉(zhuǎn)軸所受的支反力，如圖6所示。

圖6 1、2和3號助卷臂轉(zhuǎn)軸支反力FfFigure 6 Support reaction Ff on the rotating shaft of No.1,2 and 3 wrapper arms

在實際工況下，雖然助卷臂擺動角度小于180°，但由于其在卷取帶鋼過程中頻繁的擺動，回轉(zhuǎn)軸不僅受到支反力帶來的拉伸和剪切載荷，還要受到擺動過程中的摩擦扭矩帶來的截面切應(yīng)力。因為轉(zhuǎn)軸與軸承配合部分為銅和鋼的組合，查詢摩擦系數(shù)得有潤滑時為0.03，無潤滑時為0.19。

根據(jù)查詢到的摩擦系數(shù)以及前面求出的支座反力，可以計算出轉(zhuǎn)軸在兩種工況下的有潤滑摩擦力f和無潤滑摩擦力f′。

再將計算出的摩擦力帶入下式

τmax=Rf/Wt

(4)

就可以求出助卷臂回轉(zhuǎn)軸截面最大切應(yīng)力，其中Wt=πD3/16為抗扭截面系數(shù)，R為回轉(zhuǎn)半徑[8]。

圖7為1～3號助卷臂只考慮摩擦扭矩情況下回轉(zhuǎn)軸截面所受到的最大切應(yīng)力。由圖7可知，良好的潤滑可以大幅度降低轉(zhuǎn)軸截面處受到摩擦力矩帶來的切應(yīng)力。但是摩擦扭矩帶來的切應(yīng)力在數(shù)值上面明顯小于支反力帶來的切應(yīng)力，所以將其認(rèn)定為影響助卷輥軸承壽命的次要因素。

(a)1號助卷臂轉(zhuǎn)軸 (b)2號助卷臂轉(zhuǎn)軸(c)3號助卷臂轉(zhuǎn)軸

3 仿真分析

由于助卷臂為左右對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化仿真計算強(qiáng)度，建立如圖8所示簡化模型，由上節(jié)計算可知，助卷臂轉(zhuǎn)軸所受到的支座反力Ff已知，建立三維模型只考慮其一半結(jié)構(gòu)并施加Ff/2的載荷和助卷臂轉(zhuǎn)軸摩擦力f/2，在轉(zhuǎn)軸處模擬其插入助卷輥軸承座的狀態(tài)施加鉸鏈約束，進(jìn)行數(shù)值仿真[9-10]。

如圖8所示，仿真結(jié)果顯示在助卷臂轉(zhuǎn)軸與軸承座配合的軸端為應(yīng)力最大區(qū)域，等效應(yīng)力為1號助卷臂195 MPa，2號助卷臂133 MPa，3號助卷臂233 MPa。

圖8 仿真分析Figure 8 Simulation analysis

4 優(yōu)化策略

由上節(jié)的計算和分析可知，在助卷臂轉(zhuǎn)軸與軸承座配合的軸端存在較大的應(yīng)力，為了提高助卷臂整體強(qiáng)度，特制定了如下優(yōu)化方案：

(1)由第2.1條現(xiàn)場失效設(shè)備缺陷檢查可知，當(dāng)夾渣和氣孔等缺陷出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸危險區(qū)域時，很容易導(dǎo)致即使在設(shè)備理論設(shè)計承受范圍內(nèi)的工況下依然出現(xiàn)設(shè)備失效的情況。針對側(cè)臂采用鑄造工藝生產(chǎn)可能會帶來的零件性能隱患，考慮改進(jìn)生產(chǎn)工藝，從源頭上消除因為生產(chǎn)中的不可抗力導(dǎo)致的后期問題。所以將助卷臂整體重新設(shè)計，取消了兩個鑄件的側(cè)臂，包括側(cè)臂的助卷臂均采用性能更加穩(wěn)定、焊接性優(yōu)異的低合金高強(qiáng)鋼材質(zhì)熱軋鋼板焊接完成，其中主受力鋼板均經(jīng)過正火處理和無損檢測。此外，對仿真結(jié)果得到的助卷臂應(yīng)力集中部位提出更高的焊縫無損檢測要求和增強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計，降低由于生產(chǎn)不穩(wěn)定因素對產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響。

(2)在熱軋板帶生產(chǎn)線正常工作時，每次卷取熱軋帶鋼，助卷臂都要繞軸承座做往復(fù)擺動，在高頻次的軋制節(jié)奏下，助卷臂回轉(zhuǎn)軸會受到交變載荷，這就對回轉(zhuǎn)軸本身材料的屈服強(qiáng)度提出了要求，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸采用Q345B(ReL≥275 MPa)，綜合考慮助卷臂生產(chǎn)中的各項工藝參數(shù)，本次優(yōu)化將其材料提升為42CrMo(ReL≥500 MPa)，材料性能提升81%。有效地降低了材料發(fā)生疲勞斷裂的可能，提高了設(shè)備整體運行穩(wěn)定性，也延長了設(shè)備后期維修保養(yǎng)的周期。

(3)由數(shù)值模擬分析可知，回轉(zhuǎn)軸危險截面出現(xiàn)在軸承座內(nèi)孔與助卷臂箱體之間的截面處，現(xiàn)場斷裂也發(fā)生在此處，在綜合考慮卷取機(jī)各項參數(shù)和功能之后，采取將回轉(zhuǎn)軸該段直徑由180 mm適當(dāng)增大的方式，進(jìn)而使截面面積提高1432 mm2，有效地降低了支座反力在危險截面處的最大切應(yīng)力。

在經(jīng)過前3項模型優(yōu)化之后再次對助卷臂回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行簡化模型仿真，分析其平均應(yīng)力的大小。1號臂降低為179 MPa，2號臂降低為122 MPa，3號臂降低為190 MPa。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后等效應(yīng)力對比如圖9所示。1、2、3號臂的等效應(yīng)力分別降低8%、9%、22%，優(yōu)化策略顯著降低了助卷臂回轉(zhuǎn)軸危險區(qū)域斷裂風(fēng)險。

圖9 優(yōu)化前后等效應(yīng)力對比Figure 9 Comparison between equivalent stresses before and after optimization

(4)結(jié)合上文中關(guān)于摩擦扭矩的計算可以得出結(jié)論，良好的潤滑能夠很大程度上降低因為摩擦力矩而帶來的附加切應(yīng)力，從而有效保護(hù)助卷臂回轉(zhuǎn)軸長期高頻次的運行。而且充分的潤滑還能保護(hù)回轉(zhuǎn)軸降低磨損，提高設(shè)備使用壽命。所以，針對此項的優(yōu)化策略是設(shè)計合理的潤滑油槽和遮擋水及排水的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提供充足穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)，維持合適的潤滑溫度和清潔度，保證回轉(zhuǎn)軸的良好潤滑，從而降低摩擦力帶來的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。

5 結(jié)束語

通過對某熱軋廠助卷臂回轉(zhuǎn)軸發(fā)生斷裂故障進(jìn)行分析，對現(xiàn)場失效設(shè)備進(jìn)行缺陷分析，綜合運用理論計算，數(shù)值模擬等方法對轉(zhuǎn)軸在不同工況下受力進(jìn)行校核考證。進(jìn)一步利用分析結(jié)果對助卷臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料性能、制造工藝方式、各環(huán)節(jié)質(zhì)量檢查要求、現(xiàn)場使用維護(hù)等方面制定了一系列優(yōu)化策略。同時，還基于優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入理論計算的結(jié)果分別建立三維模型進(jìn)行數(shù)值仿真的對比驗證，仿真結(jié)果也證明了優(yōu)化策略的有效性，提升了熱軋板帶強(qiáng)力卷取機(jī)的整體性能，為穩(wěn)定高效卷取更高強(qiáng)度、更寬規(guī)格鋼材提供了強(qiáng)有力的支撐。