王立新 胡志雄

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430083)

熱鍍鋅開卷機漲縮系統(tǒng)失效分析

王立新 胡志雄

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430083)

開卷機是連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上的重要設(shè)備之一，而開卷機的漲縮系統(tǒng)的正常運行是保證開卷機完成開卷送料工序的必要條件。根據(jù)連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)情況及設(shè)備運行狀態(tài)，針對開卷機在生產(chǎn)運行過程中頻繁發(fā)生漲縮缸杠頭斷裂，拉桿斷裂及銅滑條勾頭斷裂等導致開卷失效的問題，進行了探討與研究，并提出了解決問題的辦法及優(yōu)化方案。

開卷機；漲縮系統(tǒng)；斷裂；優(yōu)化

0 引言

在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上，開卷機是確保生產(chǎn)線連續(xù)正常運行的重要設(shè)備之一。在國內(nèi)某大型鋼廠的冷軋分廠，有三條連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線設(shè)備工藝先進，均由德國SMS-DEMAG公司引進技術(shù)總包，于2004年進行規(guī)劃設(shè)計，2006年開始生產(chǎn)運行，年產(chǎn)量120萬噸，可生產(chǎn)普通建材用板、高鋁板、輕工業(yè)用板、家電板和高級汽車板等等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。但是自機組投產(chǎn)運行以來，在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，開卷機頻繁發(fā)生漲縮缸杠頭斷裂，拉桿斷裂及銅滑條勾頭斷裂等導致開卷失效的故障問題，嚴重影響了連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)和運行，增加了機組非正常停機次數(shù)與停機時間，降低了生產(chǎn)效率且增加了設(shè)備維護管理成本。在這些故障頻發(fā)的階段，鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷問題大幅度增加，產(chǎn)品判廢率提高，直接導致產(chǎn)線經(jīng)濟效益下滑。

1 開卷機技術(shù)特點及動作分析

在熱鍍鋅連續(xù)生產(chǎn)線上，開卷機用于鋼卷開卷及支撐，并在鋼卷運行后提供張力，主要由傳動電機、減速箱、卷筒芯軸、對中裝置，漲縮液壓缸及接頭和卷筒外伸支撐等部件組成。其中卷筒的內(nèi)部構(gòu)造又由芯軸、液壓缸、拉桿、扇形塊、銅滑條，悶頭等組成，它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為懸臂式液壓漲縮型結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 開卷機漲縮系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造示意圖

如圖1所示，液壓漲縮缸通過HUB與拉桿連接，拉桿前端通過螺母連接使拉桿與悶頭配合，銅滑條前端勾頭處與悶頭凸臺面配合連接。當鋼卷小車運送鋼卷上卷開卷時，開卷機的卷筒是這樣運動的:漲縮缸先通過拉桿以及悶頭帶動四塊銅滑條向前運動，扇形塊與銅滑條配合面為楔形設(shè)計，因此扇型塊將沿著楔形斜面下降，開卷機卷筒外徑縮小，鋼卷小車將鋼卷送入卷筒。這時，漲縮缸通過拉桿及悶頭帶動銅滑條向后運動，導致扇形塊沿楔形斜面上升，卷筒外徑擴大，擠壓鋼卷內(nèi)徑，從而起到漲緊鋼卷內(nèi)壁，通過摩擦力的作用，保證鋼卷與開卷機卷筒在開卷的過程中是處于相對靜止的狀態(tài)，再經(jīng)過糾偏對中等程序，開卷機就完成了一次完整的上卷開卷動作。開卷機卷筒外徑的大小可以通過定位螺母(圖1中標示1)來調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)了在漲縮過程中卷筒與鋼卷之間的漲緊力，這是在開卷生產(chǎn)過程中必然用到的調(diào)節(jié)手段。

2 開卷機漲縮系統(tǒng)失效形式

開卷機的頻繁失效一直困擾著連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。從每次失效的形式觀察分析，主要是兩個方面的失效導致開卷機功能整體失效:第一種失效形式為開卷機的銅滑條勾頭斷裂失效，第二種失效形式為拉桿或漲縮缸杠桿斷裂失效。

2.1 銅滑條勾頭斷裂失效

在熱鍍鋅生產(chǎn)線開卷機運行現(xiàn)場，銅滑條勾頭斷裂失效圖如圖2所示，觀察發(fā)現(xiàn)斷裂處于沉頭螺栓孔與勾頭槽角部，如圖3銅滑條CAD示意圖所示，斷裂處剛好位于圖示應力集中點的位置，該處壁厚較薄，屬于易斷裂的部位。從圖3也可以看出銅滑條勾頭處與悶頭配合端面危險界面有效抗拉橫截面積小，在開卷機的運行中，由于銅滑條尺寸誤差導致銅滑條滑動阻力過大，漲縮缸的拉力超過了銅滑條端部鉤頭所能夠承受的拉力。另外沉頭孔設(shè)計形式是不合理的，降低了銅滑條的受力強度。銅滑條勾頭斷裂失效后，會影響到開卷機的上卷速度，當失效嚴重時會導致鋼卷上卷卡鋼以至于開卷機無法上卷，從而須單機開卷應付生產(chǎn)，或停機處理銅滑條勾頭斷裂失效問題，降低了生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益。

圖2 銅滑條勾頭斷裂實物圖

圖3 勾頭CAD示意圖

2.2 拉桿或漲縮缸杠桿斷裂失效

從熱鍍鋅連續(xù)生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場拍到的拉桿或漲縮缸杠桿斷裂失效圖如圖4所示。從圖4中可以看出斷裂屬于拉斷，承受了過大的拉力導致的失效問題，且斷裂的位置處于法蘭的根部。如圖5拉桿的CAD示意圖所示，斷裂的位置剛好處于圖示的應力集中點，從CAD示意圖可以看出該處設(shè)計的倒角過小，不能夠消除應力集中，在開卷機的連續(xù)運行中，此處產(chǎn)生了應力疲勞，達到一個設(shè)計所能夠承受疲勞極限值時，就產(chǎn)生了疲勞斷裂，以此也可以推斷出，拉桿及漲縮缸受力部位原設(shè)計尺寸過小，隨著開卷機的持續(xù)運行，此設(shè)計尺寸不適合當前的受力環(huán)境。拉桿或漲縮缸杠桿的斷裂失效，同樣會導致生產(chǎn)速度大大降低，尤其是在生產(chǎn)厚料時由于上鋼卷時間太短而無法單機開卷，從而直接會致使生產(chǎn)機組停機，造成大量的產(chǎn)品產(chǎn)生質(zhì)量缺陷而改判，直接降低了熱鍍鋅產(chǎn)線的產(chǎn)能，對生產(chǎn)影響巨大。

圖4 拉杠和漲縮缸失效部位實物圖

圖5 拉杠失效部位CAD示意圖

3 開卷機漲縮系統(tǒng)失效優(yōu)化

針對熱鍍鋅連續(xù)生產(chǎn)線開卷機頻繁失效的問題，經(jīng)過仔細的研究與分析，反復對比現(xiàn)場的失效零件，失效斷裂位置，斷口形貌，設(shè)計結(jié)構(gòu)特點，提出了整改與優(yōu)化設(shè)計方案，在優(yōu)化方案實行后，開卷機兩種典型的失效形式，得到了有效的解決與控制?，F(xiàn)階段，在該廠三條連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上，再也沒有出現(xiàn)過類似的開卷機失效形式。

3.1 銅滑條斷裂失效優(yōu)化

消除應力集中點，如圖6所示，應力集中點即勾頭處倒角原設(shè)計倒角為R1，現(xiàn)更改為R5，有效的減少了應力集中；增大銅滑條勾頭受力面的面積尺寸，將銅滑條勾頭處的厚度由原來設(shè)計的59mm增加到69mm，將原來不合理設(shè)計的沉頭孔改為通孔，有效的增大了銅滑條的強度與抗拉能力。

圖6 勾頭示意圖

調(diào)節(jié)卷筒收縮位置：在排查引起銅滑條斷裂失效的原因時，檢查卷筒時發(fā)現(xiàn)部分卷筒存在過度收縮現(xiàn)象，此時，收縮后卷筒扇形塊之間完全沒有間隙，扇形塊相互咬死，由于液壓缸沒有收縮到末端位置，其液壓系統(tǒng)壓力仍然作用于拉桿，并通過悶頭作用于銅滑條上，這也是造成銅滑條斷裂失效的另一個原因，這種不正常情況也是必須避免的。因此，為避免卷筒過度收縮，使銅滑條承受液壓缸拉力，對存在過度收縮的卷筒進行了調(diào)節(jié)，通過定位螺母對拉桿的位置進行了重新定位，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，同時將漲縮缸的漲縮壓力由原來的60bar調(diào)整到30bar，這樣就減少了對銅滑條的拉力，合理降低了漲縮缸對銅滑條的破壞。

3.2 拉桿及漲縮缸斷裂失效優(yōu)化

圖7 圓角過渡臺肩的圓桿的拉伸

(1)

(2)

在保證安裝尺寸精度符合工藝技術(shù)要求，空間布局合理的情況下，對拉桿的原始尺寸進行修改，并對臺肩圓角弧度進行優(yōu)化，優(yōu)化前D0=100、d0=70、r0=0.5，優(yōu)化后D1=110、d1=80、r1=5，優(yōu)化尺寸及結(jié)構(gòu)對比如圖8所示。

圖8 拉杠示意圖

同樣的前提條件下，對漲縮缸的原始尺寸進行修改，并對臺肩圓角弧度進行優(yōu)化，優(yōu)化前D0=100、d0=70、r0=1，優(yōu)化后D1=110、d0=80、r0=5，優(yōu)化尺寸及結(jié)構(gòu)對比如圖9所示。

圖9 漲縮缸示意圖

根據(jù)公式(1)與公式(2)，可以求出σmax，推出式(3)：

(3)

將改進前后數(shù)據(jù)代入公式可得：

通過計算數(shù)據(jù)，根據(jù)差值法可以查得ασ1≈2.05、ασ≈3.30。因此：

同理，算出漲縮缸改進后的最大應力σmax1與原始最大應力σmax0的比值：

通過計算數(shù)據(jù)，根據(jù)差值法可以查得ασ1≈2.05、ασ≈3.19。因此：

根據(jù)計算結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化的漲縮缸，同樣達到了消除應力集中的目的。

經(jīng)過這些尺寸與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，拉桿及漲縮缸斷裂失效的問題得到了有效的解決。同時從制作材料方面考慮，拉桿的原始制造材料為42CrMo4+QT，現(xiàn)改為42CrMn-A，增加了材料的延伸率及抗沖擊能力，以確保對拉桿及漲縮斷裂失效的優(yōu)化措施可靠有效。

4 結(jié)束語

開卷機是連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線重要的設(shè)備之一，開卷機的正常運行是確保熱鍍鋅生產(chǎn)線連續(xù)正常運行的必要條件，是生產(chǎn)效益的保證。開卷機的失效形式很多，本文分析了最主要的兩種失效形式為銅滑條的斷裂失效，拉桿及漲縮缸的斷裂失效，這兩種失效形式一旦發(fā)生，將對生產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響，嚴重影響了生產(chǎn)效益及產(chǎn)品質(zhì)量，給熱鍍鋅產(chǎn)線造成損失，且這兩種失效形式發(fā)生了，補救起來費時費力，因此，須加強防范。開卷機的兩種主要的失效形式的發(fā)生，主要是因為結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷所導致的。因此，在分析此類失效問題時，要從多方面考慮，零部件在運動過程中有沒有受力不均，應力集中的情況發(fā)生，制造這種零部件的材料的延伸率夠不夠，屈服強度是多少，抗沖擊能力是多少等等問題，都是排查此類失效缺陷的入手點，這樣就可以較快速的找出問題點所在，優(yōu)化設(shè)計。

[1] 李九嶺.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2] 黃宇，何立遠，王海峰.熱鍍鋅開卷機卷筒芯軸的快速修復[J].軋鋼，2009，(26):66-67.

[3] 徐灝.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 田士海，王麗佳，翟贊.開卷機芯軸速度故障分析[J].機床與液壓.2010，(38):109-110.

[5] 航空工業(yè)部科學技術(shù)委員會.應力集中系數(shù)手冊[M].高等教育出版社.

(責任編輯：李文英)

Failure Analysis of Hot-dip Galvanized Uncoiler Expanding System

WANG Lixin HU Zhixiong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Uncoiler is one of the most important devices of the continuous hot-dip galvanizing production line and the normal operation of the uncoiler expanding system is considered to be necessary condition to ensure the process of uncoiling feeding. In the paper, the study is carried out, based on actual production and equipment operating status of the continuous hot-dip galvanizing line, and expanding cylinder bar head fracture, rod breakage and copper slider hook head fracture, offering solutions to the problems and optimization program.

uncoiler; expanding system; fracture; optimization

2015-03-04

2015-03-20

王立新(1984～)，男，工程師.E-mail:285349939@qq.com

TH238

A

1671-3524(2015)02-0034-04