劉建生

（天津天鐵冶金集團公司熱軋板有限公司，河北056404）

0 前言

天津天鐵冶金集團公司熱軋板有限公司1750熱軋生產線卷取機組布置在精軋機后，用途是把成型的鋼帶彎曲，卷成鋼卷。卷取機的設備狀態(tài)直接影響熱軋的生產節(jié)奏和帶鋼表面質量。卷筒是卷取機的關鍵設備，成本大約在200萬左右，出現(xiàn)問題下線修復周期長達半年。該卷取機卷筒是由國內某機械設備公司制造，采用柱塞——連桿式的結構形式。卷筒結構復雜，控制精度高。在高溫下高速卷取帶鋼過程中，極易發(fā)生卷筒脹縮失效故障，高溫鋼卷無法卸卷，加速了卷筒設備劣化，也會發(fā)生扇形板及其連接設備損壞而影響生產的事故。作者對此進行了分析，通過采取有效的改進措施，保證了設備的穩(wěn)定運行。

1 卷筒的機械結構

卷筒主要由卷筒本體、脹縮液壓缸、旋轉接頭、位移傳感器、傳動裝置、干油潤滑系統(tǒng)、稀油潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。卷筒設備簡圖如圖1所示。卷筒本體是卷筒設備的關鍵，主要由四片扇形板、一個芯軸、一個空心軸、多個連桿、柱塞及彈簧組組成。扇形板直接接觸帶鋼，采用耐熱耐磨不銹鍛鋼芯軸采用三斜鍥式，安裝在空心軸內部，通過哈夫接手與脹縮液壓缸相連，實現(xiàn)卷筒芯軸的徑向運動。同時芯軸上的柱塞式斜楔頂著扇形板，扇形板通過連桿與芯軸連接，通過芯軸的徑向運動，實現(xiàn)卷筒的軸向脹縮。柱塞式斜楔是卷筒的主要受力構件。柱塞式安裝彈簧，消除卷筒的軸向間隙，保證卷筒脹縮的精確性。卷筒通過減速機與傳動結構相連，實現(xiàn)卷筒的旋轉。卷筒的內部潤滑和液壓油路通過旋轉接頭與設備相連。為了卷筒高速轉動時受力均勻和與助卷輥輥子的平行度，在卷筒的頭部采用外支撐抱緊裝置，如圖1所示。

2 卷筒的工藝過程

卷筒的控制包括脹縮控制、轉動控制。卷筒脹縮控制包括卷筒外徑的預設定、卷筒的第2次擴張以及卷筒的收縮。卷筒直徑的理論脹縮范圍722～770 mm，其中工作直徑為726～770 mm；722 mm為事故縮徑，需手動調整脹縮油缸機械止擋。芯軸脹縮控制為位置和壓力雙閉環(huán)控制，位置和壓力檢測數(shù)據(jù)分別來線性位移傳感器和壓力傳感器。

圖1 卷筒及傳動簡圖

卷取機在待卷狀態(tài)下，卷筒外徑擴張到預設定值752 mm。待帶鋼進入卷取機，在助卷輥的協(xié)助下，開始卷取。當帶鋼纏繞在卷筒2圈時，卷筒開始第2次擴張，其目標值為最大卷徑770 mm。在穩(wěn)定卷取過程中，通過對卷筒轉矩和速度的控制，實現(xiàn)卷取帶鋼的張力控制。帶鋼卷取結束，當卸卷小車托住鋼卷、帶尾定位完畢、機械抱閘關閉、助卷輥打開后，卷筒收縮至730 mm，外支撐打開，卸卷小車將鋼卷移出，并送至打捆站鞍座。冷卻水打開，外支撐關閉，對卷筒進行冷卻。完成一次卷取后，卷筒擴張到待卷直徑752 mm，進入下一卷取周期。

3 卷筒設備故障及原因分析

天鐵熱軋1 750 mm生產線自2007年全線投產后，因設備調試及生產經(jīng)驗不足，沒有滿負荷生產，卷取機設備故障率較低。但是隨著生產線產能的提高，卷取機的卷筒出現(xiàn)的故障也明顯增加。2010年9月1#卷筒出現(xiàn)多次脹縮失效，長時間無法卸卷，導致扇形板龜裂紋變多。2010年11月，在生產過程中，1#卷筒扇形板連桿螺栓斷裂，銷軸竄出，致使扇形板一側下垂，無法滿足生產的事故。

通過觀察最近幾次卷筒的事故現(xiàn)場及查看iba電氣監(jiān)控曲線，可以分析出扇形板連桿銷軸斷裂的影響因素主要有3個：卷筒脹縮失效，高溫及水加速卷筒設備劣化；卷筒跳動值大，中心線偏移；助卷輥對卷筒扇形板沖擊力強。綜上，對以上問題進行研究，分析各自原因。

3.1 影響卷筒脹縮失效的因素

3.1.1 卷筒失脹原因

有以下幾方面：

（1）伺服液壓系統(tǒng)中，伺服閥精度高，流量大，與卷筒脹縮的動作要求不匹配，閥芯長期處于小流量，高壓差狀態(tài)下運動，閥芯磨損嚴重，故障率高。

（2）旋轉接頭的設計缺陷和制造質量差，內部液壓管路泄壓口與干油管路及冷卻水管路相通，導致干油和冷卻水進入液壓回油管路中，液壓油受到污染，導致液壓閥卡阻，卷筒失脹。同時旋轉接頭的液壓泄壓口壓力高，導致卷筒伺服閥泄油口背壓高，伺服閥的閥芯不能保持在設定位置，使伺服閥誤動作，導致卷筒失脹。

（3）在卷筒脹縮時，脹縮油缸沖擊振動大，內置磁環(huán)易松動，不能保證內置式位移傳感器與磁環(huán)同心。在脹縮油缸進行卷筒脹縮過程中，位移傳感器單側摩擦磁環(huán)，磨損嚴重，使測得位移傳感器的數(shù)據(jù)信號有誤，引起卷筒失脹。

（4）卷筒本身問題，如柱塞式斜楔磨損及彈簧失效，內部拉桿銷軸斷裂及銷孔因磨損嚴重，產生的間隙過大等，使卷筒漲徑不夠。

3.1.2 卷筒不能收縮的原因

有以下幾方面：

（1）液壓方面，主要原因是液壓油清潔度不夠閥芯卡阻，使卷筒不能回縮。

（2）脹縮油缸機械限位失靈，導致脹縮油缸行程變短，卷筒無法收縮，導致不能正常卸卷。

3.2 卷筒扇形板沖擊力大的原因

對卷筒扇形板沖擊力大主要是助卷輥壓力波動大，撞擊卷筒造成的。為了減小帶鋼頭部壓痕，助卷輥在卷取的第2-5圈，采取“AJC”踏步控制方式即當帶鋼頭部到達助卷輥時，助卷輥抬起一定高度，帶鋼頭部通過后，助卷輥再次靠近卷筒。這種控制方式，助卷輥控制精度要求高。當助卷輥壓力或位置控制精度超差時，助卷輥就會撞擊帶鋼傷及卷筒，使扇形板及內部受力構件，加快連桿、銷軸、銷孔的磨損以及連接螺栓受損。

4.3 卷筒頭部跳動值超標原因

卷筒頭部跳動值超標，導致與助卷輥輥面平行度超差。依據(jù)卷筒頭部支撐軸承型號，查出其軸承間隙為3 mm。在正常情況下，卷筒頭部在外支撐的作用下，卷筒高速旋轉過程中，卷筒頭部的跳動值在3 mm以內是允許的，否則會導致卷筒頭部軸承破裂。但是當外支撐抱緊裝置不能很好的固定卷筒頭部時，卷筒在鋼卷、卷筒重力和帶鋼張力的作用下，卷筒會明顯向左側外支撐抱緊裝置側跳動，卷筒頭部更加明顯，導致卷筒頭部中心線偏移量超過3 mm。如圖2所示。由于卷筒跳動大，扇形板與助卷輥棍面平行度超差，助卷輥在踏步控制時，瞬時壓力大，扇形板及內部受力構件受力不均，特別是對靠近卷筒頭部側連桿及銷軸、銷孔的沖擊劇烈，加速其磨損，導致扇形板靠近卷筒頭部一側螺栓損壞、銷軸竄出，扇形板一側下垂，無法滿足生產要求。

圖2 卷筒頭部跳動示意圖

通過對以上問題進行分析，查出扇形板一側下垂的主要原因為：卷筒脹縮失效；卷筒的中心線偏移超差；卷筒助卷輥壓力大。綜上所述，通過對以上問題進行的分析，我們進行了有針對性的改進。

4 故障處理及技術改進

4.1 卷筒脹縮故障處理及改進

4.1.1 在滿足工藝設備精度的情況下，優(yōu)化伺服閥的控制方式以及脹縮的控制方式，減小伺服閥油口壓差，提高伺服閥的使用壽命。更換伺服系統(tǒng)濾芯，提高液壓油清潔度；

4.1.2 結合我廠卷筒結構特點，與設計和供貨單位一起分析測量，配套改造干、油、水分離接觸密封式旋轉接頭，使干油、液壓油、冷卻水各自獨立密封，有效地解決了旋轉接頭內部油水互串問題，避免了伺服系統(tǒng)液壓油受到污染。同時針對旋轉接頭液壓泄油口，泄漏量大，背壓高的情況，采用一個中繼油箱，把泄油口液壓油通過專用液壓管路流回油箱，避免對伺服系統(tǒng)的干擾。

4.1.3 為防止脹縮油缸內置磁環(huán)松動，采用螺栓+彈簧墊的緊固形式固定。

4.1.4 針對卷筒使用特點，采取相應措施：

（1）扇形板長期與高溫帶鋼直接接觸，溫度高達650°。在卷取完成運走鋼卷后，又受冷卻水冷卻，扇形板容易產生內部熱應力，形成龜裂和變形。為延長扇形板壽命和減小變形，調整冷卻噴嘴數(shù)量及角度，優(yōu)化噴水冷卻時間，做到精準，均勻，足量的冷卻噴水；同時對卷筒內部連桿及銷軸起到很好的降溫保護作用，此外，防止干油高溫變質，堵死管路或分配器，避免造成更大的故障。

（2）扇形板和芯軸通過連桿連接，其中連桿與扇形板通過銷軸和螺栓連接在一起，連桿、芯軸銷孔、銷軸是卷筒最易磨損及易損壞的部位。其中這條螺栓的螺母通常擰緊后焊死，如果斷裂或螺母開焊松動，造成銷軸竄動，嚴重時造成扇形板脫落。這次扇形板一側下垂事故的直接原因是螺母松動，銷軸竄出，扇形板失去約束。對此，定期檢查螺母焊口。同時卷筒修復驗收時，檢查銷軸和連桿銷軸的配合間隙、芯軸銷孔補焊材質是否符合設計要求此外確保卷筒脹縮直徑的準確性，以及加強對助卷輥壓力的控制，減小助卷輥對扇形板及連接構件的沖擊震動而導致的磨損和損傷。

（3）柱塞下表面與芯軸斜楔之間采用干油潤滑。選用耐高溫，不易乳化及潤滑好的磺酸鈣基脂柱塞內彈簧，用來補償扇形板和芯軸的間隙，一般補償量為4 mm。彈簧承受力大，易損壞，現(xiàn)場無法更換，需選用進口。當柱塞磨損到一定程度彈簧補償不足時，那么卷筒卷鋼時對扇形板連桿及銷軸螺栓等部位沖擊變大，會加速銷孔磨損及其他部位損壞。

4.1.5 在正常情況下，脹縮油缸機械限位螺母由兩個內六角螺栓固定，使卷筒的工作脹徑從726開始。但在旋轉過程中，機械限位螺母可能會出現(xiàn)松動向前移動，導致油缸行程變短，卷筒不能回縮到位，無法卸卷。所以日常檢修中，要定期緊固螺栓防止限位螺母松動。

4.2 助卷輥對卷筒扇形板沖擊力強的改進

改進措施是提高助卷輥的踏步精度和降低壓力控制。助卷輥踏步控制采用壓力和位置的雙閉環(huán)控制。將助卷輥進入踏步控制壓力環(huán)和位置環(huán)的時間控制在允許的范圍內；定期檢測現(xiàn)場壓力傳感器和位移傳感器的精度，保證檢測數(shù)據(jù)準確；查看伺服閥iba電氣曲線，將響應速度低的伺服閥進行更換，保證伺服閥的控制精度；適當降低壓力控制值此外，為要定期檢查助卷輥的平行度和其他相應機械連接部位的間隙，及時發(fā)現(xiàn)，及時處理。防止助卷輥的壓力波動，造成對卷筒的額外壓力沖擊。通過以上處理，把助卷輥的壓力波動和位置偏差控制在允許范圍內，減小了助卷輥的壓力沖擊。

4.3 卷筒頭部跳動值超標的處理措施

在檢修中，檢查外支撐的各個銷軸，軸套磨損量，間隙量超差的及時更換，并做好各個干油潤滑點的工作。其次對外支撐抱緊裝置進行更換及卷筒頭部支撐補焊打磨，使外支撐抱緊裝置與卷筒同心度偏差在3 mm以內，以保證卷筒扇形板和助卷輥輥面平行，扇形板受力均勻，降低連桿、銷軸、銷孔、螺栓的沖擊損傷。

5 結束語

通過優(yōu)化卷筒冷卻及伺服系統(tǒng)控制，消除外支撐抱緊裝置間隙，調整扇形板和助卷輥的平行度定期檢查銷軸螺栓，保證卷筒修復質量等措施，解決了卷筒扇形板銷軸竄出、扇形板下垂的問題，達到了卷筒使用壽命80萬噸的要求。

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