張俊峰

(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900 )

0 前言

寶鋼股份某熱拉伸平整機組(FCL機組)于2018年9月底熱負荷試車成功進入試生產(chǎn)階段，工藝技術(shù)由寶鋼自主集成。出口段雙卷取，設置有1#2#卷取機，其中旋轉(zhuǎn)油缸成套供貨商為奧地利某公司，機組試生產(chǎn)3個月后，生產(chǎn)方提出質(zhì)量異議，2#卷取機旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿頭部斷裂，斷口特征為受到大應力作用的一次性脆性斷裂，現(xiàn)場立即由設備方成立問題應急處理小組，通過對硅鋼一期至三期類似機組進行橫向比對，同樣位置的旋轉(zhuǎn)油缸，另外三條機組使用過程中未遇到類似問題，通過對國內(nèi)同行某鋼廠FCL機組使用跟蹤情況也未發(fā)現(xiàn)類似問題。

1 機組生產(chǎn)能力及故障

原料為環(huán)形爐退火料(厚度0.15～0.30 mm，寬度900～1270 mm)，成品取向硅鋼NSGO(厚度0.15～0.30 mm，寬度900～1270 mm)，最大抗拉強度450 N/mm2，機組主要工藝包括清洗、烘干、切邊、酸洗、涂層和退火、激光刻痕等，設計年產(chǎn)能力10萬噸。2#卷取機旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿頭部斷裂如圖1所示，斷口宏觀檢查：兩個配對斷口呈現(xiàn)杯錐狀，斷口表面較為粗糙，斷口上存在裂紋快速擴展的撕裂棱，斷口表面一圈存在較多微小的從表面向內(nèi)擴展的裂紋擴展臺階，但是未見明顯的裂紋擴展區(qū)域，90%的斷口為瞬斷區(qū)，斷口宏觀檢查如圖2所示。同時對1#卷取機旋轉(zhuǎn)油缸相同部位進行檢查，表面著色探傷有裂紋。

圖1 卷取機活塞桿頭部斷裂

圖2 斷口宏觀檢查

2 卷取機旋轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)及工作原理

卷取機旋轉(zhuǎn)油缸的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，旋轉(zhuǎn)油缸主要用于卷取機芯軸的漲縮從而達到穿帶和卸卷的目標，主要由伸縮油缸、旋轉(zhuǎn)給油器、磁尺編碼器以及配套的液壓軟管等組成。工作原理：助卷模式下，由程序設定磁尺編碼器行程，當卷取機扇型板真圓狀態(tài)下(Ф468 mm)，橡膠套筒外徑達到Ф508 mm，皮帶助卷器處于投入狀態(tài)，此時可以進行穿帶。卸卷模式下，旋轉(zhuǎn)油缸無桿腔進油，芯軸收縮到最小值(Ф428 mm)，相應的橡膠套筒外徑縮小至Ф468 mm，可以完成手動或者自動模式下的卸卷。由助卷模式及卸卷模式來看，助卷模式直到機組建張運行時，旋轉(zhuǎn)油缸有桿腔始終處于給油狀態(tài)，活塞桿頭部始終受拉應力，一旦達到或者超過材質(zhì)的抗拉強度，就有斷裂的可能。卸卷模式下，旋轉(zhuǎn)油缸無桿腔處于給油狀態(tài)，活塞桿頭部受壓應力，此時斷裂的可能性極小。

圖3 卷取機旋轉(zhuǎn)油缸的基本結(jié)構(gòu)

3 卷取機旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿斷裂原因分析

圖4為斷裂的活塞桿(此活塞桿為旋轉(zhuǎn)油缸與芯軸拉桿結(jié)合部位)原設計結(jié)構(gòu)示意圖，外形尺寸規(guī)格如圖，材質(zhì)為C45E，執(zhí)行標準EN10083-1，原材料相當于國內(nèi)的45#鋼正火處理。斷口宏觀形貌圖如圖5所示，兩個配對斷口呈現(xiàn)杯錐狀，斷口表面較粗糙，斷口上存在裂紋快速擴散的撕裂棱，斷口表面一圈存在較多微小的從表面向內(nèi)擴展的裂紋擴展臺階，但是未見明顯的裂紋擴展區(qū)域，90%的斷口為瞬斷區(qū)，斷口特征為受到大應力作用的一次性脆性斷裂。

圖4 斷裂的活塞桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 斷裂件宏觀形貌圖

3.1 金屬材料理化分析

由于懷疑活塞桿材料不能達到設計要求，所以及時將斷裂的活塞桿送到具有國家級檢測資質(zhì)的專業(yè)檢測機構(gòu)進行了理化檢測，檢測報告結(jié)論如下：

(1)硬度測試。斷口處從表面到芯部硬度值無明顯差異，硬度值范圍在147～157 HBW；

(2)力學性能。斷口下取樣的沖擊試驗常溫沖擊功在3.9～4.3 J，該材料的沖擊韌性較差；屈服強度σp≤235 MPa，極限抗拉強度σm≤526 MPa，低于設計標準值；

(3)金相檢測。材料中存在較多的非金屬氧化、硫化等非金屬夾雜物，如圖6所示，斷口處與機體組織相同，組織為：粗片狀珠光體+大塊狀鐵素體，局部鐵素體呈現(xiàn)網(wǎng)狀、針狀分布，如圖7所示，組織具有鑄態(tài)特征，未經(jīng)調(diào)質(zhì)等熱處理；

圖6 復合夾雜物形貌100×

圖7 斷口處金相組織形貌200×

3.2 小組技術(shù)討論

故障處理小組通過頭腦風暴，列出了一系列可能造成活塞桿斷裂的有關(guān)因素，驗證過程如下：

(1)活塞桿安裝與芯軸拉桿同心度超差，(模擬圖如圖8所示，造成活塞桿法蘭處在芯軸膨脹時受力不均，正反作用力下產(chǎn)生疲勞斷裂。現(xiàn)場驗證：通過對連接罩打百分表，測試跳動在設計范圍之內(nèi)，此原因排除；

圖8 活塞桿與芯軸拉桿同心度超差模擬圖

(2)芯軸膨脹壓力過大，超過了設計理論值14 MPa，造成芯軸膨脹時候活塞桿過載。現(xiàn)場驗證，出口液壓系統(tǒng)自帶壓力變送和安全卸荷功能，系統(tǒng)壓力從來沒有高于設計壓力14 MPa，此原因排除；

(3)活塞桿自身的材質(zhì)沖擊功和抗拉強度達不到設計值，而設計值又不能滿足現(xiàn)場使用工況，造成了疲勞斷裂。理論驗證，經(jīng)兩次有限元分析，一次是按照設計標準條件下，對活塞桿施加14 MPa液壓力，一次是按照理化檢測實際值條件下，對活塞桿施加14 MPa液壓力，兩次得到的活塞桿端部的薄弱點的安全系數(shù)分別是0.30和0.26。顯然這會給使用帶來巨大的安全隱患。

3.3 有限元應力分析

(1)活塞桿采用45#鋼，正火處理。使用AUTODESK有限元分析軟件，采用如表1的參數(shù)進行靜態(tài)應力分析，得到設計值狀態(tài)下的安全系數(shù)，顯示活塞桿端部倒角處的安全系數(shù)值為0.30，圖9所示為設計值狀態(tài)下有限元分析。

表1 活塞桿設計理論參數(shù)

圖9 設計值狀態(tài)下有限元分析

(2)使用AUTODESK有限元分析軟件，采用如表2的參數(shù)進行靜態(tài)應力分析，得到理化檢測實際值狀態(tài)下的安全系數(shù)，顯示活塞桿端部倒角處的安全系數(shù)值為0.26,如圖10所示理化檢測值狀態(tài)下有限元分析。

表2 活塞桿理化檢測實際參數(shù)

圖10 理化檢測值狀態(tài)下有限元分析

3.4 旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿斷裂原因

旋轉(zhuǎn)油缸廠家在旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿設計和材料選型中產(chǎn)生了兩處失誤。

(1)活塞桿與芯軸拉桿結(jié)合處倒角容易造成應力集中，從多次的有限元分析中可以明顯看到，此處的安全系數(shù)往往最低；

(2)材質(zhì)選型時采用C45E+H+N正火的棒材(棒材直徑Ф310 mm)，二次加工后活塞桿最小處加工到直徑Ф80 mm，按照國內(nèi)生產(chǎn)工藝，此時應該對粗加工后的棒材做調(diào)質(zhì)等熱處理，但是廠家未做相應的熱處理(始終未能夠提供正式的熱處理報告)，且廠家提供的原材料棒材材質(zhì)報告值明顯與現(xiàn)場實物金屬理化檢測值存在差距，如表3所示。

表3 各項參數(shù)報告值

旋轉(zhuǎn)油缸在使用過程中，不可避免的發(fā)生了活塞桿斷裂事故，此旋轉(zhuǎn)油缸供貨商應當負有主要責任。

4 旋轉(zhuǎn)油缸后續(xù)改進措施

結(jié)合現(xiàn)場使用工況，采取改進措施：

(1)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿進行改進，采用材質(zhì)42CrMo4+QT，原先芯軸膨脹時的應力集中點倒角由R1修改為R8,與之配套的聯(lián)軸器倒角做相應的調(diào)整，要求具體參數(shù)如圖11所示；

(2)優(yōu)化卷取機芯軸膨脹時候的液壓壓力，參考以往硅鋼同類機組，芯軸膨脹壓力設定為10 MPa，優(yōu)化后的卷取機芯軸膨脹情況進行了有限元分析，使用安全系數(shù)不低于1.37，如圖12所示，證明新設計的活塞桿是安全可靠的。

圖11 改進后的活塞桿結(jié)構(gòu)圖

圖12 改進后的活塞桿有限元分析

改進措施完成后，新設計的旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿由國內(nèi)某油缸廠完成制作，替換掉原損壞的1#2#卷取機旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿，并經(jīng)過試壓和裝機調(diào)試完成。經(jīng)過后續(xù)5個多月的生產(chǎn)跟蹤，F(xiàn)CL機組出口卷取機生產(chǎn)狀況良好，再也沒有發(fā)生同類的旋轉(zhuǎn)油缸故障。

5 結(jié) 論

開卷機及卷取機的旋轉(zhuǎn)油缸，是冷軋及硅鋼處理線入出口段的關(guān)鍵設備，旋轉(zhuǎn)油缸的使用情況直接關(guān)系到機組生產(chǎn)是否順利，目前國內(nèi)鋼廠多選擇進口旋轉(zhuǎn)油缸如GAT、格力樂、漢斯、密特斯、杜博林等廠家的及國內(nèi)幾個廠家的旋轉(zhuǎn)油缸，質(zhì)量上參差不齊。在設計過程中，應充分考慮旋轉(zhuǎn)油缸的使用工況和活塞桿材質(zhì)的變化、旋轉(zhuǎn)接頭密封形式、接口的尺寸、熱處理的方式等，恰當?shù)剡M行選擇。通常情況下，對于活塞桿直徑較大的，至少選擇45#鍛鋼+調(diào)質(zhì)處理，如果對于旋轉(zhuǎn)油缸采購成本沒有嚴格控制可以選擇42CrMo4+QT，對于旋轉(zhuǎn)油缸制造廠家，要求其必須提供所有的熱處理報告和材質(zhì)合格報告。設計角度來看，通過不斷地改進和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)油缸，其在冷軋?zhí)幚砭€中，將發(fā)揮越來越重要的作用。