張鑫鑫

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 北京100043)

1 前言

集卷站是高速線材生產(chǎn)線盤卷收集區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備，位于散卷冷卻線尾部下方，其作用是把來自散卷冷卻線的散狀線圈垂直收集成盤卷并水平放到運卷車上，再由運卷車將盤卷運至P&F線鉤式運輸機的“C”形鉤上[1]。其中承卷平臺升降裝置是集卷站關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備環(huán)繞在芯棒周圍，在鏈條的牽引下隨著線卷不斷下落，承卷平臺也沿導(dǎo)向立柱同步下降，托住上方掉下的線卷的同時，也防止亂卷，基本原理如圖1所示。

圖1 承卷平臺升降裝置

承卷平臺升的升降動作為電機驅(qū)動，主電機通過主傳動軸上的鏈輪，拉動鏈條，從而控制承卷平臺的上升和下降，主傳動軸的傳動原理如圖2所示。

圖2 主傳動軸傳動原理圖

本設(shè)備在多家高速線材廠生產(chǎn)使用過程中，曾多次發(fā)生傳動軸斷裂的嚴重事故，因傳動軸斷裂造成設(shè)備無法工作，從而導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停工。給生產(chǎn)廠造成一定的經(jīng)濟損失，同時引起各廠的高度重視，需找出傳動軸斷裂原因，避免事故反復(fù)發(fā)生。

2 事故原因分析

2.1 初步分析

本設(shè)備原始設(shè)計者為某外方設(shè)計院，出現(xiàn)事故的幾個生產(chǎn)廠使用的設(shè)備也都是源自該外方設(shè)計院的設(shè)計，而這些設(shè)備的制造商都不同，不同設(shè)備制造商生產(chǎn)的設(shè)備出現(xiàn)同樣的問題，基本排除設(shè)備制造和安裝方面的原因，疑似原始設(shè)計可能會有問題。其次，再仔細觀察傳動軸斷裂的實際情況，發(fā)現(xiàn)斷面與軸線呈45度螺旋線方向。而當(dāng)材料受到扭轉(zhuǎn)力矩時，表面與軸線成45度方向的拉應(yīng)力最大，當(dāng)此應(yīng)力超過材料的承載極限時該材料就會沿受力方向發(fā)生斷裂。

經(jīng)初步分析，主傳動軸的設(shè)計強度不夠應(yīng)該是該事故頻發(fā)的主要原因。

2.2 事故原因驗證

承卷平臺設(shè)備自重約3噸，盤卷最大自重約2.4噸，傳動鏈輪需承載的總重約5.4噸，主傳動軸材質(zhì)為調(diào)質(zhì)處理的45#鋼。由于設(shè)備運行時頻繁啟停，并加速減速及正反轉(zhuǎn)，主要載荷為交變載荷且有較大沖擊，工況比較惡劣。針對此工況對轉(zhuǎn)動軸進行受力分析，并針對此時的受力情況做出傳動軸的彎矩圖和扭矩圖。具體受力分析如圖3所示。

由圖3的受力分析可以看出，該傳動軸的工況較為復(fù)雜，在傳遞電機主要扭矩的同時還要承受很大的彎矩，是典型的彎扭組合受力工況。圖中傳動軸的A點是整個傳動軸受力最大的地方，并存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而該處也正是所有事故中傳動軸斷裂的地方。

圖3 主傳動軸受力分析

根據(jù)A點受力情況，對A點進行強度驗算，當(dāng)傳動軸材質(zhì)為45#鋼時，在常規(guī)工況下，A點軸徑d應(yīng)滿足下列條件：

即在常規(guī)工況下，A點的軸徑應(yīng)至少為107mm，而實際軸徑僅為φ90mm，同時設(shè)備使用工況惡劣，目前的設(shè)計強度遠遠不足以滿足設(shè)備的使用要求，故在生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)傳動軸斷裂的生產(chǎn)事故。

綜上，通過上述詳細計算，再次驗證了傳動軸頻繁斷裂的主要原因就是主傳動軸的設(shè)計強度不夠，是原始設(shè)計的計算出現(xiàn)了偏差，該傳動軸的強度無法應(yīng)付現(xiàn)有工況，從而導(dǎo)致了生產(chǎn)事故頻發(fā)。

3 改造方案

3.1 調(diào)整材質(zhì)

簡捷易實現(xiàn)的改造方案，即不改變所有設(shè)計尺寸，只改變傳動軸的材質(zhì)，使用更高強度的材質(zhì)代替45#鋼。如某廠將傳動軸的材質(zhì)更改為調(diào)質(zhì)后的42CrMo，改造后有一定效果，傳動軸使用壽命有所延長，但最后還是在同樣的位置再次發(fā)生斷裂。此外原設(shè)計方也提供了一種改造方案，該方案要更加保守一些，是將材質(zhì)更改為調(diào)質(zhì)后的45CrNiMoVA[2]，此方案確實可以解決傳動軸頻繁斷裂的問題，但該方案的缺點是45CrNiMoVA這種材質(zhì)在機械制造行業(yè)屬于非主流材料，市面上較少，不易采購且價格昂貴。此外，原設(shè)計方給出的熱處理要求還需將材料調(diào)質(zhì)HB320～360，調(diào)質(zhì)后的原材料硬度較高不利于機加工，也變相增加了設(shè)備的制造成本。

3.2 配重平衡法

配重平衡法。由于承卷平臺本身的自重就很大，可以通過定滑輪系統(tǒng)對承卷平臺增加3t左右的配重，平衡掉設(shè)備本身的自重[3]。從而大大減少傳動軸工作時受到的動、靜載荷，改善設(shè)備運行時的惡劣工況，大大延長了設(shè)備的使用壽命。此方案較第一種方案稍復(fù)雜，在生產(chǎn)廠也可實現(xiàn)。不足之處是該系統(tǒng)所占空間較大，承卷平臺設(shè)備周邊要有足夠的空間安裝定滑輪系統(tǒng)及配重。

3.3 調(diào)整結(jié)構(gòu)

上文提到的兩種改造方案都是基于在使用廠改造的前提條件，這些方案或受限于現(xiàn)場條件，或背離原始設(shè)計意圖。本文從設(shè)計角度出發(fā)，在不改變傳動軸材質(zhì)的情況下，提供一種全新的解決方案。

升級改造方案的思路如下，首先通過改變傳動軸的結(jié)構(gòu)型式，達到改善其受力形式的目的，其次適當(dāng)提高傳動軸的承載能力。具體升級改造方案原理圖如圖4所示：

圖4 改造方案原理圖

1)改變傳動軸的結(jié)構(gòu)形式：將傳動軸分為兩段，中間用聯(lián)軸器連接。每段傳動軸各有兩個軸承座來支撐，兩個軸承座中間是承載鏈輪。這樣，就使傳動軸由變更前的彎扭組合受力變?yōu)橹饕獋鬟f扭矩載荷，大大改善了傳動軸原本復(fù)雜的受力狀況。

2)提高傳動軸的承載能力：將傳動軸應(yīng)力集中處的軸徑適當(dāng)加大，如將軸徑由原來的φ90mm加大到φ100mm，提高傳動軸承載能力的同時，并不會對原設(shè)計做太大的變動，完全遵循原始設(shè)計理念。

按照改造后方案對傳動軸進行疲勞強度安全系數(shù)校核，最大負載情況下，主傳動軸受力分析如圖5所示：

圖5 改造后主傳動軸受力分析

故傳動軸危險截面的安全系數(shù)S計算如下：

計算安全系數(shù)大于安全系數(shù)許用值，故傳動軸的疲勞強度足夠。

4 結(jié)束語

前述設(shè)計方案完成后不久，即迎來實踐檢驗機會。某高速線材廠搬遷改造工程，搬遷后要對盤卷收集設(shè)備進行升級改造。承卷平臺升降裝置主傳動軸及軸系相關(guān)零部件采用已完成設(shè)計的升級改造方案進行設(shè)備更新。

目前，該廠投產(chǎn)已4年多。在此期間，該設(shè)備從未發(fā)生過主傳動軸斷裂的事故。實踐證明，本次升級改造方案非常成功。

本文針對高速線材承卷平臺的傳動軸斷裂事故，分析了現(xiàn)有升級改造方案的不足和缺陷，從設(shè)計角度提供一種解決問題的新思路以及更加優(yōu)化的解決方案，在類似設(shè)備的設(shè)計及升級改造中具有借鑒參考的價值。