劉冰揚，于超超，曾小明，楊世勇，李 旭

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

卷取機是冷軋薄板生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，常見于脫脂平整、連退以及鍍鋅鍍錫等生產(chǎn)機組的末端。卷取機為帶鋼提供張力并將其卷取成緊密整齊的鋼卷，以便生產(chǎn)運輸和貯存[1]。在高速連續(xù)化的生產(chǎn)線上，常安裝兩臺卷取機交替工作，以保證連續(xù)的生產(chǎn)節(jié)奏。卷筒是卷取機的核心部件，卷筒的工作狀態(tài)不僅直接決定卷取機的工作能效，更會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，卷筒的運行穩(wěn)定性對機組的生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用[2]。

1 卷筒結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 卷筒結(jié)構(gòu)

某連退機組的卷筒形式為封閉四斜楔式的卷取機，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。該封閉四斜楔式卷筒形狀對稱，動平衡性能好[3]，斜楔頂面和扇形塊表面可以構(gòu)成一個整圓?；诖私Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢，卷筒在卷取薄帶時不易產(chǎn)生壓痕，適用于高速卷取的連退、鍍鋅和鍍錫等薄板機組。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 卷筒的工作原理

卷筒執(zhí)行的是旋轉(zhuǎn)與脹縮結(jié)合的復(fù)合運動，其中旋轉(zhuǎn)是由電機通過減速機驅(qū)動，卷筒是減速箱的低速輸出軸。卷筒徑向的膨脹收縮動作是由液壓驅(qū)動，卷筒端部的脹縮液壓缸推動拉桿作軸向運動，與拉桿裝配在一起的十字推頭帶動軸向斜楔沿著芯軸軸上的滑槽作往復(fù)滑動[4]。當(dāng)脹縮液壓缸做正向運動時，拉桿帶動軸向斜楔被拉回，徑向斜楔和扇形塊產(chǎn)生徑向位移，卷筒脹徑；同樣的，當(dāng)脹縮液壓缸做反向動作時，軸向斜楔被推出，徑向斜楔和扇形塊在碟簧恢復(fù)力的作用下收縮，卷筒縮徑。

2 旋轉(zhuǎn)頭螺栓斷裂現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障表象

該故障始發(fā)于卷取機正常服役期的第三年，故障表現(xiàn)為卷筒端部旋轉(zhuǎn)頭的螺栓發(fā)生斷裂。旋轉(zhuǎn)頭與芯軸的聯(lián)接面圓周上共裝有8條螺栓，如圖2所示，螺栓位置編號分別為1#～8#。經(jīng)觀察統(tǒng)計，5#和6#位置螺栓斷裂的頻次顯著高于其他位置，螺栓斷口均位于螺栓頭桿連接處，而且螺栓斷裂發(fā)生的頻次與卷筒服役時間呈顯著的正相關(guān)性。

圖2 卷筒端面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接觸面及螺栓斷口形貌分析

將旋轉(zhuǎn)頭拆解后對其內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有大量金屬粉屑?xì)埩?，如圖3a所示。將內(nèi)部各面清洗干凈后可見旋轉(zhuǎn)頭和卷筒連接面形貌均呈現(xiàn)明顯的金屬表面疲勞磨損特征，如圖3b所示，測量磨損量約為1 mm。檢查螺栓孔內(nèi)壁可見明顯螺紋磨痕，如圖3c所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)頭磨損形貌

對斷裂螺栓進(jìn)行目視檢查，其斷口周圍沒有明顯的損傷和塑性變形，斷面比較平整，斷口附近未見與斷裂有關(guān)的冶金缺陷，宏觀形貌如圖4所示，位于螺栓的頭-桿過渡區(qū)，并沿圓角根部(結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中部位)機械分離，未見明顯的損傷和塑性變形，斷面比較平整。螺栓頭部斷口均可見起始于螺桿外圓面的月牙形深色D區(qū)域，為裂紋源區(qū)[5]；面積約1/4斷口的E區(qū)域有明顯的放射狀條紋是裂紋擴展區(qū)，其余面積為1/2斷口的F區(qū)呈銀灰色，具有金屬光澤，具有剪切脣形貌的瞬斷區(qū)，是后期斷裂的新鮮斷口。根據(jù)斷口宏觀形貌可以判斷螺栓是由于受到了徑向切力從而導(dǎo)致斷裂。

圖4 螺栓斷口形貌

2.2 螺栓斷裂原因分析

旋轉(zhuǎn)頭與卷筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，由8條螺栓聯(lián)接緊固在一起，螺栓螺桿直徑d=24 mm，螺栓螺紋M24×1.5。螺栓所用材料為42CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后抗拉強度σb=1000 MPa，屈服強度σs=900 MPa。根據(jù)裝配標(biāo)準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)頭初次裝配到芯軸上時，對聯(lián)接螺栓施加的擰緊力矩為651 N·m。擰緊力矩T用來克服螺紋副相對轉(zhuǎn)動的阻力矩T1以及聯(lián)接面間的摩擦阻力矩Tm，因此可以得出[6]：

T=T1+Tm

(1)

式中，

(2)

(3)

式中，F(xiàn)′為螺栓的初始預(yù)緊力，當(dāng)螺距P取1.5時，螺紋中徑d2=23.026 mm，螺紋升角φ=arctan[P/(π·d2)]=2.37°， 螺紋副的當(dāng)量摩擦角φ=arctan(fv)=5.71，其中螺紋副的摩擦系數(shù)fv取0.1，鋼制加工面的摩擦系數(shù)fe此處取值0.10。變化式(2)、(3)可得螺栓初始預(yù)緊力F′。

(4)

將各數(shù)值代入式(4)可求得螺栓的初始預(yù)緊力F′=199 161.5 N。在預(yù)緊力F′作用下，接觸面間的摩擦力為

Fm=m·fe·F′

(5)

式中，m為接觸面的個數(shù)，暫取最小值1；此處fe作為磨損后接觸面的摩擦系數(shù)，取范圍最大值0.16，代入式(5)可得，F(xiàn)m=31 865.84 N；則接觸面的摩擦力矩為

Tm=Fm·R

(6)

當(dāng)接觸面之間出現(xiàn)疲勞磨損后，兩個接觸面不再平整且會出現(xiàn)橫向相對位移，經(jīng)過現(xiàn)場檢查，螺栓在斷裂前均出現(xiàn)過松動的情況，根據(jù)相關(guān)理論研究[7-11]，橫向(即垂直于螺栓軸線)的載荷或位移對螺栓松動的影響最大。通螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下,緊密配合的螺紋接觸面會發(fā)生幅值極小的相對運動產(chǎn)生微動磨損[12],繼而造成螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的松動、咬死等現(xiàn)象。因螺栓松動導(dǎo)致預(yù)緊力下降造成了摩擦力矩降低，變換式(5)、(6)可得損失的摩擦力矩

ΔTm=m·fe·(F′-Fs)·R

(7)

式中，F(xiàn)s為剩余預(yù)緊力，假設(shè)Fs=0.7F′；R為螺栓分布中心圓半徑，已知R為142.5 mm，代各數(shù)值代入式(7)得出ΔTm=1 362.26 N·m 。損失的力矩由螺桿承擔(dān)，因此螺桿受到力矩在數(shù)值上等于損失的摩擦力矩。根據(jù)材料力學(xué)螺栓受到的切應(yīng)力表示為

τ=ΔTm/W

(8)

其中W為抗扭截面模量[13]W=π·d3/16，d取螺栓螺桿設(shè)計最大外徑25.9 mm，將各數(shù)值代入式(8)計算得出，τ=399 MPa，螺栓的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

[τ]=0.5～0.6·[σ]

(9)

[σ]=σb/n

(10)

其中，[σ]為螺栓的許用拉應(yīng)力，σb為螺栓抗拉強度，σb=1 000 MPa；n為安全系數(shù)，取值范圍為1.5～2，因螺栓承受較大的動載荷因此取n=2，將各數(shù)值代入式(9)、(10)計算得出，[]=300 MPa。[]小于螺栓會發(fā)生過載斷裂。若將螺栓強度等級提高到12.9級，即螺栓抗拉強度為1 200 MPa，進(jìn)行同樣的計算得出[]=360 MPa小于，螺栓依然會發(fā)生過載斷裂，與現(xiàn)場實際情況相吻合。

綜合上述分析可以得出結(jié)論，在卷筒初始卷曲或卷曲完畢時，旋轉(zhuǎn)頭頻繁制動或啟動，接觸面磨損導(dǎo)致摩擦力降低則剩余制動力傳遞到緊固螺栓。長期的動作導(dǎo)致螺栓松動并產(chǎn)生微動損傷，螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)松動的情況下，螺栓受到垂直于軸線的剪切力從而發(fā)生斷裂。因螺栓頭部與螺栓桿有較大截面變化，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，且卷筒與旋轉(zhuǎn)頭產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動后，在螺栓頭部切邊處頂點為受力點，扭斷部位發(fā)生在螺栓頭部與螺栓桿的連接處。

3 對策及措施

3.1 旋轉(zhuǎn)頭材質(zhì)及工藝優(yōu)化

旋轉(zhuǎn)頭原用材質(zhì)為德標(biāo)(DIN EN 10250-2)中的C60E，其對應(yīng)國標(biāo)牌號為60號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[14]。為提高旋轉(zhuǎn)頭各接觸面的耐磨性，可將旋轉(zhuǎn)頭材質(zhì)改為42CrMo并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，42CrMo調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力[14]，在此基礎(chǔ)上對旋轉(zhuǎn)頭φ325內(nèi)表面的加工增加一道激光淬火工序，由此可在不改變其尺寸精度的條件下，使旋轉(zhuǎn)頭具有更好的表面硬度以及力學(xué)性能，提高其強度和耐磨性從而延長使用壽命。

3.2 旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)公差配合設(shè)計原則，e級的間隙配合通常適用于大跨距、多支點支承等要求有明顯間隙，易于轉(zhuǎn)動的支承配合[14]。結(jié)合旋轉(zhuǎn)頭的設(shè)計功能和實際工況以及上文的分析計算可知，較小的間隙配合更有利于旋轉(zhuǎn)頭與卷筒的連接緊固，更便于兩結(jié)構(gòu)件對中同心。因此為了保證各接觸面提高配合性能，可將兩零件配合尺寸由φ220H7/e9優(yōu)化為φ220H7/g6，從而將軸孔配合的最大間隙由0.261 mm縮小為0.09 mm，與此同時仍能保證旋轉(zhuǎn)頭便于自由拆裝。

在磨損不可避免的情況下，應(yīng)盡量使磨損均勻避免局部劇烈磨損，因此對接觸面的加工增加同軸度要求，保證其與基準(zhǔn)面的同軸度在0.03 mm以內(nèi)。另一方面可以通過加大承載面積減小摩擦表面壓強從而提高零件的耐磨性，因此將圖5所示尺寸95 mm優(yōu)化為90 mm同時尺寸130 mm不變，由此增加接觸面寬度從而加大兩零件承載接觸面的接觸面積。

圖5 旋轉(zhuǎn)頭制造圖

3.3 卷筒的保養(yǎng)與維修

在卷筒的漲縮過程中扇形板承受鋼卷壓力、徑向斜楔頭部承受徑向拉力同時斜面燕尾槽承受軸向的拉力，雖然冷軋卷取機的外在工況條件相對清潔良好，但在長期連續(xù)生產(chǎn)節(jié)奏下的扇形板和斜楔受力部位易發(fā)生疲勞斷裂。一般而言，此類結(jié)構(gòu)卷筒通常在連續(xù)運行12至18個月進(jìn)行一次拆解檢查。此期間應(yīng)重點檢查卷筒與旋轉(zhuǎn)頭連接端面磨損情況以及螺紋孔內(nèi)螺紋有無損傷，若存在損傷應(yīng)將其修復(fù)后再裝配旋轉(zhuǎn)頭。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，一般建議在卷筒連續(xù)使用48個月左右將其從卷取機上拆下并整體更換新卷筒，下線卷筒送至維修工廠進(jìn)行拆解檢查和修復(fù)，在此期間應(yīng)重點檢測旋轉(zhuǎn)頭配合尺寸是否超差，以及φ220h6和φ325H7處的同軸度檢測，應(yīng)保證與基準(zhǔn)面同軸度在0.02以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文分析了封閉四斜楔式卷筒在連退機組的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)組成及受力分析等方面分析了生產(chǎn)中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)頭聯(lián)接螺栓斷裂的故障原因，并針對此問題進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)措施。實踐證明，本文技術(shù)改進(jìn)措施有效的解決了螺栓斷裂問題，自實施后至今再未發(fā)生類似的故障。通過提升旋轉(zhuǎn)頭與芯軸的聯(lián)接強度及耐磨等性能，顯著提高了卷筒運行的穩(wěn)定性及使用壽命，保障了連退機組高速、穩(wěn)定的生產(chǎn)節(jié)奏。