翁 鵬

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

河鋼集團(tuán)宣鋼公司（全文簡(jiǎn)稱河鋼宣鋼）二鋼軋廠三棒車間于2014年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)成品軋制速度為15 m/s，主要生產(chǎn)品種規(guī)格為Φ20～Φ70 mm的圓鋼，年生產(chǎn)能力為70萬(wàn)t，以及Φ20～Φ40 mm的帶肋鋼筋，年生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t，使用坯料尺寸為165mm×165 mm×12 000 mm，軋機(jī)布置為650mm×540mm×4+650mm×800mm×6+540 mm×800 mm×4+400 mm×700 mm×4全連式軋機(jī)。2019年5月受市場(chǎng)、環(huán)保等因素影響，三棒車間由圓鋼切改為螺紋鋼生產(chǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中，接連出現(xiàn)了萬(wàn)向軸十字軸軸徑、法蘭斷裂，法蘭螺絲斷裂，軋機(jī)減速機(jī)軸承保持架損壞等惡性事故，嚴(yán)重影響了產(chǎn)能的提升，故對(duì)事故形成原因進(jìn)行了深入分析并及時(shí)采取了預(yù)防解決措施。

1 切改螺紋鋼生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

1.1 萬(wàn)向軸存在的問(wèn)題

河鋼宣鋼二鋼軋廠三棒車間選用意大利DANIELI公司引進(jìn)的具有90年代先進(jìn)水平的棒材軋制設(shè)備，軋機(jī)與減速機(jī)間使用萬(wàn)向軸連接，萬(wàn)向軸也被稱為萬(wàn)向聯(lián)軸器，它與各機(jī)構(gòu)的2根軸連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件共同旋轉(zhuǎn)及扭矩傳遞。萬(wàn)向軸允許的最大傾角為8°～12°，因其調(diào)整量較大，主要用于初軋機(jī)、板坯軋機(jī)、厚板軋機(jī)、鋼管軋機(jī)、鋼球軋機(jī)、薄板軋機(jī)和冷、熱帶鋼軋機(jī)等。萬(wàn)向軸的主要特點(diǎn)是工作比較平穩(wěn)，并能傳遞較大的扭矩，雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在軋鋼機(jī)上的應(yīng)用還是比較廣泛的。萬(wàn)向軸軸體的材質(zhì)一般為50號(hào)以上的鍛鋼，強(qiáng)度極限不小于650～700 MPa。應(yīng)力較大時(shí)，可使用合金鍛鋼，三棒萬(wàn)向軸使用的材質(zhì)為普通鍛鋼。

圓鋼生產(chǎn)時(shí)，對(duì)普碳鋼的開(kāi)軋溫度要求為970～1 020℃，優(yōu)碳鋼為1 010～1 050℃，合結(jié)鋼為1 020～1 060℃，齒輪鋼及軸承鋼的開(kāi)軋溫度要求為1 060～1130℃，為減少因溫度波動(dòng)造成的成品尺寸波動(dòng)問(wèn)題，車間一般按照作業(yè)文件規(guī)定的中上限控制開(kāi)軋溫度進(jìn)行作業(yè)，以保證鋼坯內(nèi)外及通長(zhǎng)溫度均勻；全面切改螺紋鋼后，HRB400E鋼的開(kāi)軋溫度要求在970～1 020℃，為保證成品性能，車間按中下限范圍控制溫度。溫度降低導(dǎo)致軋機(jī)負(fù)荷增大，軋制電流及力矩較圓鋼生產(chǎn)時(shí)有所升高，尤其以精軋4架軋機(jī)（15號(hào)—18號(hào)）表現(xiàn)較為明顯，列表對(duì)比如表1所示。

表1 切改前后力矩對(duì)比

除整體力矩提升外，切改螺紋鋼后，頭部力矩峰值有超100%的現(xiàn)象，負(fù)荷的增大導(dǎo)致萬(wàn)向軸工況急劇惡化[1]，2019年5月—11月間，三棒車間多次發(fā)生萬(wàn)向軸十字軸軸頸斷裂[2]（見(jiàn)下頁(yè)圖1）、法蘭斷裂、法蘭螺絲斷裂[3]、萬(wàn)向軸接管扭轉(zhuǎn)變形等設(shè)備故障，對(duì)正常生產(chǎn)秩序造成惡劣影響。觀察法蘭、軸徑、螺絲等斷口形狀，裂口處均為新的撕裂裂紋，無(wú)舊裂紋。主要從以下兩方面進(jìn)行原因分析：反查當(dāng)時(shí)軋制工藝，是否存在瞬時(shí)大扭矩致使法蘭、法蘭螺絲、軸徑等根部斷裂；校驗(yàn)萬(wàn)向軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否符合要求。

圖1 萬(wàn)向軸十字包斷裂

1.2 減速機(jī)存在的問(wèn)題

DANIELI公司減速機(jī)原設(shè)計(jì)的輸入軸齒輪端為調(diào)心滾子軸承，聯(lián)軸器端為圓錐滾子軸承。調(diào)心滾子軸承可以限制軸或外殼在軸承的游隙范圍內(nèi)的軸向位移，但其可承受軸向承載能力小，主要承受徑向負(fù)荷，起一定定位作用；圓錐滾子軸承主要承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯(lián)合載荷，既能夠承受一個(gè)方向的軸向載荷，也能夠限制軸或外殼一個(gè)方向的軸向位移。

切改螺紋鋼后，設(shè)備作業(yè)率提高，軋機(jī)承載負(fù)荷變大，并且停機(jī)時(shí)間變少，減速機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在惡劣工況下工作，軸承運(yùn)行情況急劇惡化，切改后的幾個(gè)月內(nèi)頻繁發(fā)生中精軋機(jī)減速機(jī)齒輪端軸承保持架損壞事故（見(jiàn)圖2），對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。從以下兩方面對(duì)損壞原因進(jìn)行分析：反查軋制工藝情況，是否存在因工藝造成的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的設(shè)備問(wèn)題；分析造成設(shè)備問(wèn)題的內(nèi)部原因。

圖2 軸承保持架損壞

2 原因分析及改造方案確定

2.1 萬(wàn)向軸改造方案確定

DANIELI公司15號(hào)—18號(hào)軋機(jī)選用SWC225型萬(wàn)向聯(lián)軸器，反查發(fā)生設(shè)備事故時(shí)的軋制工藝，鋼坯軋制溫度正常，料型正常，發(fā)生故障時(shí)設(shè)備無(wú)嚴(yán)重的瞬間超載情況，說(shuō)明發(fā)生斷裂或扭轉(zhuǎn)的原因與軋制工藝關(guān)系不大，是典型的功能性斷裂。

計(jì)算減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)萬(wàn)向軸進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)[5]，由式（1）、（2）、（3）計(jì)算減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：

式中：I為速比；Pw為電機(jī)功率；n為減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；T為工作理論扭矩，N·m；Tc為計(jì)算扭矩，N·m；ne為電機(jī)轉(zhuǎn)速；K為減速機(jī)額定工作情況系數(shù)，根據(jù)中沖擊負(fù)荷，連續(xù)軋機(jī)取K=1.8。

公式計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

依照（4）式進(jìn)行萬(wàn)向軸強(qiáng)度校驗(yàn)：

式中：Tf為萬(wàn)向軸疲勞轉(zhuǎn)矩，疲勞扭矩指長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)所能承受的最大扭矩；Tn為萬(wàn)向軸公稱轉(zhuǎn)矩，公稱轉(zhuǎn)矩指短時(shí)期內(nèi)，可以正常傳遞的扭矩。

SWC225型萬(wàn)向聯(lián)軸器強(qiáng)度如表3所示。

表3 SWC225型萬(wàn)向軸強(qiáng)度

由表3可知，理論計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩中，除18架轉(zhuǎn)矩最低外，其余架次均已超過(guò)SWC225萬(wàn)向軸的疲勞轉(zhuǎn)矩，并且15架軋機(jī)最高轉(zhuǎn)矩已超過(guò)萬(wàn)向軸的公稱轉(zhuǎn)矩，設(shè)備選型存在一定問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，萬(wàn)向軸狀況很不穩(wěn)定。

重新對(duì)萬(wàn)向軸進(jìn)行選型并更換，最終選擇將15號(hào)—18號(hào)軋機(jī)SWC225型萬(wàn)向軸更換為SWC250型萬(wàn)向軸，SWC250型萬(wàn)向軸參數(shù)如下：

表4 SWC250型萬(wàn)向軸強(qiáng)度

更換為SWC250萬(wàn)向軸后，四架軋機(jī)均未超過(guò)萬(wàn)向軸公稱轉(zhuǎn)矩，雖然15號(hào)及16號(hào)軋機(jī)超過(guò)萬(wàn)向軸疲勞轉(zhuǎn)矩，但超疲勞扭矩的情況只在軋輥輥徑最小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，且持續(xù)時(shí)間較短，故萬(wàn)向軸強(qiáng)度可以滿足生產(chǎn)需求。

2.2 減速機(jī)改造方案確定

通過(guò)反查生產(chǎn)時(shí)的軋制工藝，鋼坯軋制溫度正產(chǎn)，料型正常，未發(fā)生超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說(shuō)明保持架損壞的原因與軋制工藝關(guān)系不大。

DANIELI公司設(shè)計(jì)的減速機(jī)上調(diào)心滾子軸承及圓錐滾子軸承的使用導(dǎo)致輸入軸軸向位移范圍變小。一方面?zhèn)鲃?dòng)軸受熱脹冷縮影響會(huì)在軸承位置產(chǎn)生軸向位移，由于調(diào)心滾子軸承設(shè)計(jì)限制傳動(dòng)軸的軸向位移，導(dǎo)致齒輪端軸承外圈與箱體相對(duì)位置發(fā)生變化，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)因摩擦導(dǎo)致軸承間隙變大，從而振動(dòng)值變高；另一方面由于切改螺紋鋼后軋機(jī)提速，軋機(jī)振動(dòng)變大，并且14號(hào)、16號(hào)、18號(hào)軋機(jī)減速機(jī)無(wú)二級(jí)傳動(dòng)，軋機(jī)振動(dòng)會(huì)直接傳導(dǎo)到輸入軸齒輪端軸承位置（相對(duì)于有二級(jí)傳動(dòng)的減速機(jī)，輸入軸齒輪受振動(dòng)影響較大）[4]，導(dǎo)致軋機(jī)軸承外套與減速機(jī)箱體之間振動(dòng)加劇。振動(dòng)值越高，軸承所受徑向負(fù)荷越大，這是導(dǎo)致保持架損壞的直接原因[6]。

將齒輪端調(diào)心滾子軸承更換為圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承相對(duì)于調(diào)心滾子軸承徑向承載能力大，并且不限軸向位移，可以解決因熱膨脹引起的軸承外套與軸承座相對(duì)位置的變化，但圓柱滾子軸承對(duì)軸和座孔的加工要求高，因此軸承安裝后內(nèi)外圈軸線相對(duì)偏斜情況需嚴(yán)格控制，以免造成接觸應(yīng)力集中，另外還需對(duì)減速機(jī)箱體進(jìn)行改造，增加軸承定位，因現(xiàn)場(chǎng)不具備改造條件，故將定距環(huán)縮短，加大調(diào)心滾子軸承寬度，以達(dá)到增大軸承載荷的目的[7]。減速機(jī)改造前后對(duì)比圖如圖3所示。

圖3 減速機(jī)改造前后對(duì)比圖

3 改造方案的實(shí)施與效果

2019年8月至2019年12月期間，河鋼宣鋼二鋼軋廠利用設(shè)備檢修時(shí)間陸續(xù)對(duì)15號(hào)—18號(hào)軋機(jī)實(shí)施了萬(wàn)向軸增容及減速機(jī)軸承改造，通過(guò)近一年的實(shí)施使用情況來(lái)看，該項(xiàng)目實(shí)施后，提高了設(shè)備作業(yè)率，降低了生產(chǎn)成本。具體產(chǎn)生如下效果：

表5 型號(hào)規(guī)格對(duì)比

1）消除了萬(wàn)向軸頻繁斷裂的事故隱患，延長(zhǎng)了設(shè)備使用周期，斷軸事故由約2次/月降低為0次/月，精軋區(qū)萬(wàn)向軸均為正常下線，無(wú)事故下線。

2）改進(jìn)了減速機(jī)齒輪端軸承結(jié)構(gòu)，增加了軸承承載能力，降低了事故率，提高了作業(yè)率。