摘 要：在連續(xù)退火機組中，出口分切剪主要用于帶鋼分切，實現卷取機順序切換卷取的目的。在常規(guī)電氣起動控制方式下，出口分切剪的驅動電機連續(xù)多年發(fā)生前軸軸承臺階處斷軸事故，造成生產線長時間非計劃故障停機，嚴重制約了正常產能釋放。通過研究出口分切剪驅動裝置的機械結構，分析出口分切剪各階段的運行動作特點，針對電機轉軸在起動和剪切階段沖擊負荷問題，通過應用柔性驅動技術從根源上消除了電機轉軸受沖擊負荷斷軸的問題，不僅保障了連續(xù)退火機組的穩(wěn)定運行，而且對其他機組同類問題治理具有參考價值。

關鍵詞：分切剪; 電機斷軸; 柔性驅動

Abstract：In the continuous annealing line， the exit slitting shear is mainly used for strip slitting to realize the purpose of sequential switching of coiler winding. Under the conventional electrical start-up control mode， the drive motor of the exit slitting shear has been broken at the front shaft bearing step for many years， resulting in a long unplanned downtime of the production line， which seriously restricts the release of normal capacity. By studying the mechanical structure of the drive device of the exit slitting shear， analyzing the operating characteristics of the exit slitting shear at various stages， and focusing on the problem of impact load on the motor rotor shaft during the starting and shearing phases， the application of flexible drive technology eliminates the problem of motor shaft breakage by the impact load， which not only ensures the stable operation of the continuous annealing line， but also has reference value for the management of similar problems in other production lines.

Key words： slitting shear; motor broken shaft; flexible drive

1 現 狀

1.1 機械結構

連續(xù)退火機組卷取機入口側配備一臺出口分切剪，用于剪切帶鋼頭、尾部部分，實現在帶鋼10 ～ 30 m/min的低速運行過程中分切取樣、分卷剪切等功能。出口分切剪由電機、皮帶輪、V型皮帶、飛輪、氣動離合制動器、曲軸、固定剪刃、活動剪刃、機架等部分組成，如圖1所示。

出口分切剪的電氣控制系統，采用直接起動和自由停車的控制方式，主要由斷路器、接觸器、熱繼電器、控制繼電器等部分組成。

1.2 使用問題

通常每卷帶鋼需要完成4 ～ 5塊取樣以及分卷剪切動作。在出口分切剪開始剪切前，電機驅動飛輪開始轉動完成第一階段的儲能準備；然后，根據生產工藝需求，完成第二階段的帶鋼取樣和分卷動作。

已知電機額定功率為5.5 kW，額定電流為12.8 A，額定轉速為960 rpm，主動皮帶輪的直徑為135.9 mm，驅動系統減速比為8.33；經實測，穩(wěn)態(tài)運行電流約8 A，起動電流約78 A，剪切電流約25 A，實測起動過程用時約3 s，如圖2所示。

根據以上數據可知，在直接起動的控制方式下，電機起動加速階段電流達到額定電流的6 倍～ 7倍，電機轉軸徑向受力約為2 479.3 N（不含皮帶輪質量）；帶鋼剪切階段電流為額定電流的2 ～ 3倍；怠速階段穩(wěn)態(tài)轉矩為52.38 N·m，皮帶受力為770.8 N。

綜上所述，在出口分切剪起動和帶鋼分切階段的負荷均屬于沖擊性負荷，電機轉軸頻繁承受轉動扭矩和超負荷徑向拉伸力兩方面的作用，導致出口分切剪驅動電機的軸承臺階處頻繁發(fā)生斷軸事故，如圖3所示。

2 技術方案

2.1 電機

通常，在電機轉軸設計選型時，除特殊工況外，均具有較強的轉動扭矩承載性能，而徑向力承載能力較低；以國內某大型電機制造商技術數據為例，工頻工況下電機最大徑向力如表1所示。

在沖擊性重載負荷使用場合中，針對電機轉軸斷軸事故，從電機本體角度考慮，優(yōu)化措施包含以下幾個方面：

1）電機轉軸材質升級。

常見電機轉軸用材料為鑄鐵和碳結構鋼，其中，鑄鐵具有成本低、抗震性好、吸音性能好等特點，在使用過程中磨損較小，但抗拉強度較低，不適合高速場合。45號鋼或40Cr鋼都是高質碳結構鋼，具有良好的力學性能，45號鋼具有較高的抗拉強度和耐磨性，適用于一般用途的電機轉軸，40Cr鋼具有較高的強度、耐磨性和韌性，適用于重載場合的電機轉軸。

2）電機容量升級。

在電機選型過程中，要求結合機械設備的結構特點和動作特性，分別核算起動階段、加減速階段和停車階段的負載受力情況，選擇具有一定富裕容量的電機規(guī)格，確保過載能力和起動能力滿足要求。

3）電機轉軸預防性探傷檢測。

在常見的機械設備探傷技術中，磁粉探傷技術主要用于檢測鐵磁性材料和工件表面或近表面的裂紋、折疊、夾層、夾渣等，并能確定缺陷的位置、大小和形狀。滲透探傷主要用于檢測金屬和非金屬材料的裂紋、折疊、松疏和針孔等缺陷，并能確定缺陷的位置、大小和形狀。渦流探傷主要用于檢測導電材料表面和近表面的裂紋、夾雜、折疊、凹坑和疏松等缺陷，并能確定缺陷的位置和相對尺寸。超聲波探傷主要用于檢測鍛件的裂紋、分層、夾雜，焊縫中的裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透，型材的裂紋、分層、夾雜、折疊，鑄件中的縮孔、氣泡、熱裂、冷裂、疏松和夾渣等缺陷和厚度測定。

2.2 電氣控制

通常電氣控制方式分為直接起動、降壓起動、軟啟動和變頻起動等四種方式。

1）直接起動[1]。

直接起動也稱為全壓起動，起動時電機的定子繞組直接接通額定電壓電源。這種方法設備簡單且操作方便，但是起動電流較大，可達到額定電流的4倍 ～ 7倍，可能引起電網電壓異常波動。

一般功率在7.5 kW以下的電機均可采用直接起動，如果供電變壓器容量相對于電機容量較大，符合相關經驗公式，如公式（1）所示，較大容量的鼠籠式異步電機也可采用直接起動；如果不能滿足公式要求，則應采用降壓起動。

2）降壓起動。

降壓起動是通過起動設備使定子繞組開始時承受小于額定電壓的電壓，待電機轉速上升達一定值時，再使定子繞組承受額定電壓而穩(wěn)定運行。

通常，降壓起動包含定子串電阻或電抗降壓起動、自耦變壓器降壓起動、星-三角起動、延邊三角形起動等4種方式，性能特點如表2所示。

3）軟起動[2] 。

軟啟動器是一種基于可控硅移相控制原理的電氣控制器，通過調整晶閘管的導通角輸出不同的電壓，達到調節(jié)輸出功率的目的。

軟啟動器的啟動方式包含限流啟動、斜坡電壓啟動、轉矩控制啟動、轉矩加突跳控制啟動等四種方式。其中，轉矩控制啟動具有平滑啟動、柔韌度好的優(yōu)點，針對拖動系統有獨特的保護，能有效延長拖動系統的使用壽命，也能降低電機啟動對電網的沖擊，也是重載啟動的最有選擇；但是，缺點是啟動時間較長。

4）變頻器起動[3] 。

變頻器通過改變電網的頻率來調節(jié)電動機的轉速和轉矩，主要用于需要調速并且對速度控制要求高的領域。但是，變頻器本身結構復雜、維護費用高，而且不適用于沖擊性負載場合，同時，對于運行環(huán)境要求高，需要防塵和散熱設施。

2.3 驅動機械機構

用于電機和機械設備之間動力傳輸的機械機構，通常包含帶傳動、鏈傳動、聯軸器、耦合器等結構型式。

聯軸器屬于直接連接驅動型式，帶傳動和鏈傳動屬于間接連接驅動型式。其中，聯軸器在安裝維護過程中，不僅要求機械對中精度高，而且，受機械振動因素影響，機械對中精度存在逐步劣化的趨勢，需要重復維護調整。

磁力耦合器是一種基于渦流感應原理，通過轉子和導體之間的空氣間隙傳遞力矩，從而實現電機和負載之間無接觸的間接傳動方式。磁力耦合器結構內部沒有磨損部件，相對故障率較低；同時，具有過載保護功能，相較于液力耦合器，沒有環(huán)境污染的風險，屬于綠色環(huán)保產品[4] 。

3 應用效果

3.1 改造方案

通過技術分析和對比，出口分切剪驅動系統采用如下改造方案。

1）電機容量擴容和轉速調整。

結合出口分切剪起動負荷和剪切負荷、工作制特點，核算電機起動能力和過載能力，完成電機重新選型，確保電機安全運行。

2）皮帶輪尺寸調整。

為了適配電機擴容后轉軸尺寸變化，皮帶輪裝配內徑需要增大，考慮到皮帶輪本體機械強度，同步加大皮帶輪基準直徑尺寸。同時，為了保持原皮帶傳輸機構減速比不變，將電機轉速由原來的6極改型為4極，為皮帶輪擴徑提供了尺寸空間。

3）制作獨立皮帶輪軸承座，電機和皮帶輪之間采用磁力耦合器連接。

在原皮帶傳輸機構中，皮帶輪直接套裝在電機前軸上，由于負載和電機處于非同軸位置，導致電機前軸在傳輸扭矩的同時承受額外的徑向力，雖然皮帶具有一定的負載緩沖作用，但是，在帶鋼剪切時仍存在負載突變和沖擊問題。磁力耦合器屬于非直接接觸型傳動機構，而且具有一定的過載保護能力，可以有效解決帶鋼剪切時電機轉軸負載沖擊問題。

4） 控制部分采用帶旁路的軟啟動器控制系統。

考慮到出口分切剪起動階段和帶鋼剪切階段的沖擊負荷特點，選用帶旁路的軟啟動器控制系統。在起動階段，采用轉矩線性加速方式實現柔性起動，消除原有控制方式下加速過程中的負荷沖擊問題；在帶鋼剪切階段，采用旁路控制方式和磁力耦合器相結合的措施，適配和緩解帶鋼剪切時的負荷沖擊。

3.2 效果對比

通過出口分切剪電氣控制系統和機械結構改造，經現場實測，在起動階段和帶鋼剪切階段的沖擊性負荷均有明顯下降如圖4和圖5所示。

4 結 語

出口分切剪主要用于連續(xù)退火機組帶鋼卷取前的頭尾分切，是保障機組出口段上下通道有序切換運行的重控設備。針對生產過程中出口分切剪驅動電機連續(xù)多次斷軸事故，逐步分解各階段的設備動作，分析各動作過程中負載的變化特點；同時，從設備結構的角度，分析相關驅動設備的受力情況，從而掌握了電機轉軸斷裂的根本原因。在電機斷軸事故原因分析的基礎上，通過調研各種電氣控制系統和機械傳動機構的特點，制定有效的出口分切剪驅動系統改造技術方案，從實際應用效果來看，有效解決了出口分切剪驅動電機斷軸問題，不僅消除了原驅動系統的設備隱患，而且對同類機組解決相關問題具有參考價值。

參考文獻

[1] 吳浩烈.電機及電力拖動基礎[M].重慶：重慶大學出版社，1996.

[2] 李學棟.淺談軟啟動器的特點及在化工工程中的應用[J].天津化工，2019，33（4）：65-66.

[3] 葉新華，陳俊強，趙利偉，等.淺談軟啟動器一拖多臺電動機控制的應用[J].糧食與食品工業(yè)，2023，30（4）：21-22.

[4] 夏田，張風剛.磁力耦合器及其在水泥生產應用中注意事項[J].水泥，2017，12（21）：64-65.

第一作者：張晉峰，男，43歲，工程師

收稿日期：2024-05-31