平整機(jī)組開(kāi)卷機(jī)芯軸裂紋的分析與修復(fù)

嚴(yán) 升 潘禮雙

(廣西柳州鋼鐵(集團(tuán))公司，廣西 545002)

冷軋廠1 550 mm 平整機(jī)組于2009 年初開(kāi)始運(yùn)行生產(chǎn)，在機(jī)組運(yùn)行兩年后，開(kāi)卷機(jī)芯軸軸頭螺栓在生產(chǎn)過(guò)程中多次出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)組的順利運(yùn)行。將芯軸軸頭拆卸下檢查發(fā)現(xiàn)，芯軸與軸頭連接的端部出現(xiàn)裂紋，并有局部斷裂現(xiàn)象，芯軸已無(wú)法繼續(xù)使用。斷裂的芯軸如圖1 所示。在將芯軸更換下后檢查，芯軸除斷裂的端部外，扇形塊漲縮機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等其余部分均無(wú)異常。因芯軸備件成本較高，將芯軸直接報(bào)廢將造成較大的浪費(fèi)，因此決定對(duì)芯軸斷裂的原因進(jìn)行分析，制定芯軸修復(fù)方案。

1 斷裂原因分析

圖1 斷裂后的芯軸Figure 1 Cracked spindle

芯軸發(fā)生斷裂的部分主要是與芯軸軸頭進(jìn)行配合處，經(jīng)檢測(cè)后判斷產(chǎn)生裂紋的原因?yàn)橐韵聝蓚€(gè):

(1)芯軸與軸頭的配合結(jié)構(gòu)缺陷。芯軸與軸頭配合接觸面分為四段且受力面在芯軸端面內(nèi)側(cè)(如圖2 所示)，使用過(guò)程中芯軸四段端面并不是同時(shí)受力，在芯軸旋轉(zhuǎn)時(shí)作用力大多集中在其中的一段或兩段上。使用較長(zhǎng)時(shí)間后，芯軸與軸頭之間的配合間隙越來(lái)越大(對(duì)更換下的芯軸檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，配合間隙擴(kuò)大已接近1 mm)，而芯軸與軸頭配合接觸面積較小(長(zhǎng)度僅為20 mm)，配合間隙增大導(dǎo)致軸頭在使用過(guò)程中出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，不斷沖擊芯軸四段端面，最后產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致斷裂;

圖2 芯軸與軸頭的配合面結(jié)構(gòu)Figure 2 Contact face structure of spindle and shaft head

(2)芯軸與軸頭支撐安裝精度誤差。芯軸通過(guò)軸頭與軸頭支撐配合，起到支撐芯軸的作用。檢查發(fā)現(xiàn)，由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，軸頭支撐托輥端面比芯軸端面高出2 mm 左右，導(dǎo)致使用過(guò)程中軸頭受力不均而加劇擺動(dòng)，沖擊芯軸端面，使芯軸端面斷裂。

由此可知，芯軸與軸頭配合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷及安裝尺寸不精準(zhǔn)是造成芯軸斷裂事故的根本原因。

2 修復(fù)方案及改進(jìn)措施

對(duì)芯軸斷裂部分進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)對(duì)芯軸原有結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足生產(chǎn)工藝的要求，并有針對(duì)性的制定芯軸定期檢查維護(hù)制度。

2.1 芯軸修復(fù)方案的確定與實(shí)施

修復(fù)方案首選是對(duì)斷裂部分進(jìn)行焊接。但化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)芯軸材質(zhì)為含Cr、Mn 成分的合金鋼，焊接難度較高，并且芯軸在焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生變形，所以最終決定對(duì)斷裂部分與芯軸配合結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。

芯軸斷裂部分受力情況如圖2 所示。由圖2可知，芯軸斷裂部分在使用過(guò)程中主要是內(nèi)表面受向外側(cè)的力。因?yàn)樾据S斷裂部分與芯軸的銜接處有一個(gè)直角臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在受到徑向外側(cè)的力時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中引起芯軸斷裂，同時(shí)原有軸頭設(shè)計(jì)會(huì)引起芯軸四段分布的端面在配合間隙變大時(shí)出現(xiàn)其中一個(gè)端面受力過(guò)大，從而導(dǎo)致其斷裂。依據(jù)受力情況，修復(fù)方案分為以下幾步進(jìn)行:

(1)芯軸修復(fù)部分。在芯軸斷裂部分加工平臺(tái)，并在平臺(tái)表面及側(cè)面加工定位鍵槽。同時(shí)依據(jù)芯軸斷裂部分尺寸制作新部件，新部件利用臺(tái)階在芯軸上定位，并在芯軸上加工螺紋孔。將部件用螺栓與芯軸進(jìn)行連接后，對(duì)零件按原有尺寸進(jìn)行加工(如圖3 所示)。

圖5 軸頭改造工藝圖Figure 5 Process drawing of shaft head renovation

(2)軸頭與芯軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。芯軸與軸頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要是增加配合面接觸面積，將芯軸與軸頭配合面長(zhǎng)度加工增長(zhǎng)至50 mm;同時(shí)對(duì)芯軸端面尺寸及軸頭重新加工，使其配合面改為芯軸端面的外表面，消除芯軸端面應(yīng)力集中部分，并使芯軸四個(gè)端面均勻受力。同時(shí)對(duì)芯軸配合面與芯軸軸線的同軸度重新進(jìn)行校準(zhǔn)，保證軸頭安裝精度(如圖4 所示)。

(3)軸頭安裝方式的改進(jìn)。原有軸頭螺栓的更換及緊固必須將軸頭軸承拆卸下來(lái)后方可進(jìn)行，檢查及維修的效率很低。在軸頭加工端面臺(tái)階，方便檢查軸頭螺栓情況，同時(shí)在軸頭軸套上按照內(nèi)六角工具尺寸加工槽，這樣在日常檢查維護(hù)中能夠直接對(duì)軸頭螺栓進(jìn)行緊固或更換(如圖5所示)。

2.2 芯軸維護(hù)檢測(cè)方法的改進(jìn)

在對(duì)芯軸結(jié)構(gòu)改造完成后，結(jié)合開(kāi)卷機(jī)使用過(guò)程中的情況，在開(kāi)卷機(jī)日常維護(hù)項(xiàng)目中增加了對(duì)芯軸與軸頭配合間隙的檢查，同時(shí)采用涂色法檢測(cè)接觸點(diǎn);軸頭螺栓全部更換為12.9 級(jí)強(qiáng)度，并對(duì)螺栓每?jī)稍赂鼡Q一次，以防止螺栓受力疲勞后斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

芯軸改造完成后，在將近一年的生產(chǎn)中，開(kāi)卷機(jī)軸頭螺栓未再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。通過(guò)制定合理的維護(hù)、檢查規(guī)范，能夠保證芯軸配合的精度。

［1］鄒家祥.軋鋼機(jī)械.北京:冶金工業(yè)出版社，2000.

［2］王海文.軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］楊文元，費(fèi)玉石.帶材精整機(jī)組中開(kāi)卷機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1999.