軋機(jī)換輥滑架裂紋問題分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

徐強(qiáng)

摘 要：萊鋼寬厚板廠粗精軋機(jī)在投產(chǎn)2年左右先后，發(fā)現(xiàn)換輥滑架出現(xiàn)了裂紋問題，筆者提出以下解決方案。

關(guān)鍵詞：軋機(jī)換輥滑架；裂紋問題；問題分析；結(jié)構(gòu)；改進(jìn)研究

1 裂紋的形成原因分析

1.1 換輥滑架裂紋生成原因分析

換輥滑架材料G20Mn5材質(zhì)，相當(dāng)于我國的ZG20Mn。其強(qiáng)度性能為：屈服強(qiáng)度295Mpa，抗拉強(qiáng)度500Mpa，疲勞強(qiáng)度按抗拉強(qiáng)度一半計(jì)算為250Mpa。不過需要注意的是，對(duì)于換輥滑架這樣的大型鑄件，機(jī)械性能顯然很難達(dá)到以上水平。

不同磨損量條件下，裂紋生成部位的安全系數(shù)情況如表1.1所示。

綜上，可得裂紋生成的原因分析如下：

（1）貫穿縱裂紋生成原因

a）理想狀態(tài)下，受力系發(fā)生扁擔(dān)梁式變形，使得U形槽上部承受較大拉應(yīng)力（169Mpa）；

b）受力系接觸區(qū)受力不均造成磨損不均，使得U形槽上部的應(yīng)力水平進(jìn)一步加?。蛇_(dá)200Mpa以上）；

c）在材料安全余量不高（安全系數(shù)小于2.0）、沖擊載荷（每軋制一個(gè)道次相當(dāng)于一次沖擊，如果考慮軋制過程中的軋制力波動(dòng)則沖擊頻率更高）作用下，從U形槽頂部開始形成原始裂紋；

d）裂紋擴(kuò)展的過程中，由于扁擔(dān)梁效應(yīng)一直得不到消除，所以裂紋一直發(fā)展直至形成貫穿裂紋。

（2）U形成根部圓角縱裂紋生成原因

a）理想狀態(tài)下，受力系發(fā)生扁擔(dān)梁式變形，使得U形槽上部承受較大應(yīng)力（等效應(yīng)力194Mpa）；

b）受力系接觸區(qū)受力不均造成磨損不均，使得U形槽根部圓角的應(yīng)力水平進(jìn)一步加劇（可達(dá)250Mpa以上）；

c）在材料安全余量不高（安全系數(shù)小于2.0）、沖擊載荷作用下，容易形成疲勞裂紋；

d）由于U形槽根部圓角裂紋擴(kuò)散條件不如縱裂紋，所以U形槽根部圓角裂紋的嚴(yán)重程度不如縱裂紋。

（3）下凸臺(tái)形成根部圓角縱裂紋生成原因

a）不管是理想狀態(tài)還是滑架磨損狀態(tài)，下凸臺(tái)根部過渡圓角區(qū)的應(yīng)力水平均超過了屈服強(qiáng)度，所以正常工作條件下該區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)塑形變形；

b）但由于該區(qū)域不存在拉應(yīng)力，所以其失效行為屬于壓潰行為。

2修復(fù)及改造方案研究

2.1縮短墊板方案及其效果

從前面的分析可知，受力系扁擔(dān)梁現(xiàn)象的存在是裂紋事件的起因。因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重點(diǎn)先應(yīng)從消除扁擔(dān)梁現(xiàn)象入手。

如圖2.1所示，可以考慮用縮短滑架與軸承座之間墊板尺寸的方法來消除扁擔(dān)梁現(xiàn)象對(duì)換輥滑架的影響：將滑架與軸承座之間的弧形墊板由原長1850mm，改成1100mm；將調(diào)整墊板由原長2100mm改成1100mm；下墊板及下凸臺(tái)的尺寸則保持1100mm不變

墊板縮短后，理想接觸狀態(tài)下，90000kN軋制力時(shí)，換輥滑架的等效應(yīng)力水平如圖2.2所示，可見：

（1）U形槽頂部及整個(gè)縱裂紋區(qū)域應(yīng)力水平下降到10Mpa一下；

（2）U形槽根部過渡圓角橫裂紋區(qū)域應(yīng)力水平下降到56Mpa；

（3）下凸臺(tái)根部下降到315Mpa。

可見墊板縮短后，理想狀態(tài)下，原來的三個(gè)裂紋區(qū)，縱裂紋與橫裂紋區(qū)應(yīng)力水平均下降到了60Mpa以下的安全區(qū)域，只有下凸臺(tái)根部局部應(yīng)力水平還在屈服極限以上。

考慮到下凸臺(tái)根部不存在拉應(yīng)力，不存在裂紋擴(kuò)展條件，所以，可以認(rèn)為墊板縮短后，理想接觸狀態(tài)下，換輥滑架結(jié)構(gòu)是安全的。

另外，從縮短墊板后受力系的變形可以發(fā)現(xiàn)：支撐系統(tǒng)的扁擔(dān)梁現(xiàn)象基本消除，但支承輥軸承座的扁擔(dān)梁現(xiàn)象則進(jìn)一步加劇。

2.2墊板縮短方案對(duì)軋機(jī)性能及其他零件的影響

2.2.1對(duì)軋機(jī)剛度的影響

如圖2.4所示，墊板縮短后，受力系剛度變小，90000kN軋制力條件下，壓縮變形量從原來的1.66mm增大到1.89mm。影響量為0.026mm/10000kN。

2.2.2對(duì)軸承座應(yīng)力水平的影響

如圖2.5所示，由于本模型對(duì)軸承座未進(jìn)行完整、詳細(xì)建模，因此，計(jì)算結(jié)果僅以相對(duì)量形式進(jìn)行分析：90000kN軋制力條件下，墊板縮短后軸承座應(yīng)力水平上升約15%。

2.2.3對(duì)接觸狀態(tài)的影響

如圖2.6所示，墊板縮短后接觸壓力分布由原來的中間大兩頭小，變成中間小兩頭大方式，而且最高接觸應(yīng)力水平從320Mpa上升到648Mpa。

顯然，墊板縮短后換輥滑架-軸承座間的墊板接觸條件出現(xiàn)了比較明顯的惡化，實(shí)際使用中將表現(xiàn)為磨損速度的加快。

2.3結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案一

此方案也可稱為最小改動(dòng)方案：

（1）將滑架與軸承座之間墊板尺寸由原長度縮短為1100mm；

（2）將弧面墊板的弧度適當(dāng)放緩：建議頂部圓弧半徑從1525mm改成3000mm（圖2.7），目的是增大接觸面積，降低磨損速度。

進(jìn)行這樣的改造以后，理論上，原縱裂紋區(qū)將不再承受拉應(yīng)力，因此，原結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)以后就可以用。

但滑架與軸承座之間墊板的接觸條件會(huì)明顯惡化，因此改造后使用過程中對(duì)滑架以上各零件接觸（磨損）狀態(tài)的監(jiān)測需制度化，對(duì)磨損量進(jìn)行定期量化檢查，當(dāng)磨損量超過一定值（待分析確定）后，需對(duì)零件進(jìn)行及時(shí)更換，對(duì)滑架磨損區(qū)則需進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。

2.4結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案二

方案二的原則是以油缸缸徑為參考，盡可能放大支撐寬度，同時(shí)消除扁擔(dān)梁現(xiàn)象，具體內(nèi)容如下：

（1）以油缸缸徑為參考，盡可能放大支撐寬度（目前結(jié)構(gòu)看是1220mm，還有增大的可能性嗎？），并使支撐系所有墊板長度一致，圖2.8；

（2）將弧面墊板的弧度適當(dāng)放緩：建議頂部圓弧半徑從1525mm改成3000mm目的是增大接觸面積，降低磨損速度；

（3）滑架下凸臺(tái)改造，可以考慮增大滑架下凸臺(tái)的長度（比墊板更長）與寬度（比墊板更寬），從而從根本上防止下凸臺(tái)根部裂紋的產(chǎn)生，甚至可以考慮去掉凸臺(tái)結(jié)構(gòu)；

（4）U形槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)（圖2.9）：

a）縮短U形槽凸緣高度（相同的扁擔(dān)梁效應(yīng)下應(yīng)力水平會(huì)下降）；

b）盡量增大U形槽根部圓角大小，將應(yīng)力集中的影響減到最小；

c）或者完全取消U槽凸緣結(jié)構(gòu)—如果U形槽其實(shí)沒有功能上的需求的話；

進(jìn)行方案改造二以后，墊板接觸狀態(tài)、磨損情況同樣也是需要監(jiān)控的。

2.5結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案三

U形槽區(qū)分離方案（圖2.10）：

（1）將目前滑架的U形槽區(qū)整體切下；

（2）對(duì)U形槽區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部重新設(shè)計(jì)；

（3）對(duì)U形槽區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部重新加工；

（4）新結(jié)構(gòu)與滑架本體以可拆卸方式（如螺栓）進(jìn)行安裝；

（5）滑架與支撐輥?zhàn)g墊片適當(dāng)縮短；

（6）弧形墊片弧度適當(dāng)加大。

本方案的好處在于：

（1）可充分利用目前結(jié)構(gòu)，且不用擔(dān)心焊接修復(fù)質(zhì)量問題，并可有效減少焊接修復(fù)量；

（2）軋制力不再往滑架本體上傳遞，可實(shí)現(xiàn)不重做滑架的條件下無限延長滑架使用壽命；

（3）承受軋制力區(qū)可拆卸，可更換。

2.6結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案四

重做備件方案：

（1）修復(fù)與前面的改造方案實(shí)施以后，使用過程中如果仍無法防止裂紋的產(chǎn)生，則應(yīng)考慮重做備件方案；

（2）備件制作前應(yīng)對(duì)滑架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則應(yīng)主要包括：

a）減重：在滿足使用要求的條件下，盡量減輕重量，由于滑架之際只在U形槽區(qū)承受載荷，其余則只是承受換輥操作過程中的載荷，減重空間巨大；

b）最軋制力傳遞區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與尺寸優(yōu)化，有效控制應(yīng)力水平：疲勞、靜強(qiáng)度安全系數(shù)都在2.0以上（包括理想接觸與非理想接觸狀態(tài)），從而有效防止裂紋的產(chǎn)生；

c）充分重視接觸區(qū)磨損不可避免的事實(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮磨損面的修復(fù)方便性；

d）充分考慮墊板等易磨損結(jié)構(gòu)的拆卸方便性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉偉平.對(duì)軋鋼生產(chǎn)及軋鋼機(jī)械的分析及探討[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2012（7）.