卷取機(jī)芯軸斷裂事故分析及修復(fù)

梅如敏， 余 軍

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司技術(shù)中心， 江蘇 常州 213019)

引 言

卷取機(jī)用于將帶鋼卷取成卷，廣泛應(yīng)用于帶鋼冷軋機(jī)組和酸洗、連退、涂鍍、精整等各機(jī)組中。由于冷態(tài)板帶卷取具有張力大、速度高、卷取質(zhì)量好等工藝要求，冷態(tài)板帶生產(chǎn)過程中所使用的卷取機(jī)絕大多數(shù)采用卷筒式卷取機(jī)。卷筒作為卷取機(jī)的核心零部件，決定了卷取機(jī)的適用范圍、使用壽命、軋制工藝設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。卷筒在使用一段時(shí)間后必須下機(jī)進(jìn)行修復(fù)保養(yǎng)，以提高其使用壽命，保證其使用精度。

卷取機(jī)芯軸為卷筒的最重要零件，在高速旋轉(zhuǎn)工作過程中承受較大的卷取張力和鋼卷重量，因而芯軸一般采用合金鋼鍛件制造，以確保卷取時(shí)有足夠的強(qiáng)度和剛性、卷筒能有較長的使用壽命。但芯軸的鍛件毛坯生產(chǎn)周期較長，且卷筒加工精度高、制造裝配復(fù)雜，使得卷筒整個(gè)制造周期較長。為防止因意外事故造成卷取機(jī)卷筒較長時(shí)間的停機(jī)，也便于卷筒正常的下機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，生產(chǎn)現(xiàn)場一般均備有整體卷筒備件，在發(fā)生事故或正常的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)能快速地更換卷筒備件，而不影響生產(chǎn)，減少停機(jī)損失。

某公司冷酸機(jī)組卷取機(jī)在使用4年多后，發(fā)生芯軸斷裂事故，而現(xiàn)場沒有卷筒備件可以及時(shí)更換，雖經(jīng)多方努力，盡最大努力搶修了一根芯軸及卷筒，但也造成了很大的停機(jī)損失。本文針對該起芯軸斷裂事故進(jìn)行原因分析，并介紹修復(fù)方案，為該類事故做一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 原因分析

該冷酸機(jī)組卷取機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。卷筒為四斜楔閉式結(jié)構(gòu)，帶鉗口，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。芯軸多處加工有燕尾槽、直槽等，并在外支撐軸頭處加工有4個(gè)方形柱。外支撐軸頭與芯軸在方形柱處通過4個(gè)螺栓連接，卷取時(shí)螺栓及芯軸方形柱承受較大的彎曲力矩。芯軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該卷筒在用戶現(xiàn)場使用4年多，從未更換或修復(fù)，只進(jìn)行過加潤滑油等簡單的維護(hù)工作。在生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)外支撐軸頭部位一根螺栓斷裂，用戶現(xiàn)場更換螺栓時(shí)，并未引起警覺。其后2個(gè)月，又發(fā)現(xiàn)相同部位螺栓斷裂一根，換上新螺栓不久，即發(fā)現(xiàn)卷筒不能正常脹、縮，拆卸卷筒外支撐軸頭后發(fā)現(xiàn)芯軸4個(gè)方形柱斷裂2根，斷裂部位正位于芯軸方形柱根部圓角處。斷裂實(shí)物如圖3所示。

圖1 卷取機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)形式

圖2 芯軸結(jié)構(gòu)圖

圖3 斷裂實(shí)物圖

該卷筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)仔細(xì)考慮芯軸的強(qiáng)度和剛性等影響，尤其是芯軸方形柱處。對原設(shè)計(jì)的芯軸進(jìn)行有限元計(jì)算，查找其芯軸設(shè)計(jì)的薄弱之處，分析其斷裂原因。

芯軸有限元計(jì)算的工況條件(現(xiàn)場實(shí)際使用)如下：

帶鋼材質(zhì)：不銹鋼304；帶鋼厚度：Max.2.0 mm；帶鋼寬度：Max.1300 mm；卷取卷重：Max.20 t；卷取張力：Max.7 t；卷取速度：Max.120 m/min。卷取機(jī)帶外支撐工作。

原設(shè)計(jì)芯軸有限元計(jì)算按兩種情況考慮：外支撐軸頭處無螺栓作用和有螺栓作用。芯軸有限元計(jì)算結(jié)果如圖4，5所示。從圖4可以看出，外支撐軸頭處無螺栓作用時(shí)，方形柱圓角處的應(yīng)力非常大，尤其是內(nèi)圓角處(圖2中R1處)，應(yīng)力值已接近芯軸材料的許用疲勞極限值(芯軸為42CrMo鍛件，調(diào)質(zhì)處理)。若芯軸機(jī)加工精度達(dá)不到要求或材料略有缺陷，則芯軸極易發(fā)生疲勞斷裂，壽命較低。若外支撐軸頭處的四根螺栓預(yù)緊到位，則芯軸方形柱圓角處的最大應(yīng)力會降低27%；此時(shí)，芯軸方形柱圓角R1，R2處仍為應(yīng)力集中處，應(yīng)力較大，且方形柱整體應(yīng)力也較大。若增大芯軸方形柱處圓角，則應(yīng)力還會降低。如圖6所示，R1處的圓角由5 mm增大至20 mm，則最大應(yīng)力也下降，最大應(yīng)力區(qū)域也轉(zhuǎn)移到R2區(qū)域。若增大R2處圓角、或增大方形柱截面尺寸，芯軸應(yīng)力還會下降。但因卷筒結(jié)構(gòu)的限制，R2處圓角和方形柱的截面尺寸都不能做較大改動。

圖4 芯軸有限元計(jì)算結(jié)果(無螺栓作用)

圖5 芯軸有限元計(jì)算結(jié)果(有螺栓作用)

圖6 芯軸有限元計(jì)算結(jié)果(增大圓角R1)

由此分析可知，外支撐軸頭處螺栓的預(yù)緊(及防松)對芯軸強(qiáng)度、壽命等有很大的影響，而芯軸方形柱的結(jié)構(gòu)(圓角尺寸等)也有較大的影響，這些是造成芯軸斷裂的主要因素；從現(xiàn)場螺栓和芯軸斷裂事故發(fā)生情況來看，也印證了這一點(diǎn)。該卷筒及芯軸的修復(fù)也是從這些方面進(jìn)行實(shí)施的。

2 修復(fù)方案

因該用戶一直沒有采購卷筒備件，而芯軸鍛件也無存件，需較長周期才能采購到。因此，采用原斷裂芯軸利舊并修復(fù)的方法以應(yīng)對現(xiàn)場急需。

芯軸修復(fù)方案如圖7所示。原卷筒拆卸后運(yùn)至制造廠，將舊芯軸斷裂部分割掉并加工成圖7所示結(jié)構(gòu)，并重新投料制作芯軸軸頭部分。將加工后的舊芯軸和新制軸頭進(jìn)行冷裝，保證過盈量在0.15 mm以上，并用螺栓緊固聯(lián)結(jié)。新制軸頭與舊芯軸上的各槽中心保持一致，新制軸頭上各槽尺寸略微加大，不影響卷筒脹、縮功能。新制軸頭R1處圓角增大至20 mm。新制軸頭方形柱截面向圓心方向單邊增厚2.5 mm，同時(shí)增大方形柱根部周邊的圓角。因卷筒結(jié)構(gòu)尺寸限制，方形柱截面尺寸未能作更大的改動。

按上述方案修復(fù)芯軸的有限元計(jì)算結(jié)果如圖8所示(工況條件同前)，可見芯軸最大應(yīng)力有較大降低，方形柱圓角根部的應(yīng)力狀況得到一定優(yōu)化。

圖7 芯軸修復(fù)方案圖

圖8 修復(fù)芯軸有限元計(jì)算結(jié)果

芯軸修復(fù)完成后，將原卷筒上其它零部件重新裝配至修復(fù)芯軸上(少量磨損較大的零件更換或修復(fù))，各螺栓預(yù)緊，并做卷筒脹、縮動作。經(jīng)過動作實(shí)驗(yàn)及檢測，修復(fù)后的卷筒動作無卡阻，卷筒脹圓、縮圓尺寸與原設(shè)計(jì)值完全一致。

3 結(jié)束語

在各方的努力下，經(jīng)過6天的緊急搶修，斷裂的卷筒經(jīng)修復(fù)后重新上機(jī)使用。幾個(gè)月以來，該卷筒還在線正常運(yùn)行，而新制的卷筒備件也已制作完成，可隨時(shí)更換在線的卷筒。

此次卷取機(jī)芯軸斷裂事故及其原因分析、修復(fù)方案制定及實(shí)施，為處理類似事故提供了一個(gè)較好的案例。在設(shè)計(jì)過程中，可參考這些實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更合理、更能滿足用戶使用壽命要求的卷筒。