卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸損壞原因分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

張俊峰

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900 )

0 前言

寶鋼股份某熱拉伸平整機(jī)組(FCL機(jī)組)于2018年9月底熱負(fù)荷試車成功進(jìn)入試生產(chǎn)階段，工藝技術(shù)由寶鋼自主集成。出口段雙卷取，設(shè)置有1#2#卷取機(jī)，其中旋轉(zhuǎn)油缸成套供貨商為奧地利某公司，機(jī)組試生產(chǎn)3個(gè)月后，生產(chǎn)方提出質(zhì)量異議，2#卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿頭部斷裂，斷口特征為受到大應(yīng)力作用的一次性脆性斷裂，現(xiàn)場(chǎng)立即由設(shè)備方成立問(wèn)題應(yīng)急處理小組，通過(guò)對(duì)硅鋼一期至三期類似機(jī)組進(jìn)行橫向比對(duì)，同樣位置的旋轉(zhuǎn)油缸，另外三條機(jī)組使用過(guò)程中未遇到類似問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)同行某鋼廠FCL機(jī)組使用跟蹤情況也未發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題。

1 機(jī)組生產(chǎn)能力及故障

原料為環(huán)形爐退火料(厚度0.15～0.30 mm，寬度900～1270 mm)，成品取向硅鋼NSGO(厚度0.15～0.30 mm，寬度900～1270 mm)，最大抗拉強(qiáng)度450 N/mm2，機(jī)組主要工藝包括清洗、烘干、切邊、酸洗、涂層和退火、激光刻痕等，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力10萬(wàn)噸。2#卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿頭部斷裂如圖1所示，斷口宏觀檢查：兩個(gè)配對(duì)斷口呈現(xiàn)杯錐狀，斷口表面較為粗糙，斷口上存在裂紋快速擴(kuò)展的撕裂棱，斷口表面一圈存在較多微小的從表面向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋擴(kuò)展臺(tái)階，但是未見(jiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展區(qū)域，90%的斷口為瞬斷區(qū)，斷口宏觀檢查如圖2所示。同時(shí)對(duì)1#卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸相同部位進(jìn)行檢查，表面著色探傷有裂紋。

圖1 卷取機(jī)活塞桿頭部斷裂

圖2 斷口宏觀檢查

2 卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)及工作原理

卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，旋轉(zhuǎn)油缸主要用于卷取機(jī)芯軸的漲縮從而達(dá)到穿帶和卸卷的目標(biāo)，主要由伸縮油缸、旋轉(zhuǎn)給油器、磁尺編碼器以及配套的液壓軟管等組成。工作原理：助卷模式下，由程序設(shè)定磁尺編碼器行程，當(dāng)卷取機(jī)扇型板真圓狀態(tài)下(Ф468 mm)，橡膠套筒外徑達(dá)到Ф508 mm，皮帶助卷器處于投入狀態(tài)，此時(shí)可以進(jìn)行穿帶。卸卷模式下，旋轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，芯軸收縮到最小值(Ф428 mm)，相應(yīng)的橡膠套筒外徑縮小至Ф468 mm，可以完成手動(dòng)或者自動(dòng)模式下的卸卷。由助卷模式及卸卷模式來(lái)看，助卷模式直到機(jī)組建張運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)油缸有桿腔始終處于給油狀態(tài)，活塞桿頭部始終受拉應(yīng)力，一旦達(dá)到或者超過(guò)材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度，就有斷裂的可能。卸卷模式下，旋轉(zhuǎn)油缸無(wú)桿腔處于給油狀態(tài)，活塞桿頭部受壓應(yīng)力，此時(shí)斷裂的可能性極小。

圖3 卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸的基本結(jié)構(gòu)

3 卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿斷裂原因分析

圖4為斷裂的活塞桿(此活塞桿為旋轉(zhuǎn)油缸與芯軸拉桿結(jié)合部位)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，外形尺寸規(guī)格如圖，材質(zhì)為C45E，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN10083-1，原材料相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的45#鋼正火處理。斷口宏觀形貌圖如圖5所示，兩個(gè)配對(duì)斷口呈現(xiàn)杯錐狀，斷口表面較粗糙，斷口上存在裂紋快速擴(kuò)散的撕裂棱，斷口表面一圈存在較多微小的從表面向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋擴(kuò)展臺(tái)階，但是未見(jiàn)明顯的裂紋擴(kuò)展區(qū)域，90%的斷口為瞬斷區(qū)，斷口特征為受到大應(yīng)力作用的一次性脆性斷裂。

圖4 斷裂的活塞桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 斷裂件宏觀形貌圖

3.1 金屬材料理化分析

由于懷疑活塞桿材料不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所以及時(shí)將斷裂的活塞桿送到具有國(guó)家級(jí)檢測(cè)資質(zhì)的專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理化檢測(cè)，檢測(cè)報(bào)告結(jié)論如下：

(1)硬度測(cè)試。斷口處從表面到芯部硬度值無(wú)明顯差異，硬度值范圍在147～157 HBW；

(2)力學(xué)性能。斷口下取樣的沖擊試驗(yàn)常溫沖擊功在3.9～4.3 J，該材料的沖擊韌性較差；屈服強(qiáng)度σp≤235 MPa，極限抗拉強(qiáng)度σm≤526 MPa，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值；

(3)金相檢測(cè)。材料中存在較多的非金屬氧化、硫化等非金屬夾雜物，如圖6所示，斷口處與機(jī)體組織相同，組織為：粗片狀珠光體+大塊狀鐵素體，局部鐵素體呈現(xiàn)網(wǎng)狀、針狀分布，如圖7所示，組織具有鑄態(tài)特征，未經(jīng)調(diào)質(zhì)等熱處理；

圖6 復(fù)合夾雜物形貌100×

圖7 斷口處金相組織形貌200×

3.2 小組技術(shù)討論

故障處理小組通過(guò)頭腦風(fēng)暴，列出了一系列可能造成活塞桿斷裂的有關(guān)因素，驗(yàn)證過(guò)程如下：

(1)活塞桿安裝與芯軸拉桿同心度超差，(模擬圖如圖8所示，造成活塞桿法蘭處在芯軸膨脹時(shí)受力不均，正反作用力下產(chǎn)生疲勞斷裂?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證：通過(guò)對(duì)連接罩打百分表，測(cè)試跳動(dòng)在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，此原因排除；

圖8 活塞桿與芯軸拉桿同心度超差模擬圖

(2)芯軸膨脹壓力過(guò)大，超過(guò)了設(shè)計(jì)理論值14 MPa，造成芯軸膨脹時(shí)候活塞桿過(guò)載?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，出口液壓系統(tǒng)自帶壓力變送和安全卸荷功能，系統(tǒng)壓力從來(lái)沒(méi)有高于設(shè)計(jì)壓力14 MPa，此原因排除；

(3)活塞桿自身的材質(zhì)沖擊功和抗拉強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，而設(shè)計(jì)值又不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用工況，造成了疲勞斷裂。理論驗(yàn)證，經(jīng)兩次有限元分析，一次是按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)活塞桿施加14 MPa液壓力，一次是按照理化檢測(cè)實(shí)際值條件下，對(duì)活塞桿施加14 MPa液壓力，兩次得到的活塞桿端部的薄弱點(diǎn)的安全系數(shù)分別是0.30和0.26。顯然這會(huì)給使用帶來(lái)巨大的安全隱患。

3.3 有限元應(yīng)力分析

(1)活塞桿采用45#鋼，正火處理。使用AUTODESK有限元分析軟件，采用如表1的參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，得到設(shè)計(jì)值狀態(tài)下的安全系數(shù)，顯示活塞桿端部倒角處的安全系數(shù)值為0.30，圖9所示為設(shè)計(jì)值狀態(tài)下有限元分析。

表1 活塞桿設(shè)計(jì)理論參數(shù)

圖9 設(shè)計(jì)值狀態(tài)下有限元分析

(2)使用AUTODESK有限元分析軟件，采用如表2的參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，得到理化檢測(cè)實(shí)際值狀態(tài)下的安全系數(shù)，顯示活塞桿端部倒角處的安全系數(shù)值為0.26,如圖10所示理化檢測(cè)值狀態(tài)下有限元分析。

表2 活塞桿理化檢測(cè)實(shí)際參數(shù)

圖10 理化檢測(cè)值狀態(tài)下有限元分析

3.4 旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿斷裂原因

旋轉(zhuǎn)油缸廠家在旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿設(shè)計(jì)和材料選型中產(chǎn)生了兩處失誤。

(1)活塞桿與芯軸拉桿結(jié)合處倒角容易造成應(yīng)力集中，從多次的有限元分析中可以明顯看到，此處的安全系數(shù)往往最低；

(2)材質(zhì)選型時(shí)采用C45E+H+N正火的棒材(棒材直徑Ф310 mm)，二次加工后活塞桿最小處加工到直徑Ф80 mm，按照國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝，此時(shí)應(yīng)該對(duì)粗加工后的棒材做調(diào)質(zhì)等熱處理，但是廠家未做相應(yīng)的熱處理(始終未能夠提供正式的熱處理報(bào)告)，且廠家提供的原材料棒材材質(zhì)報(bào)告值明顯與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物金屬理化檢測(cè)值存在差距，如表3所示。

表3 各項(xiàng)參數(shù)報(bào)告值

旋轉(zhuǎn)油缸在使用過(guò)程中，不可避免的發(fā)生了活塞桿斷裂事故，此旋轉(zhuǎn)油缸供貨商應(yīng)當(dāng)負(fù)有主要責(zé)任。

4 旋轉(zhuǎn)油缸后續(xù)改進(jìn)措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用工況，采取改進(jìn)措施：

(1)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿進(jìn)行改進(jìn)，采用材質(zhì)42CrMo4+QT，原先芯軸膨脹時(shí)的應(yīng)力集中點(diǎn)倒角由R1修改為R8,與之配套的聯(lián)軸器倒角做相應(yīng)的調(diào)整，要求具體參數(shù)如圖11所示；

(2)優(yōu)化卷取機(jī)芯軸膨脹時(shí)候的液壓壓力，參考以往硅鋼同類機(jī)組，芯軸膨脹壓力設(shè)定為10 MPa，優(yōu)化后的卷取機(jī)芯軸膨脹情況進(jìn)行了有限元分析，使用安全系數(shù)不低于1.37，如圖12所示，證明新設(shè)計(jì)的活塞桿是安全可靠的。

圖11 改進(jìn)后的活塞桿結(jié)構(gòu)圖

圖12 改進(jìn)后的活塞桿有限元分析

改進(jìn)措施完成后，新設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿由國(guó)內(nèi)某油缸廠完成制作，替換掉原損壞的1#2#卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)油缸活塞桿，并經(jīng)過(guò)試壓和裝機(jī)調(diào)試完成。經(jīng)過(guò)后續(xù)5個(gè)多月的生產(chǎn)跟蹤，F(xiàn)CL機(jī)組出口卷取機(jī)生產(chǎn)狀況良好，再也沒(méi)有發(fā)生同類的旋轉(zhuǎn)油缸故障。

5 結(jié) 論

開(kāi)卷機(jī)及卷取機(jī)的旋轉(zhuǎn)油缸，是冷軋及硅鋼處理線入出口段的關(guān)鍵設(shè)備，旋轉(zhuǎn)油缸的使用情況直接關(guān)系到機(jī)組生產(chǎn)是否順利，目前國(guó)內(nèi)鋼廠多選擇進(jìn)口旋轉(zhuǎn)油缸如GAT、格力樂(lè)、漢斯、密特斯、杜博林等廠家的及國(guó)內(nèi)幾個(gè)廠家的旋轉(zhuǎn)油缸，質(zhì)量上參差不齊。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮旋轉(zhuǎn)油缸的使用工況和活塞桿材質(zhì)的變化、旋轉(zhuǎn)接頭密封形式、接口的尺寸、熱處理的方式等，恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇。通常情況下，對(duì)于活塞桿直徑較大的，至少選擇45#鍛鋼+調(diào)質(zhì)處理，如果對(duì)于旋轉(zhuǎn)油缸采購(gòu)成本沒(méi)有嚴(yán)格控制可以選擇42CrMo4+QT，對(duì)于旋轉(zhuǎn)油缸制造廠家，要求其必須提供所有的熱處理報(bào)告和材質(zhì)合格報(bào)告。設(shè)計(jì)角度來(lái)看，通過(guò)不斷地改進(jìn)和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)油缸，其在冷軋?zhí)幚砭€中，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。