卷取機(jī)旋轉(zhuǎn)頭螺栓斷裂原因分析及對(duì)策

劉冰揚(yáng)，于超超，曾小明，楊世勇，李 旭

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

卷取機(jī)是冷軋薄板生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，常見(jiàn)于脫脂平整、連退以及鍍鋅鍍錫等生產(chǎn)機(jī)組的末端。卷取機(jī)為帶鋼提供張力并將其卷取成緊密整齊的鋼卷，以便生產(chǎn)運(yùn)輸和貯存[1]。在高速連續(xù)化的生產(chǎn)線上，常安裝兩臺(tái)卷取機(jī)交替工作，以保證連續(xù)的生產(chǎn)節(jié)奏。卷筒是卷取機(jī)的核心部件，卷筒的工作狀態(tài)不僅直接決定卷取機(jī)的工作能效，更會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，卷筒的運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組的生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用[2]。

1 卷筒結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 卷筒結(jié)構(gòu)

某連退機(jī)組的卷筒形式為封閉四斜楔式的卷取機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。該封閉四斜楔式卷筒形狀對(duì)稱，動(dòng)平衡性能好[3]，斜楔頂面和扇形塊表面可以構(gòu)成一個(gè)整圓?；诖私Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，卷筒在卷取薄帶時(shí)不易產(chǎn)生壓痕，適用于高速卷取的連退、鍍鋅和鍍錫等薄板機(jī)組。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 卷筒的工作原理

卷筒執(zhí)行的是旋轉(zhuǎn)與脹縮結(jié)合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其中旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，卷筒是減速箱的低速輸出軸。卷筒徑向的膨脹收縮動(dòng)作是由液壓驅(qū)動(dòng)，卷筒端部的脹縮液壓缸推動(dòng)拉桿作軸向運(yùn)動(dòng)，與拉桿裝配在一起的十字推頭帶動(dòng)軸向斜楔沿著芯軸軸上的滑槽作往復(fù)滑動(dòng)[4]。當(dāng)脹縮液壓缸做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉桿帶動(dòng)軸向斜楔被拉回，徑向斜楔和扇形塊產(chǎn)生徑向位移，卷筒脹徑；同樣的，當(dāng)脹縮液壓缸做反向動(dòng)作時(shí)，軸向斜楔被推出，徑向斜楔和扇形塊在碟簧恢復(fù)力的作用下收縮，卷筒縮徑。

2 旋轉(zhuǎn)頭螺栓斷裂現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障表象

該故障始發(fā)于卷取機(jī)正常服役期的第三年，故障表現(xiàn)為卷筒端部旋轉(zhuǎn)頭的螺栓發(fā)生斷裂。旋轉(zhuǎn)頭與芯軸的聯(lián)接面圓周上共裝有8條螺栓，如圖2所示，螺栓位置編號(hào)分別為1#～8#。經(jīng)觀察統(tǒng)計(jì)，5#和6#位置螺栓斷裂的頻次顯著高于其他位置，螺栓斷口均位于螺栓頭桿連接處，而且螺栓斷裂發(fā)生的頻次與卷筒服役時(shí)間呈顯著的正相關(guān)性。

圖2 卷筒端面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接觸面及螺栓斷口形貌分析

將旋轉(zhuǎn)頭拆解后對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有大量金屬粉屑?xì)埩?，如圖3a所示。將內(nèi)部各面清洗干凈后可見(jiàn)旋轉(zhuǎn)頭和卷筒連接面形貌均呈現(xiàn)明顯的金屬表面疲勞磨損特征，如圖3b所示，測(cè)量磨損量約為1 mm。檢查螺栓孔內(nèi)壁可見(jiàn)明顯螺紋磨痕，如圖3c所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)頭磨損形貌

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行目視檢查，其斷口周圍沒(méi)有明顯的損傷和塑性變形，斷面比較平整，斷口附近未見(jiàn)與斷裂有關(guān)的冶金缺陷，宏觀形貌如圖4所示，位于螺栓的頭-桿過(guò)渡區(qū)，并沿圓角根部(結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中部位)機(jī)械分離，未見(jiàn)明顯的損傷和塑性變形，斷面比較平整。螺栓頭部斷口均可見(jiàn)起始于螺桿外圓面的月牙形深色D區(qū)域，為裂紋源區(qū)[5]；面積約1/4斷口的E區(qū)域有明顯的放射狀條紋是裂紋擴(kuò)展區(qū)，其余面積為1/2斷口的F區(qū)呈銀灰色，具有金屬光澤，具有剪切脣形貌的瞬斷區(qū)，是后期斷裂的新鮮斷口。根據(jù)斷口宏觀形貌可以判斷螺栓是由于受到了徑向切力從而導(dǎo)致斷裂。

圖4 螺栓斷口形貌

2.2 螺栓斷裂原因分析

旋轉(zhuǎn)頭與卷筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，由8條螺栓聯(lián)接緊固在一起，螺栓螺桿直徑d=24 mm，螺栓螺紋M24×1.5。螺栓所用材料為42CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后抗拉強(qiáng)度σb=1000 MPa，屈服強(qiáng)度σs=900 MPa。根據(jù)裝配標(biāo)準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)頭初次裝配到芯軸上時(shí)，對(duì)聯(lián)接螺栓施加的擰緊力矩為651 N·m。擰緊力矩T用來(lái)克服螺紋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩T1以及聯(lián)接面間的摩擦阻力矩Tm，因此可以得出[6]：

T=T1+Tm

(1)

式中，

(2)

(3)

式中，F(xiàn)′為螺栓的初始預(yù)緊力，當(dāng)螺距P取1.5時(shí)，螺紋中徑d2=23.026 mm，螺紋升角φ=arctan[P/(π·d2)]=2.37°， 螺紋副的當(dāng)量摩擦角φ=arctan(fv)=5.71，其中螺紋副的摩擦系數(shù)fv取0.1，鋼制加工面的摩擦系數(shù)fe此處取值0.10。變化式(2)、(3)可得螺栓初始預(yù)緊力F′。

(4)

將各數(shù)值代入式(4)可求得螺栓的初始預(yù)緊力F′=199 161.5 N。在預(yù)緊力F′作用下，接觸面間的摩擦力為

Fm=m·fe·F′

(5)

式中，m為接觸面的個(gè)數(shù)，暫取最小值1；此處fe作為磨損后接觸面的摩擦系數(shù)，取范圍最大值0.16，代入式(5)可得，F(xiàn)m=31 865.84 N；則接觸面的摩擦力矩為

Tm=Fm·R

(6)

當(dāng)接觸面之間出現(xiàn)疲勞磨損后，兩個(gè)接觸面不再平整且會(huì)出現(xiàn)橫向相對(duì)位移，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，螺栓在斷裂前均出現(xiàn)過(guò)松動(dòng)的情況，根據(jù)相關(guān)理論研究[7-11]，橫向(即垂直于螺栓軸線)的載荷或位移對(duì)螺栓松動(dòng)的影響最大。通螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境下,緊密配合的螺紋接觸面會(huì)發(fā)生幅值極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生微動(dòng)磨損[12],繼而造成螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)、咬死等現(xiàn)象。因螺栓松動(dòng)導(dǎo)致預(yù)緊力下降造成了摩擦力矩降低，變換式(5)、(6)可得損失的摩擦力矩

ΔTm=m·fe·(F′-Fs)·R

(7)

式中，F(xiàn)s為剩余預(yù)緊力，假設(shè)Fs=0.7F′；R為螺栓分布中心圓半徑，已知R為142.5 mm，代各數(shù)值代入式(7)得出ΔTm=1 362.26 N·m 。損失的力矩由螺桿承擔(dān)，因此螺桿受到力矩在數(shù)值上等于損失的摩擦力矩。根據(jù)材料力學(xué)螺栓受到的切應(yīng)力表示為

τ=ΔTm/W

(8)

其中W為抗扭截面模量[13]W=π·d3/16，d取螺栓螺桿設(shè)計(jì)最大外徑25.9 mm，將各數(shù)值代入式(8)計(jì)算得出，τ=399 MPa，螺栓的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

[τ]=0.5～0.6·[σ]

(9)

[σ]=σb/n

(10)

其中，[σ]為螺栓的許用拉應(yīng)力，σb為螺栓抗拉強(qiáng)度，σb=1 000 MPa；n為安全系數(shù)，取值范圍為1.5～2，因螺栓承受較大的動(dòng)載荷因此取n=2，將各數(shù)值代入式(9)、(10)計(jì)算得出，[]=300 MPa。[]小于螺栓會(huì)發(fā)生過(guò)載斷裂。若將螺栓強(qiáng)度等級(jí)提高到12.9級(jí)，即螺栓抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，進(jìn)行同樣的計(jì)算得出[]=360 MPa小于，螺栓依然會(huì)發(fā)生過(guò)載斷裂，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合。

綜合上述分析可以得出結(jié)論，在卷筒初始卷曲或卷曲完畢時(shí)，旋轉(zhuǎn)頭頻繁制動(dòng)或啟動(dòng)，接觸面磨損導(dǎo)致摩擦力降低則剩余制動(dòng)力傳遞到緊固螺栓。長(zhǎng)期的動(dòng)作導(dǎo)致螺栓松動(dòng)并產(chǎn)生微動(dòng)損傷，螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)松動(dòng)的情況下，螺栓受到垂直于軸線的剪切力從而發(fā)生斷裂。因螺栓頭部與螺栓桿有較大截面變化，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且卷筒與旋轉(zhuǎn)頭產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)后，在螺栓頭部切邊處頂點(diǎn)為受力點(diǎn)，扭斷部位發(fā)生在螺栓頭部與螺栓桿的連接處。

3 對(duì)策及措施

3.1 旋轉(zhuǎn)頭材質(zhì)及工藝優(yōu)化

旋轉(zhuǎn)頭原用材質(zhì)為德標(biāo)(DIN EN 10250-2)中的C60E，其對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)牌號(hào)為60號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[14]。為提高旋轉(zhuǎn)頭各接觸面的耐磨性，可將旋轉(zhuǎn)頭材質(zhì)改為42CrMo并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，42CrMo調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力[14]，在此基礎(chǔ)上對(duì)旋轉(zhuǎn)頭φ325內(nèi)表面的加工增加一道激光淬火工序，由此可在不改變其尺寸精度的條件下，使旋轉(zhuǎn)頭具有更好的表面硬度以及力學(xué)性能，提高其強(qiáng)度和耐磨性從而延長(zhǎng)使用壽命。

3.2 旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)公差配合設(shè)計(jì)原則，e級(jí)的間隙配合通常適用于大跨距、多支點(diǎn)支承等要求有明顯間隙，易于轉(zhuǎn)動(dòng)的支承配合[14]。結(jié)合旋轉(zhuǎn)頭的設(shè)計(jì)功能和實(shí)際工況以及上文的分析計(jì)算可知，較小的間隙配合更有利于旋轉(zhuǎn)頭與卷筒的連接緊固，更便于兩結(jié)構(gòu)件對(duì)中同心。因此為了保證各接觸面提高配合性能，可將兩零件配合尺寸由φ220H7/e9優(yōu)化為φ220H7/g6，從而將軸孔配合的最大間隙由0.261 mm縮小為0.09 mm，與此同時(shí)仍能保證旋轉(zhuǎn)頭便于自由拆裝。

在磨損不可避免的情況下，應(yīng)盡量使磨損均勻避免局部劇烈磨損，因此對(duì)接觸面的加工增加同軸度要求，保證其與基準(zhǔn)面的同軸度在0.03 mm以內(nèi)。另一方面可以通過(guò)加大承載面積減小摩擦表面壓強(qiáng)從而提高零件的耐磨性，因此將圖5所示尺寸95 mm優(yōu)化為90 mm同時(shí)尺寸130 mm不變，由此增加接觸面寬度從而加大兩零件承載接觸面的接觸面積。

圖5 旋轉(zhuǎn)頭制造圖

3.3 卷筒的保養(yǎng)與維修

在卷筒的漲縮過(guò)程中扇形板承受鋼卷壓力、徑向斜楔頭部承受徑向拉力同時(shí)斜面燕尾槽承受軸向的拉力，雖然冷軋卷取機(jī)的外在工況條件相對(duì)清潔良好，但在長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)節(jié)奏下的扇形板和斜楔受力部位易發(fā)生疲勞斷裂。一般而言，此類結(jié)構(gòu)卷筒通常在連續(xù)運(yùn)行12至18個(gè)月進(jìn)行一次拆解檢查。此期間應(yīng)重點(diǎn)檢查卷筒與旋轉(zhuǎn)頭連接端面磨損情況以及螺紋孔內(nèi)螺紋有無(wú)損傷，若存在損傷應(yīng)將其修復(fù)后再裝配旋轉(zhuǎn)頭。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，一般建議在卷筒連續(xù)使用48個(gè)月左右將其從卷取機(jī)上拆下并整體更換新卷筒，下線卷筒送至維修工廠進(jìn)行拆解檢查和修復(fù)，在此期間應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)頭配合尺寸是否超差，以及φ220h6和φ325H7處的同軸度檢測(cè)，應(yīng)保證與基準(zhǔn)面同軸度在0.02以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了封閉四斜楔式卷筒在連退機(jī)組的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)組成及受力分析等方面分析了生產(chǎn)中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)頭聯(lián)接螺栓斷裂的故障原因，并針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，本文技術(shù)改進(jìn)措施有效的解決了螺栓斷裂問(wèn)題，自實(shí)施后至今再未發(fā)生類似的故障。通過(guò)提升旋轉(zhuǎn)頭與芯軸的聯(lián)接強(qiáng)度及耐磨等性能，顯著提高了卷筒運(yùn)行的穩(wěn)定性及使用壽命，保障了連退機(jī)組高速、穩(wěn)定的生產(chǎn)節(jié)奏。