余愛祥 高衛(wèi)軍 周鐵強 范 春

(二重(德陽)重型裝備有限公司重型機械設(shè)計研究院，四川610052)

某冷軋廠有一條酸洗冷連軋生產(chǎn)線，采用雙開卷機人工半自動上卷方式上卷。但是現(xiàn)場兩臺上卷小車均多次發(fā)生車輪軸斷裂故障，嚴重影響該廠生產(chǎn)效率。經(jīng)查閱相關(guān)資料，其它鋼廠使用的上卷小車均未出現(xiàn)類似現(xiàn)象，因此對上卷小車的車輪軸發(fā)生斷裂故障的原因分析及處理無可參考案例。鑒于此臺設(shè)備工作過程中涉及機械、液壓及電氣方面，我們從這三方面對車輪軸斷裂原因進行分析，找出問題根源，并制訂相應(yīng)的改進措施，為以后上卷小車的設(shè)計提供參考。

1—V型鞍座 2—鋼卷 3—開卷機卷筒 4—主動輪 5—減速電機 6—升降架 7—升降液壓缸 8—被動輪

1 上卷小車車輪軸斷裂部位

上卷小車結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，減速電機驅(qū)動主動輪，實現(xiàn)往返運動，V型鞍座安裝在升降架上，升降液壓缸驅(qū)動升降架上升、下降運動。

上卷過程中被動輪在開卷機側(cè)，現(xiàn)場斷的軸為被動軸，斷口位置在開卷機入口處，具體位置見圖2。圖3 為現(xiàn)場上卷小車斷軸實物圖。

圖2 上卷小車軸斷部位Figure 2 The fracture location of coil car shaft

圖3 上卷小車斷軸實物圖Figure 3 The physical map of the fracture shaft of coil car

2 上卷小車車輪軸斷裂原因分析

上卷小車技術(shù)參數(shù)：

單個鋼卷重量m1：≤28 000 kg(實際生產(chǎn)≤20 000 kg)

升降架重量m2：8146 kg

移動行程：22 000 mm

移動速度：30～250 mm/s

升降速度：30～100 mm/s

小車定位精度：±10 mm

升降架液壓缸：?160×950 mm，工作壓力14 MPa

2.1 上卷電氣控制過程分析

上卷小車與開卷機位置關(guān)系如圖4所示。上卷電氣控制過程為：

(1)上卷小車從鞍座上托起鋼卷，橫移至等待位；

(2)對中鋼卷卷心與開卷機卷筒中心；

(3)上卷小車橫移，使鋼卷套入開卷機卷筒；

(4)卷筒漲徑；

(5)漲徑完成后，壓輥壓上；

(6)開卷機外支撐閉合；

(7)開卷機緩慢反轉(zhuǎn)，調(diào)整帶頭位置；

(8)上卷小車升降架下降，橫移離開；

(9)開卷導板伸出，將帶鋼引入夾送輥；

(10)夾送輥閉合，夾住帶鋼；

(11)卷筒正轉(zhuǎn)，夾送輥夾送帶鋼至雙層剪剪切帶頭。

圖4 上卷小車與開卷機等位置關(guān)系圖Figure 4 The positional diagram of coil car and uncoiler

檢查自動化控制程序，上卷小車托住鋼卷，對中卷心后，將卷套上卷筒，卷筒開始漲徑，漲徑完成后壓輥壓上。由于鋼卷形狀不規(guī)則，對中后的部分鋼卷中心比卷筒中心高。漲徑時，卷筒直徑增大，此時出現(xiàn)鋼卷小車擋住卷筒漲徑的現(xiàn)象，卷筒繼續(xù)漲徑，漲徑力一直作用在上卷小車上(見圖5)。調(diào)整鋼卷帶頭位置時，開卷機需要反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程中給上卷小車一個反轉(zhuǎn)力矩，被動軸在開卷機正下方，帶鋼入口方向受有額外負載，與現(xiàn)場被動軸斷裂位置一致。

圖5 漲徑時鋼卷中心與卷筒中心位置Figure 5 The center of steel coil and center of reel at the rise of diameter

2.2 液壓控制原理分析

結(jié)合上卷電氣過程，檢查液壓控制回路，上卷小車升降液壓缸上升至一定高度后，液壓鎖緊，使鋼卷保持高度不變。

當出現(xiàn)不規(guī)則鋼卷時，卷筒漲徑到一定程度后壓住上卷小車，并繼續(xù)漲徑至完成漲徑。上卷小車被液壓鎖緊后保持高度位置不變，卷筒位置只能上移，才能完成漲徑。這就是現(xiàn)場卷筒頭部出現(xiàn)上翹現(xiàn)象的原因，嚴重時整個開卷機浮動底座都被抬起。

2.3 車輪軸強度校核

車輪被動軸受力情況如圖6所示。

受力簡圖見圖7(a)，剪力圖見圖7(b)，彎矩圖見7(c)。

F=(m1+m2)g/4= 70365 N

M=FL=70365×0.25=17591.25 N·m

根據(jù)軸的剪力圖及彎矩圖，危險面為圖6中所示的a-a截面。軸徑D=?90 mm。

抗彎模量為：

W=πd3/32=0.0000715 m3

彎曲應(yīng)力為：σ=M/W=246 MPa

車輪軸危險截面是臺階面，應(yīng)力比較集中。

圖6 車輪被動軸受力圖Figure 6 The force diagram of the passive shaft of wheel

(a)受力簡圖(b)剪力圖(c)彎矩圖

圖8 有限元分析a-a截面處應(yīng)力Figure 8 The finite element analysis of the stress at a-a section

車輪軸材料為42CrMo，熱處理狀態(tài)硬度為214～286 HBW。

查標準得：σb=800～950 MPa，σs=550 MPa

根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及標準得Kσ=2.055

考慮應(yīng)力集中，σ′為：

σ′=Kσ×σ=2.055×246=505.5 MPa

使用過程中，由于不能精確計算漲縮缸及開卷機對上卷小車的作用力，車輪軸所受載荷計算不夠精確，許用安全系數(shù)[S]=1.5～1.8。

此工況下安全系數(shù)為：

S=σs/σ′=1.088

因此，該車輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，強度不足。

2.4 采用有限元法校核軸強度

我們利用有限元方法判斷軸的危險面，并校核軸危險面的強度。有限元分析a-a截面處應(yīng)力圖如圖8所示。

根據(jù)車輪軸的結(jié)構(gòu)尺寸建立幾何模型，左側(cè)中心約束軸向位移及垂直位移，右側(cè)車輪中心約束軸向位移，軸承中心處有鋼卷和小車自身重力的1/4壓力。分析結(jié)果等效應(yīng)力σ=514 MPa。

該結(jié)果與彎曲理論計算相差不大，因此上述計算是合理的，可以用作車輪軸強度判斷依據(jù)。

3 現(xiàn)場整改方案及實施效果

3.1 電氣控制程序整改

首先修改自動化控制程序參數(shù)。鋼卷對中參數(shù)，設(shè)定為鋼卷中心比卷筒中心低10 mm。觀察現(xiàn)場開卷機卷筒漲徑過程，在卷筒漲徑時，大部分鋼卷消除了往下壓住上卷小車的現(xiàn)象。修改后漲徑時鋼卷中心與卷筒中心位置如圖9所示。

3.2 液壓控制原理整改

在液壓控制系統(tǒng)中增加溢流閥，溢流值設(shè)定為上卷小車承受重力時升降的1.5倍，即小車承受正常載荷的1.5倍。

為了不影響生產(chǎn)，同時施工操作盡量簡便，現(xiàn)場采用方案如下：在液壓控制系統(tǒng)閥組中的平衡閥下加裝一個過渡閥，溢流閥插裝在該過渡閥上。委托加工過渡閥及采購溢流閥等配件，在設(shè)備檢修時完成方案實施。

3.3 車輪軸結(jié)構(gòu)尺寸整改

為了減小危險截面a-a的彎曲應(yīng)力，采取以下有3個措施：

圖9 修改后漲徑時鋼卷中心與卷筒中心位置Figure 9 The center of the steel coil and the central position of the reel in the modified rise diameter

圖10 現(xiàn)場整改方案Figure 10 The rectification scheme at site

(1)減小力臂長度尺寸L1，加大危險截面a-a截面尺寸，即加大軸徑。

(2)減小力臂長度尺寸L1，即上卷小車兩輪子跨距減小或者加大兩軸承間距，需要改變基礎(chǔ)上軌道間距或車架結(jié)構(gòu)，改造周期長，改造成本高。

(3)現(xiàn)場選擇增加車輪軸直徑的方案。

式中，[S]取值1.8，Kσ取值為2，[σ-1]為材料許用彎曲應(yīng)力?，F(xiàn)場選擇軸徑d=140 mm，具體整改方案如圖10所示。

3.4 實施效果

上述3個措施實施后，上卷小車正常運行15個月至今未出現(xiàn)車輪軸斷裂的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場操作人員反饋，未出現(xiàn)卷筒上翹現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時，應(yīng)從機械、電氣和液壓三個方面系統(tǒng)整體地分析原因，方能找出導致設(shè)備故障的所有因素。

(2)上卷小車車輪軸斷裂主要是由于軸的結(jié)構(gòu)尺寸不合理，造成強度不足產(chǎn)生的。

(3)作為設(shè)備系統(tǒng)的一部分，電氣、液壓設(shè)計不當會產(chǎn)生額外負載，影響設(shè)備整體正常運行。

(4)生產(chǎn)過程中，優(yōu)化設(shè)備的電氣和液壓控制可以消除負面影響，減小設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)尺寸，降低設(shè)備投入成本。

(5)本次處理上卷小車車輪軸斷裂故障有顯著作用，達到了處理效果，實現(xiàn)了連續(xù)高速、高效生產(chǎn)。

[1] 鄒家祥. 軋鋼機械[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2000.

[2] 單輝祖，等 . 材料力學[M] . 北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[3] 王文斌，等 . 機械設(shè)計手冊[M] . 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 張文志. 機械結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2006.

[5] 王慶五. ANSYS10.0機械設(shè)計高級應(yīng)用實例[M]. 機械工業(yè)出版社, 2006.