卷取機(jī)卷筒扇形板下垂原因分析及改進(jìn)

劉建生

（天津天鐵冶金集團(tuán)公司熱軋板有限公司，河北056404）

0 前言

天津天鐵冶金集團(tuán)公司熱軋板有限公司1750熱軋生產(chǎn)線卷取機(jī)組布置在精軋機(jī)后，用途是把成型的鋼帶彎曲，卷成鋼卷。卷取機(jī)的設(shè)備狀態(tài)直接影響熱軋的生產(chǎn)節(jié)奏和帶鋼表面質(zhì)量。卷筒是卷取機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，成本大約在200萬左右，出現(xiàn)問題下線修復(fù)周期長達(dá)半年。該卷取機(jī)卷筒是由國內(nèi)某機(jī)械設(shè)備公司制造，采用柱塞——連桿式的結(jié)構(gòu)形式。卷筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度高。在高溫下高速卷取帶鋼過程中，極易發(fā)生卷筒脹縮失效故障，高溫鋼卷無法卸卷，加速了卷筒設(shè)備劣化，也會發(fā)生扇形板及其連接設(shè)備損壞而影響生產(chǎn)的事故。作者對此進(jìn)行了分析，通過采取有效的改進(jìn)措施，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 卷筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)

卷筒主要由卷筒本體、脹縮液壓缸、旋轉(zhuǎn)接頭、位移傳感器、傳動裝置、干油潤滑系統(tǒng)、稀油潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。卷筒設(shè)備簡圖如圖1所示。卷筒本體是卷筒設(shè)備的關(guān)鍵，主要由四片扇形板、一個芯軸、一個空心軸、多個連桿、柱塞及彈簧組組成。扇形板直接接觸帶鋼，采用耐熱耐磨不銹鍛鋼芯軸采用三斜鍥式，安裝在空心軸內(nèi)部，通過哈夫接手與脹縮液壓缸相連，實(shí)現(xiàn)卷筒芯軸的徑向運(yùn)動。同時芯軸上的柱塞式斜楔頂著扇形板，扇形板通過連桿與芯軸連接，通過芯軸的徑向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)卷筒的軸向脹縮。柱塞式斜楔是卷筒的主要受力構(gòu)件。柱塞式安裝彈簧，消除卷筒的軸向間隙，保證卷筒脹縮的精確性。卷筒通過減速機(jī)與傳動結(jié)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)卷筒的旋轉(zhuǎn)。卷筒的內(nèi)部潤滑和液壓油路通過旋轉(zhuǎn)接頭與設(shè)備相連。為了卷筒高速轉(zhuǎn)動時受力均勻和與助卷輥輥?zhàn)拥钠叫卸?，在卷筒的頭部采用外支撐抱緊裝置，如圖1所示。

2 卷筒的工藝過程

卷筒的控制包括脹縮控制、轉(zhuǎn)動控制。卷筒脹縮控制包括卷筒外徑的預(yù)設(shè)定、卷筒的第2次擴(kuò)張以及卷筒的收縮。卷筒直徑的理論脹縮范圍722～770 mm，其中工作直徑為726～770 mm；722 mm為事故縮徑，需手動調(diào)整脹縮油缸機(jī)械止擋。芯軸脹縮控制為位置和壓力雙閉環(huán)控制，位置和壓力檢測數(shù)據(jù)分別來線性位移傳感器和壓力傳感器。

圖1 卷筒及傳動簡圖

卷取機(jī)在待卷狀態(tài)下，卷筒外徑擴(kuò)張到預(yù)設(shè)定值752 mm。待帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)，在助卷輥的協(xié)助下，開始卷取。當(dāng)帶鋼纏繞在卷筒2圈時，卷筒開始第2次擴(kuò)張，其目標(biāo)值為最大卷徑770 mm。在穩(wěn)定卷取過程中，通過對卷筒轉(zhuǎn)矩和速度的控制，實(shí)現(xiàn)卷取帶鋼的張力控制。帶鋼卷取結(jié)束，當(dāng)卸卷小車托住鋼卷、帶尾定位完畢、機(jī)械抱閘關(guān)閉、助卷輥打開后，卷筒收縮至730 mm，外支撐打開，卸卷小車將鋼卷移出，并送至打捆站鞍座。冷卻水打開，外支撐關(guān)閉，對卷筒進(jìn)行冷卻。完成一次卷取后，卷筒擴(kuò)張到待卷直徑752 mm，進(jìn)入下一卷取周期。

3 卷筒設(shè)備故障及原因分析

天鐵熱軋1 750 mm生產(chǎn)線自2007年全線投產(chǎn)后，因設(shè)備調(diào)試及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足，沒有滿負(fù)荷生產(chǎn)，卷取機(jī)設(shè)備故障率較低。但是隨著生產(chǎn)線產(chǎn)能的提高，卷取機(jī)的卷筒出現(xiàn)的故障也明顯增加。2010年9月1#卷筒出現(xiàn)多次脹縮失效，長時間無法卸卷，導(dǎo)致扇形板龜裂紋變多。2010年11月，在生產(chǎn)過程中，1#卷筒扇形板連桿螺栓斷裂，銷軸竄出，致使扇形板一側(cè)下垂，無法滿足生產(chǎn)的事故。

通過觀察最近幾次卷筒的事故現(xiàn)場及查看iba電氣監(jiān)控曲線，可以分析出扇形板連桿銷軸斷裂的影響因素主要有3個：卷筒脹縮失效，高溫及水加速卷筒設(shè)備劣化；卷筒跳動值大，中心線偏移；助卷輥對卷筒扇形板沖擊力強(qiáng)。綜上，對以上問題進(jìn)行研究，分析各自原因。

3.1 影響卷筒脹縮失效的因素

3.1.1 卷筒失脹原因

有以下幾方面：

（1）伺服液壓系統(tǒng)中，伺服閥精度高，流量大，與卷筒脹縮的動作要求不匹配，閥芯長期處于小流量，高壓差狀態(tài)下運(yùn)動，閥芯磨損嚴(yán)重，故障率高。

（2）旋轉(zhuǎn)接頭的設(shè)計缺陷和制造質(zhì)量差，內(nèi)部液壓管路泄壓口與干油管路及冷卻水管路相通，導(dǎo)致干油和冷卻水進(jìn)入液壓回油管路中，液壓油受到污染，導(dǎo)致液壓閥卡阻，卷筒失脹。同時旋轉(zhuǎn)接頭的液壓泄壓口壓力高，導(dǎo)致卷筒伺服閥泄油口背壓高，伺服閥的閥芯不能保持在設(shè)定位置，使伺服閥誤動作，導(dǎo)致卷筒失脹。

（3）在卷筒脹縮時，脹縮油缸沖擊振動大，內(nèi)置磁環(huán)易松動，不能保證內(nèi)置式位移傳感器與磁環(huán)同心。在脹縮油缸進(jìn)行卷筒脹縮過程中，位移傳感器單側(cè)摩擦磁環(huán)，磨損嚴(yán)重，使測得位移傳感器的數(shù)據(jù)信號有誤，引起卷筒失脹。

（4）卷筒本身問題，如柱塞式斜楔磨損及彈簧失效，內(nèi)部拉桿銷軸斷裂及銷孔因磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生的間隙過大等，使卷筒漲徑不夠。

3.1.2 卷筒不能收縮的原因

有以下幾方面：

（1）液壓方面，主要原因是液壓油清潔度不夠閥芯卡阻，使卷筒不能回縮。

（2）脹縮油缸機(jī)械限位失靈，導(dǎo)致脹縮油缸行程變短，卷筒無法收縮，導(dǎo)致不能正常卸卷。

3.2 卷筒扇形板沖擊力大的原因

對卷筒扇形板沖擊力大主要是助卷輥壓力波動大，撞擊卷筒造成的。為了減小帶鋼頭部壓痕，助卷輥在卷取的第2-5圈，采取“AJC”踏步控制方式即當(dāng)帶鋼頭部到達(dá)助卷輥時，助卷輥抬起一定高度，帶鋼頭部通過后，助卷輥再次靠近卷筒。這種控制方式，助卷輥控制精度要求高。當(dāng)助卷輥壓力或位置控制精度超差時，助卷輥就會撞擊帶鋼傷及卷筒，使扇形板及內(nèi)部受力構(gòu)件，加快連桿、銷軸、銷孔的磨損以及連接螺栓受損。

4.3 卷筒頭部跳動值超標(biāo)原因

卷筒頭部跳動值超標(biāo)，導(dǎo)致與助卷輥輥面平行度超差。依據(jù)卷筒頭部支撐軸承型號，查出其軸承間隙為3 mm。在正常情況下，卷筒頭部在外支撐的作用下，卷筒高速旋轉(zhuǎn)過程中，卷筒頭部的跳動值在3 mm以內(nèi)是允許的，否則會導(dǎo)致卷筒頭部軸承破裂。但是當(dāng)外支撐抱緊裝置不能很好的固定卷筒頭部時，卷筒在鋼卷、卷筒重力和帶鋼張力的作用下，卷筒會明顯向左側(cè)外支撐抱緊裝置側(cè)跳動，卷筒頭部更加明顯，導(dǎo)致卷筒頭部中心線偏移量超過3 mm。如圖2所示。由于卷筒跳動大，扇形板與助卷輥棍面平行度超差，助卷輥在踏步控制時，瞬時壓力大，扇形板及內(nèi)部受力構(gòu)件受力不均，特別是對靠近卷筒頭部側(cè)連桿及銷軸、銷孔的沖擊劇烈，加速其磨損，導(dǎo)致扇形板靠近卷筒頭部一側(cè)螺栓損壞、銷軸竄出，扇形板一側(cè)下垂，無法滿足生產(chǎn)要求。

圖2 卷筒頭部跳動示意圖

通過對以上問題進(jìn)行分析，查出扇形板一側(cè)下垂的主要原因?yàn)椋壕硗裁浛s失效；卷筒的中心線偏移超差；卷筒助卷輥壓力大。綜上所述，通過對以上問題進(jìn)行的分析，我們進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)。

4 故障處理及技術(shù)改進(jìn)

4.1 卷筒脹縮故障處理及改進(jìn)

4.1.1 在滿足工藝設(shè)備精度的情況下，優(yōu)化伺服閥的控制方式以及脹縮的控制方式，減小伺服閥油口壓差，提高伺服閥的使用壽命。更換伺服系統(tǒng)濾芯，提高液壓油清潔度；

4.1.2 結(jié)合我廠卷筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與設(shè)計和供貨單位一起分析測量，配套改造干、油、水分離接觸密封式旋轉(zhuǎn)接頭，使干油、液壓油、冷卻水各自獨(dú)立密封，有效地解決了旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部油水互串問題，避免了伺服系統(tǒng)液壓油受到污染。同時針對旋轉(zhuǎn)接頭液壓泄油口，泄漏量大，背壓高的情況，采用一個中繼油箱，把泄油口液壓油通過專用液壓管路流回油箱，避免對伺服系統(tǒng)的干擾。

4.1.3 為防止脹縮油缸內(nèi)置磁環(huán)松動，采用螺栓+彈簧墊的緊固形式固定。

4.1.4 針對卷筒使用特點(diǎn)，采取相應(yīng)措施：

（1）扇形板長期與高溫帶鋼直接接觸，溫度高達(dá)650°。在卷取完成運(yùn)走鋼卷后，又受冷卻水冷卻，扇形板容易產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力，形成龜裂和變形。為延長扇形板壽命和減小變形，調(diào)整冷卻噴嘴數(shù)量及角度，優(yōu)化噴水冷卻時間，做到精準(zhǔn)，均勻，足量的冷卻噴水；同時對卷筒內(nèi)部連桿及銷軸起到很好的降溫保護(hù)作用，此外，防止干油高溫變質(zhì)，堵死管路或分配器，避免造成更大的故障。

（2）扇形板和芯軸通過連桿連接，其中連桿與扇形板通過銷軸和螺栓連接在一起，連桿、芯軸銷孔、銷軸是卷筒最易磨損及易損壞的部位。其中這條螺栓的螺母通常擰緊后焊死，如果斷裂或螺母開焊松動，造成銷軸竄動，嚴(yán)重時造成扇形板脫落。這次扇形板一側(cè)下垂事故的直接原因是螺母松動，銷軸竄出，扇形板失去約束。對此，定期檢查螺母焊口。同時卷筒修復(fù)驗(yàn)收時，檢查銷軸和連桿銷軸的配合間隙、芯軸銷孔補(bǔ)焊材質(zhì)是否符合設(shè)計要求此外確保卷筒脹縮直徑的準(zhǔn)確性，以及加強(qiáng)對助卷輥壓力的控制，減小助卷輥對扇形板及連接構(gòu)件的沖擊震動而導(dǎo)致的磨損和損傷。

（3）柱塞下表面與芯軸斜楔之間采用干油潤滑。選用耐高溫，不易乳化及潤滑好的磺酸鈣基脂柱塞內(nèi)彈簧，用來補(bǔ)償扇形板和芯軸的間隙，一般補(bǔ)償量為4 mm。彈簧承受力大，易損壞，現(xiàn)場無法更換，需選用進(jìn)口。當(dāng)柱塞磨損到一定程度彈簧補(bǔ)償不足時，那么卷筒卷鋼時對扇形板連桿及銷軸螺栓等部位沖擊變大，會加速銷孔磨損及其他部位損壞。

4.1.5 在正常情況下，脹縮油缸機(jī)械限位螺母由兩個內(nèi)六角螺栓固定，使卷筒的工作脹徑從726開始。但在旋轉(zhuǎn)過程中，機(jī)械限位螺母可能會出現(xiàn)松動向前移動，導(dǎo)致油缸行程變短，卷筒不能回縮到位，無法卸卷。所以日常檢修中，要定期緊固螺栓防止限位螺母松動。

4.2 助卷輥對卷筒扇形板沖擊力強(qiáng)的改進(jìn)

改進(jìn)措施是提高助卷輥的踏步精度和降低壓力控制。助卷輥踏步控制采用壓力和位置的雙閉環(huán)控制。將助卷輥進(jìn)入踏步控制壓力環(huán)和位置環(huán)的時間控制在允許的范圍內(nèi)；定期檢測現(xiàn)場壓力傳感器和位移傳感器的精度，保證檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；查看伺服閥iba電氣曲線，將響應(yīng)速度低的伺服閥進(jìn)行更換，保證伺服閥的控制精度；適當(dāng)降低壓力控制值此外，為要定期檢查助卷輥的平行度和其他相應(yīng)機(jī)械連接部位的間隙，及時發(fā)現(xiàn)，及時處理。防止助卷輥的壓力波動，造成對卷筒的額外壓力沖擊。通過以上處理，把助卷輥的壓力波動和位置偏差控制在允許范圍內(nèi)，減小了助卷輥的壓力沖擊。

4.3 卷筒頭部跳動值超標(biāo)的處理措施

在檢修中，檢查外支撐的各個銷軸，軸套磨損量，間隙量超差的及時更換，并做好各個干油潤滑點(diǎn)的工作。其次對外支撐抱緊裝置進(jìn)行更換及卷筒頭部支撐補(bǔ)焊打磨，使外支撐抱緊裝置與卷筒同心度偏差在3 mm以內(nèi)，以保證卷筒扇形板和助卷輥輥面平行，扇形板受力均勻，降低連桿、銷軸、銷孔、螺栓的沖擊損傷。

5 結(jié)束語

通過優(yōu)化卷筒冷卻及伺服系統(tǒng)控制，消除外支撐抱緊裝置間隙，調(diào)整扇形板和助卷輥的平行度定期檢查銷軸螺栓，保證卷筒修復(fù)質(zhì)量等措施，解決了卷筒扇形板銷軸竄出、扇形板下垂的問題，達(dá)到了卷筒使用壽命80萬噸的要求。

[1]張景進(jìn).熱連軋帶鋼生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2]天鐵1750全液壓地下卷取機(jī)使用說明書[Z].中國二重，2006.

[3]王先云.熱軋卷取機(jī)卷筒頭部軸承異常損壞的分析與處理[M].重型機(jī)械，2011.