淺析800軋機(jī)軋輥斷裂故障原因及改進(jìn)措施

劉鐵軍，王芝

（湖南華菱湘鋼棒材廠，湖南 湘潭 411101）

1 概述

棒材800 軋機(jī)是我廠二棒生產(chǎn)線開坯粗軋機(jī)，2012 年集中出現(xiàn)了5 次800 軋輥扁頭斷裂生產(chǎn)中斷的事故，2017 年也出現(xiàn)幾起斷輥事故，影響到我廠的正常生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行。如下圖，800 軋機(jī)是二輥可逆閉口式軋機(jī)，由一臺(tái)3250kW 的電機(jī)單軸帶動(dòng)，通過人字齒分配出兩根接軸，接軸虎口帶動(dòng)800 軋輥（圖1）的扁頭式輥頭，實(shí)現(xiàn)軋輥的軋制傳動(dòng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 軋輥零件三維立體圖圖

圖2 800 軋機(jī)軋輥傳動(dòng)示意圖

2 軋制參數(shù)介紹

2.1 普通壓下工藝程序

六槽輥采用300mm×430mm 矩型坯開170mm×190mm 料，壓下工藝見表1。表中只取前3 個(gè)道次的數(shù)據(jù)使用。

表1 普通壓下工藝程序表

最大壓下量為第三道次輸入料型，高× 寬即H×B=380mm×305mm，軋制后料型為h×b=340mm×313mm，壓下量△h=40mm，寬展△b=8mm。

2.2 大壓下工藝程序

800 軋機(jī)為方坯軋制，降低軋制道次，增大壓下量有利于軋件內(nèi)部粗晶粒的破碎，提高產(chǎn)品質(zhì)量。我廠從2014 年8月開始采用大壓下工藝。

大壓下程序最大的變形是第一道次，輸入料型高×寬H×B=430mm×300mm，軋制后料型h×b=360mm×315mm。壓下量△h=70mm，寬展△b=15mm。

3 理論計(jì)算推導(dǎo)

3.1 軋制壓力

式中：B、b 為鋼材在軋制前、后的料寬；R 為軋輥的工作半徑；?h為壓下量。

對(duì)于熱軋低碳鋼坯及簡單斷面型鋼，箱形孔型，平均單位軋制壓力的計(jì)算可由艾克隆德半經(jīng)驗(yàn)公式得出

3.2 扭轉(zhuǎn)力矩

單支軋輥扁頭傳遞的扭矩，應(yīng)為單支軋輥的軋制力矩、單支軋輥軸承的附加摩擦力矩、單支軋輥軸承的空載力矩和單支軋輥動(dòng)力矩四項(xiàng)之和。

3.2.1 軋制力矩

如果不考慮軋輥中的摩擦損失，傳動(dòng)一個(gè)軋輥所需的力矩為軋制力P 和力臂a 的乘積

3.2.2 附加摩擦力矩

對(duì)于普通二輥軋機(jī)，軋制力作用在兩支軋輥所有軸承中的附加摩擦力矩

式中，P 軋制壓力；d 軋輥輥頸直徑；f1軋輥軸承的摩擦系數(shù)。

3.2.3 空載力矩

空載力矩，是轉(zhuǎn)動(dòng)零件的重力，包括接軸、軋輥、齒輪等在軸承上的摩擦力矩

3.2.4 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力矩

軋制時(shí)，由軋制速度的變化，產(chǎn)生的有質(zhì)量的備件出現(xiàn)的慣性，所造成的阻力矩稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。在雙向可逆軋制過程中，這種情況比較明顯。

3.3 剪切應(yīng)力

系數(shù)a、γ 與比值h/b 有關(guān)，其值見表3。

對(duì)于文中的800 軋輥各尺寸，h=680mm，b=185mm，h/b=3.6757，取中間值即α=0.275，γ=0.749

4 計(jì)算過程

4.1 普通壓下工藝計(jì)算

取半鋼軋輥輥環(huán)直徑D=824mm、輥縫s=20mm、拋鋼軋輥轉(zhuǎn)速n=100r/min 的條件下，在箱形孔中軋制45C 鋼，軋件尺寸H×B=380×305mm、h×b=340×313mm、t=1120℃。

經(jīng)計(jì)算可得，單支軋輥扁頭傳遞的扭矩

對(duì)于800 軋輥扁頭根部的實(shí)際截面形狀，中心部位是空的，所以咬入時(shí)的扁頭根部峰值扭矩

4.2 大壓下工藝計(jì)算

表3 系數(shù)、取值表

5 軋輥扁頭靜強(qiáng)度校核

5.1 經(jīng)典強(qiáng)度理論校核

為保證軋輥扭轉(zhuǎn)時(shí)，有足夠的強(qiáng)度，必須使其最大工作切應(yīng)力不超過材料的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力，即τmax ≤ [ τ]，材料的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力可由材料的扭轉(zhuǎn)極限應(yīng)力τu 除以安全系數(shù)n 求得，即

對(duì)于脆性材料的變截面軸，適用“第一強(qiáng)度理論”，其強(qiáng)度條件為

由上面艾克隆德公式計(jì)算，正常壓下計(jì)算得到數(shù)值為48.6MPa，小于74MPa，在安全范圍內(nèi)。但是在大壓情況下，計(jì)算得到為80MPa，大于檢測(cè)軋輥強(qiáng)度的許用剪切應(yīng)力74MPa，故存在不安全的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況，軋輥的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和實(shí)際制作軋輥的強(qiáng)度無法滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

5.2 有限元靜力學(xué)分析驗(yàn)證

首先在solidiworks 中進(jìn)行三維建模，模型載入Geometry 模塊后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定義邊界條件，添加載荷，最后運(yùn)算可得到軋輥各個(gè)表面的等效應(yīng)力的等值線云圖，如圖3 所示。

圖3 等效應(yīng)力的等值線云圖

有限元分析軟件得到的普通壓下工藝情況下，扁頭根部截面危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力值52.5MPa，與前面章節(jié)計(jì)算得到的48.6MPa，大小基本相符，驗(yàn)證了之前理論公式計(jì)算的正確性。超負(fù)荷運(yùn)行容易造成疲勞斷裂，甚至直接全部新斷口崩斷。

6 改進(jìn)措施

6.1 改進(jìn)方案的確定

經(jīng)過查找相關(guān)資料，目前國內(nèi)棒材開坯軋機(jī)軋輥主要有：中鎳鉻半鋼軋輥、合金鑄鋼軋輥、60CrMnMo 鍛鋼軋輥和Cr3鍛鋼軋輥。鍛鋼的抗拉強(qiáng)度理論上比半鋼軋輥要有很大提高，所以將材質(zhì)優(yōu)化作為改進(jìn)方向。

經(jīng)測(cè)量，800 鍛鋼軋輥扁頭部位附近，材料屈服的扭轉(zhuǎn)極限應(yīng)力，是原設(shè)計(jì)的半鋼軋輥的3.3 倍。

取安全系數(shù)n=5，其扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力

由上面艾克隆德公式計(jì)算，計(jì)算得到大壓下數(shù)值為80MPa，只達(dá)到鍛鋼軋輥強(qiáng)度的許用剪切應(yīng)力1/3，故將不存在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

6.2 實(shí)施效果

2016 年01 月開始使用鍛鋼軋輥，效果良好。實(shí)踐證明，即使在大壓下工藝實(shí)施較多的近3 年，改型的軋輥扁頭斷裂數(shù)量為0。至今，鍛鋼軋輥輥號(hào)D001～D020，共引進(jìn)了20 支鍛鋼軋輥，均未發(fā)生斷輥情況，徹底解決了軋輥扁頭斷裂的問題。具體數(shù)據(jù)見表4。

從上表可以看出，隨著鍛鋼軋輥的使用，大大減少了斷輥數(shù)量，總數(shù)量不為零，是半鋼軋輥斷裂故障。

7 結(jié)語

表4 2012.01～2018.12 期間軋輥扁頭斷裂數(shù)據(jù)（單位：支）

本文對(duì)棒材軋鋼廠開坯軋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的軋輥扁頭故障進(jìn)行了分析和處理，經(jīng)典理論計(jì)算嚴(yán)謹(jǐn)，并采用了仿真分析軟件輔助分析校核。從軋制參數(shù)分析與計(jì)算、軋輥扁頭強(qiáng)度校核、軋輥三維建模分析等方面對(duì)軋輥扁頭進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算。從有限元分析結(jié)果中，找到危險(xiǎn)截面的危險(xiǎn)點(diǎn)位于軋輥扁頭根部，與實(shí)際相符。最后提出了解決問題的方法，制定對(duì)應(yīng)的措施，嚴(yán)肅工藝紀(jì)律，通過改型后的措施實(shí)施，效果顯著。