八棱錐封閉式卷筒軸向斜楔斷裂故障分析與改進(jìn)

胡世標(biāo)，蘇港，李徽

（1.湖南科美達(dá)重工有限公司；2.湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽 414000）

冷軋卷筒結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但能滿足大張力封閉式帶鉗口，并且開卷和卷取共用的結(jié)構(gòu)卻很少。八棱錐封閉橫梁斜楔式卷筒帶液壓鉗口結(jié)構(gòu)是可以滿足上述要求，比較理想的結(jié)構(gòu)之一。這種結(jié)構(gòu)比較理想的卷筒在實(shí)際運(yùn)用中卻出現(xiàn)了軸向斜楔頭斷裂的事故，因此有必要從軸向斜楔的結(jié)構(gòu)、受力以及使用維護(hù)等方面進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有利于后續(xù)類似機(jī)組的卷筒設(shè)計(jì)選型。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物（圖1），軸向斜楔與主軸在相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍未發(fā)現(xiàn)碰撞的痕跡，再分析圖紙（圖2），也沒有發(fā)現(xiàn)干涉，說明卷筒在縮小過程中沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，排除了脹縮液壓缸的最大推力全部作用在軸向斜楔上使該件斷裂的原因。

圖1

圖2

分析軸向斜楔斷裂的直接原因主要有3 種，一種是在調(diào)試過程中，未加足潤滑油，導(dǎo)致卷筒潤滑不充分，造成了卷筒斜楔滑動(dòng)面出現(xiàn)研磨，因此增加了縮徑時(shí)軸向斜楔和徑向斜楔接觸面處的摩擦力，從而增大了軸向斜楔的軸向負(fù)荷；一種是在調(diào)試初期，卸卷小車接卷時(shí)采用了高壓接卷，再次增大了軸向斜楔的軸向負(fù)荷；另外一種是軸向斜楔的定位槽為開式槽且倒圓半徑過小，因此定位槽的根部出現(xiàn)了應(yīng)力集中，造成了軸向斜楔短期內(nèi)疲勞斷裂。

本文主要從軸向斜楔潤滑條件及定位槽結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行分析，找出造成事故的關(guān)鍵因素，提出改進(jìn)方案。

1 技術(shù)參數(shù)

帶鋼厚度：0.3 ～3mm；帶鋼寬度：800 ～1600mm；卷筒正圓直徑：Φ610mm；卷筒最大脹徑：Φ614mm；卷筒正?？s徑：Φ590mm；卷取速度（max)：600m/min；鋼卷重量（max）：40t；卷取張力：250kN；卷筒脹縮液壓缸：Φ500 mm×Φ460mm(兩極漲縮缸）；拉桿直徑：Φ150mm；脹縮油缸工作壓力：14MPa。

2 斜楔受力分析與材料力學(xué)性能

2.1 潤滑充分時(shí)軸向斜楔受力分析

定義脹縮液壓缸理論最大推力為F，根據(jù)壓力公式：

式中，R=23cm；r=7.5cm；P=14MPa。

代入計(jì)算得F=2078kN。

卷筒脹大時(shí)，定義脹大力為F1，考慮到液壓缸實(shí)際產(chǎn)生的推力與理論計(jì)算最大推力有誤差，所以取F1=2000kN。受力分析時(shí)取軸向斜楔面的摩擦系數(shù)μ=0.1。卷筒整體受力分析圖見圖3，軸向斜楔的受力分析見圖4。

圖3 卷筒整體受力分析

圖4 軸向斜楔受力分析

根據(jù)軸向斜楔力的平衡列出下式：

代入計(jì)算出：N1=4183kN，N2=4450kN。

卷筒縮小時(shí)，設(shè)卷筒縮小力為F2，取軸向斜楔斜面的摩擦系數(shù)μ=0.1，卷筒由漲緊轉(zhuǎn)換到縮小的瞬間，軸向斜楔受到的壓力，軸向斜楔的受力分析見圖5。

圖5 軸向斜楔受力分析

根據(jù)軸向斜楔力的平衡列出下式：

代入計(jì)算出卷筒縮小力：F2=-266kN?？梢?，脹縮液壓缸一旦泄壓卷筒就會(huì)自動(dòng)縮小。

2.2 潤滑不充分時(shí)軸向斜楔受力分析

由于該卷筒潤滑為人工手動(dòng)加油潤滑，卷筒反復(fù)脹縮使軸向斜楔和徑向斜楔的接觸面出現(xiàn)了研磨的現(xiàn)象（見圖6）。所以在脹大時(shí)，取軸向斜楔斜面的摩擦系數(shù)μ1=0.3，軸向斜楔的受力分析見圖7。

圖6

圖7 軸向斜楔的受力分析

根據(jù)軸向斜楔力的平衡：

式中，

卷筒縮小時(shí)，取軸向斜楔斜面的摩擦系數(shù)μ1=0.3，由脹緊轉(zhuǎn)換到縮小的瞬間，軸向斜楔受到的壓力，軸向斜楔的受力分析見圖8。

圖8 軸向斜楔的受力分析

根據(jù)軸向斜楔力的平衡列出下式：

式中，

可見，卷筒出現(xiàn)了自鎖，由于卷筒有4 個(gè)對(duì)稱軸向斜楔，所以每個(gè)軸向斜楔受到的軸向負(fù)荷為，對(duì)軸向斜楔的剪切應(yīng)力。

2.3 軸向斜楔的材料力學(xué)性能

3 軸向斜楔的有限元分析

3.1 開式槽分析結(jié)果

單個(gè)斜楔受力為179.75KN 時(shí)，斜楔應(yīng)力分布如圖9 所示，應(yīng)力變形如圖10 所示。應(yīng)力最大值為1263.6MPa，形變最大量為1.0633mm。

圖9

圖10

3.2 腰字孔分析結(jié)果

單個(gè)斜楔受力為179.75KN 時(shí)，斜楔應(yīng)力分布如圖11 所示，應(yīng)力變形如圖12 所示。應(yīng)力最大值為572.18MPa，形變最大量為0.076123mm。

圖11

圖12

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過以上分析計(jì)算知，將軸向斜楔的開放槽改為腰字孔后，單個(gè)斜楔受力197.75kN 時(shí)，斜楔最大應(yīng)力值由1263.6MPa 降低到572.18MPa，最大形變量由1.0633mm 降低到0.076123mm。

4 改進(jìn)措施

（1）新制軸向斜楔與十字軸，將軸向斜楔與十字頭的配合結(jié)構(gòu)由開放槽改進(jìn)為腰型，即使軸向斜楔的斜面出現(xiàn)了研磨現(xiàn)象，軸向斜楔的最大主應(yīng)力和剪切應(yīng)力均小于原結(jié)構(gòu)。

（2）在卸卷時(shí)嚴(yán)格按卷筒使用電氣功能說明書采用低壓上升接卷，避免卷筒承受額外的力，增加出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）卷筒在使用過程中每班按時(shí)加足潤滑油，保證卷筒潤滑充分，避免出現(xiàn)干摩擦，引起配合面研磨。

5 結(jié)語

卷筒設(shè)計(jì)既要考慮結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，更要考慮結(jié)構(gòu)的可靠性。要確保卷筒使用可靠，除了要進(jìn)行正常情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析，還要警示卷筒操作、使用規(guī)范、加強(qiáng)日常維護(hù)，同時(shí)要預(yù)判可能會(huì)出現(xiàn)的非正常情況，進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核和有限元分析，提高卷筒使用的安全系數(shù)，確保在非正常情況下卷筒依然能安全使用，提高卷筒的使用壽命。