高速線材廠精整集卷（芯棒）減速機(jī)外殼斷裂故障分析

劉志軍 陳 嘉

（韶關(guān)鋼鐵廣東韶鋼工程技術(shù)有限公司，廣東 韶關(guān)512122）

1 故障概述

高線廠集卷站主要由3大塊組成，即集卷筒、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)卷機(jī)構(gòu)。集卷筒的功能是把散冷線的線卷收集成芯棒上的垂直盤卷，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是把集卷筒里的垂直盤卷通過旋轉(zhuǎn)變成水平盤卷，運(yùn)卷機(jī)構(gòu)的功能是把盤卷運(yùn)到C型鉤上。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一臺速比為29∶1的電機(jī)減速機(jī)（具體參數(shù)如表1所示）、大齒輪軸承、A／B2條交叉成90°的芯棒組成。

表1 電機(jī)減速機(jī)具體參數(shù)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理是當(dāng)集卷筒托盤降到位置后，位置感應(yīng)器發(fā)出已到位信號給控制柜，控制柜發(fā)出動作信號給電機(jī)后端的編碼器，從而使電機(jī)減速機(jī)帶動A／B芯棒作180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)把垂直盤卷變成水平盤卷的目的。電機(jī)后端的編碼器同時又起到計數(shù)功能，當(dāng)芯棒處于180°～30°之間時旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是快速運(yùn)轉(zhuǎn)的，當(dāng)芯棒處于30°～0°之間時旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是慢速運(yùn)轉(zhuǎn)的，當(dāng)編碼器計數(shù)處于0°時，控制柜發(fā)出運(yùn)卷小車可以前進(jìn)的信號，此時小車就前進(jìn)，運(yùn)走盤卷。二高線從2008年投產(chǎn)到2011年10月28日20：00發(fā)生事故，這中間的4年時間里，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速機(jī)偶爾會出現(xiàn)輸出軸端蓋螺絲松動、軸頭密封漏油現(xiàn)象。像整個減速箱體中間裂開、螺絲斷掉的情況還是第一次出現(xiàn)，裂口為二次裂口，第一次為箱體內(nèi)部，第二次沿著箱體一圈；螺絲斷掉一枚，螺絲孔擴(kuò)大成橢圓孔2個。

2 箱體裂開故障原因分析

箱體裂開肯定是有外力作用才會發(fā)生，并且外作用力要大于箱體材質(zhì)本身固有的抗屈服強(qiáng)度。從上述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理以及圖1中可分析得出，外作用力其實(shí)就是大小齒輪嚙合時大齒輪軸承對減速箱輸出軸小齒輪的反作用力。

2.1 分析1

從圖1中我們可以看出大齒輪對小齒輪的作用力F可分解成2個分力，即水平方向的分力Fsinα、垂直方向的分力Fcosα。α角為齒形角，一般為20°。垂直方向的力為周向力（與輸出軸相切），對減速箱箱體不形成剪切力。水平分力垂直于輸出軸，對箱體形成剪切力。從現(xiàn)場看，此箱體為鑄鐵件，查資料可得知此類箱體一般采用HT15材料。HT15材料的抗拉強(qiáng)度為150MPa，因此箱體要被撕裂必須滿足以下條件：Fsinα／S＞150MPa。S為撕裂口面積和（第一次裂口），測量減速箱體S約為0.003m2。從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理可以看出，帶有盤卷的芯棒由垂直旋轉(zhuǎn)到水平位置時電機(jī)減速機(jī)在工作過程中產(chǎn)生2個階段的力，第一階段的力為驅(qū)動力（即芯棒在垂直位置），第二階段的力為阻力（即芯棒不在垂直位置時要克服芯棒自重所產(chǎn)生的慣性力）。經(jīng)測算芯棒在45°位置時電機(jī)減速機(jī)所受的力最大，也就是我們要求的F力。根據(jù)力矩平衡原理可得出下列公式：

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理圖

式中，R為大齒輪軸承半徑，約為1m；m為盤卷重量，約為2.5t；L為盤卷重力的力臂長度，現(xiàn)場測量約為2.2m。

根據(jù)上述公式可算出F＝53900N，因此Fsinα／S＝6MPa＜150MPa，所以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平時正常工作是不可能導(dǎo)致減速箱體撕裂的，必須有一個很大的外施加力才會導(dǎo)致箱體撕裂。

2.2 分析2

從當(dāng)時現(xiàn)場來看，集卷站靠修剪處的固定運(yùn)動臂上臂（400×150×20）向下傾斜變形嚴(yán)重，根據(jù)操作工的描述，當(dāng)旋轉(zhuǎn)芯棒轉(zhuǎn)到快30°位置時，運(yùn)卷小車快速開到收卷位。這樣就造成運(yùn)動臂與固定托盤十字叉打架，當(dāng)旋轉(zhuǎn)芯棒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，由于運(yùn)動臂的阻擋，芯棒不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣就會給電機(jī)減速機(jī)造成一個很大的外力。運(yùn)動臂的材質(zhì)是45鋼，從現(xiàn)場來看其已經(jīng)嚴(yán)重變形，所以其所受壓力已過了屈服臨界點(diǎn)。45鋼的抗拉強(qiáng)度為600MPa，遠(yuǎn)大于HT15的150MPa。根據(jù)固定臂的形狀以及受力面值，可算出固定運(yùn)動臂受力為1800000N（旋轉(zhuǎn)芯棒轉(zhuǎn)到30°位置時，固定運(yùn)動臂所受力臂與大齒輪軸承半徑基本一樣），根據(jù)力的相互作用原理，可知此時電機(jī)減速機(jī)也受到相應(yīng)的1800000N的力，因此Fsinα／S＝200MPa＞150MPa，這樣就造成了減速箱體被撕裂。從前面表述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理可以看出，只有當(dāng)編碼器計數(shù)處于0°時，運(yùn)卷小車才可以開到運(yùn)卷位。但是當(dāng)時現(xiàn)場的情況是旋轉(zhuǎn)芯棒才到30°位置，按正常情況編碼器的讀數(shù)也應(yīng)是30°，但實(shí)際上編碼器計數(shù)卻處于0°。因此可得出結(jié)論，編碼器出故障導(dǎo)致計數(shù)失效導(dǎo)致了該事故的發(fā)生。

3 解決措施

3.1 在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)邊上安裝一個感應(yīng)器

在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)邊上安裝一個感應(yīng)器（旋轉(zhuǎn)芯棒到水平位置時，感應(yīng)器發(fā)出感應(yīng)信號），在控制器上加一個額外的控制程序，使得只有編碼器計數(shù)處于0°和感應(yīng)器發(fā)出感應(yīng)信號2條件同時滿足時，運(yùn)卷小車才可以開到運(yùn)卷位，從而避免當(dāng)編碼器計數(shù)出故障時導(dǎo)致的各種故障。

3.2 把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，調(diào)短電機(jī)超負(fù)荷跳閘時間

把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，把電機(jī)超負(fù)荷跳閘時間調(diào)短。這樣即使出現(xiàn)運(yùn)動臂與固定托盤十字叉打架等導(dǎo)致電機(jī)減速機(jī)瞬間受到很大外力沖擊的情況，也不會使箱體爆裂，而只會造成電機(jī)跳閘，從而保護(hù)了設(shè)備。

4 結(jié)語

通過以上分析，高線廠集卷站旋轉(zhuǎn)芯棒減速機(jī)殼體的爆裂主要是由編碼器計數(shù)失效所導(dǎo)致，針對此情況，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)邊上安裝一個感應(yīng)器，并把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，同時調(diào)短電機(jī)超負(fù)荷跳閘時間，可以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。