軋機換輥滑架裂紋問題分析及結構改進研究

徐強

摘 要：萊鋼寬厚板廠粗精軋機在投產2年左右先后，發現換輥滑架出現了裂紋問題，筆者提出以下解決方案。

關鍵詞：軋機換輥滑架；裂紋問題；問題分析；結構；改進研究

1 裂紋的形成原因分析

1.1 換輥滑架裂紋生成原因分析

換輥滑架材料G20Mn5材質，相當于我國的ZG20Mn。其強度性能為：屈服強度295Mpa，抗拉強度500Mpa，疲勞強度按抗拉強度一半計算為250Mpa。不過需要注意的是，對于換輥滑架這樣的大型鑄件，機械性能顯然很難達到以上水平。

不同磨損量條件下，裂紋生成部位的安全系數情況如表1.1所示。

綜上，可得裂紋生成的原因分析如下：

（1）貫穿縱裂紋生成原因

a）理想狀態下，受力系發生扁擔梁式變形，使得U形槽上部承受較大拉應力（169Mpa）；

b）受力系接觸區受力不均造成磨損不均，使得U形槽上部的應力水平進一步加劇（可達200Mpa以上）；

c）在材料安全余量不高（安全系數小于2.0）、沖擊載荷（每軋制一個道次相當于一次沖擊，如果考慮軋制過程中的軋制力波動則沖擊頻率更高）作用下，從U形槽頂部開始形成原始裂紋；

d）裂紋擴展的過程中，由于扁擔梁效應一直得不到消除，所以裂紋一直發展直至形成貫穿裂紋。

（2）U形成根部圓角縱裂紋生成原因

a）理想狀態下，受力系發生扁擔梁式變形，使得U形槽上部承受較大應力（等效應力194Mpa）；

b）受力系接觸區受力不均造成磨損不均，使得U形槽根部圓角的應力水平進一步加劇（可達250Mpa以上）；

c）在材料安全余量不高（安全系數小于2.0）、沖擊載荷作用下，容易形成疲勞裂紋；

d）由于U形槽根部圓角裂紋擴散條件不如縱裂紋，所以U形槽根部圓角裂紋的嚴重程度不如縱裂紋。

（3）下凸臺形成根部圓角縱裂紋生成原因

a）不管是理想狀態還是滑架磨損狀態，下凸臺根部過渡圓角區的應力水平均超過了屈服強度，所以正常工作條件下該區域將出現塑形變形；

b）但由于該區域不存在拉應力，所以其失效行為屬于壓潰行為。

2修復及改造方案研究

2.1縮短墊板方案及其效果

從前面的分析可知，受力系扁擔梁現象的存在是裂紋事件的起因。因此結構改進的重點先應從消除扁擔梁現象入手。

如圖2.1所示，可以考慮用縮短滑架與軸承座之間墊板尺寸的方法來消除扁擔梁現象對換輥滑架的影響：將滑架與軸承座之間的弧形墊板由原長1850mm，改成1100mm；將調整墊板由原長2100mm改成1100mm；下墊板及下凸臺的尺寸則保持1100mm不變

墊板縮短后，理想接觸狀態下，90000kN軋制力時，換輥滑架的等效應力水平如圖2.2所示，可見：

（1）U形槽頂部及整個縱裂紋區域應力水平下降到10Mpa一下；

（2）U形槽根部過渡圓角橫裂紋區域應力水平下降到56Mpa；

（3）下凸臺根部下降到315Mpa。

可見墊板縮短后，理想狀態下，原來的三個裂紋區，縱裂紋與橫裂紋區應力水平均下降到了60Mpa以下的安全區域，只有下凸臺根部局部應力水平還在屈服極限以上。

考慮到下凸臺根部不存在拉應力，不存在裂紋擴展條件，所以，可以認為墊板縮短后，理想接觸狀態下，換輥滑架結構是安全的。

另外，從縮短墊板后受力系的變形可以發現：支撐系統的扁擔梁現象基本消除，但支承輥軸承座的扁擔梁現象則進一步加劇。

2.2墊板縮短方案對軋機性能及其他零件的影響

2.2.1對軋機剛度的影響

如圖2.4所示，墊板縮短后，受力系剛度變小，90000kN軋制力條件下，壓縮變形量從原來的1.66mm增大到1.89mm。影響量為0.026mm/10000kN。

2.2.2對軸承座應力水平的影響

如圖2.5所示，由于本模型對軸承座未進行完整、詳細建模，因此，計算結果僅以相對量形式進行分析：90000kN軋制力條件下，墊板縮短后軸承座應力水平上升約15%。

2.2.3對接觸狀態的影響

如圖2.6所示，墊板縮短后接觸壓力分布由原來的中間大兩頭小，變成中間小兩頭大方式，而且最高接觸應力水平從320Mpa上升到648Mpa。

顯然，墊板縮短后換輥滑架-軸承座間的墊板接觸條件出現了比較明顯的惡化，實際使用中將表現為磨損速度的加快。

2.3結構改進方案一

此方案也可稱為最小改動方案：

（1）將滑架與軸承座之間墊板尺寸由原長度縮短為1100mm；

（2）將弧面墊板的弧度適當放緩：建議頂部圓弧半徑從1525mm改成3000mm（圖2.7），目的是增大接觸面積，降低磨損速度。

進行這樣的改造以后，理論上，原縱裂紋區將不再承受拉應力，因此，原結構焊接修復以后就可以用。

但滑架與軸承座之間墊板的接觸條件會明顯惡化，因此改造后使用過程中對滑架以上各零件接觸（磨損）狀態的監測需制度化，對磨損量進行定期量化檢查，當磨損量超過一定值（待分析確定）后，需對零件進行及時更換，對滑架磨損區則需進行及時修復。

2.4結構改進方案二

方案二的原則是以油缸缸徑為參考，盡可能放大支撐寬度，同時消除扁擔梁現象，具體內容如下：

（1）以油缸缸徑為參考，盡可能放大支撐寬度（目前結構看是1220mm，還有增大的可能性嗎？），并使支撐系所有墊板長度一致，圖2.8；

（2）將弧面墊板的弧度適當放緩：建議頂部圓弧半徑從1525mm改成3000mm目的是增大接觸面積，降低磨損速度；

（3）滑架下凸臺改造，可以考慮增大滑架下凸臺的長度（比墊板更長）與寬度（比墊板更寬），從而從根本上防止下凸臺根部裂紋的產生，甚至可以考慮去掉凸臺結構；

（4）U形槽結構改進（圖2.9）：

a）縮短U形槽凸緣高度（相同的扁擔梁效應下應力水平會下降）；

b）盡量增大U形槽根部圓角大小，將應力集中的影響減到最小；

c）或者完全取消U槽凸緣結構—如果U形槽其實沒有功能上的需求的話；

進行方案改造二以后，墊板接觸狀態、磨損情況同樣也是需要監控的。

2.5結構改進方案三

U形槽區分離方案（圖2.10）：

（1）將目前滑架的U形槽區整體切下；

（2）對U形槽區結構進行局部重新設計；

（3）對U形槽區結構進行局部重新加工；

（4）新結構與滑架本體以可拆卸方式（如螺栓）進行安裝；

（5）滑架與支撐輥座之間墊片適當縮短；

（6）弧形墊片弧度適當加大。

本方案的好處在于：

（1）可充分利用目前結構，且不用擔心焊接修復質量問題，并可有效減少焊接修復量；

（2）軋制力不再往滑架本體上傳遞，可實現不重做滑架的條件下無限延長滑架使用壽命；

（3）承受軋制力區可拆卸，可更換。

2.6結構改進方案四

重做備件方案：

（1）修復與前面的改造方案實施以后，使用過程中如果仍無法防止裂紋的產生，則應考慮重做備件方案；

（2）備件制作前應對滑架結構進行重新設計，設計原則應主要包括：

a）減重：在滿足使用要求的條件下，盡量減輕重量，由于滑架之際只在U形槽區承受載荷，其余則只是承受換輥操作過程中的載荷，減重空間巨大；

b）最軋制力傳遞區進行結構與尺寸優化，有效控制應力水平：疲勞、靜強度安全系數都在2.0以上（包括理想接觸與非理想接觸狀態），從而有效防止裂紋的產生；

c）充分重視接觸區磨損不可避免的事實，結構設計應充分考慮磨損面的修復方便性；

d）充分考慮墊板等易磨損結構的拆卸方便性。

參考文獻：

[1] 劉偉平.對軋鋼生產及軋鋼機械的分析及探討[J].華東科技：學術版，2012（7）.