2號常化活套彈簧式力矩卷筒失效原因分析及改進(jìn)

路志杰

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠， 山西 太原 030003）

太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）冷軋硅鋼廠2016年投入生產(chǎn)的2號常化酸洗機(jī)組是由中冶南方武漢工程技術(shù)有限公司獨家設(shè)計的，常化退火爐是本機(jī)組的主體設(shè)備，其主要功能是按照工藝要求對鋼板進(jìn)行熱處理，并達(dá)到預(yù)期要求的性能；輔助設(shè)備主要由開卷、切頭剪、焊機(jī)、輥類設(shè)備、活套、拋丸機(jī)、酸洗設(shè)備、圓盤剪、切尾剪等組成。2號常化酸洗的活套采用的是小車式活套，其主要作用是存儲或釋放一定長度的帶鋼，保證機(jī)組在減速、焊接或處理邊裂停機(jī)的過程中，確保工藝段仍按既定速度連續(xù)運行。活套主要由傳動機(jī)構(gòu)、卷筒及鋼絲繩、活套小車、支撐小車、力矩卷筒、支承輥及軌道等組成。活套的力矩卷筒采用的是彈簧式力矩卷筒，由于設(shè)計的缺陷，力矩卷筒的鋼絲繩在運行中出現(xiàn)多次斷股或斷裂，使用壽命較短，直接影響著生產(chǎn)的正常運行。

1 活套彈簧式力矩卷筒的作用

活套彈簧式力矩卷筒安裝在活套入口支撐輥架和各支撐小車上，主要是連接各支撐小車和活套車，給支撐小車提供動力，確保支撐小車在存儲或釋放套量時能按既定的速度運行，并使帶鋼保持恒定張力。

2 活套彈簧式力矩卷筒的結(jié)構(gòu)

常化酸洗活套的力矩卷筒采用的是彈簧式力矩卷筒，主要由力矩彈簧、鋼絲繩、鋼絲繩卷筒及預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，當(dāng)活套需要充套時力矩卷筒鋼絲繩被活套小車所賦予的拉力拉出，釋放套量時力矩卷筒的鋼絲繩依靠自己力矩彈簧的收縮力自由收縮，這時鋼絲繩就會均勻的纏繞在卷筒上。力矩卷筒的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 改進(jìn)前力矩卷筒的結(jié)構(gòu)形式（mm）

3 活套彈簧式力矩卷筒失效的原因

6臺活套支撐小車安裝在活套入口支撐輥架和活套車之間，支撐輥架、支撐小車和活套小車之間采用7個力矩卷筒機(jī)構(gòu)連接，支撐小車在軌道上運行，活套車通過鋼絲繩由卷揚驅(qū)動，活套車的驅(qū)動卷揚通過齒輪減速器、卷揚聯(lián)軸器與交流變頻電機(jī)傳動，活套車在鋼軌上運行。中間層帶鋼由活套車上的支承輥支承。活套車上設(shè)托輥，有效防止活套支撐小車運行時與帶鋼干涉。卷揚為帶布繩機(jī)構(gòu)的浮動式裝置，可雙向拉動活套車，保證活套車運行時鋼絲繩角度不變。根據(jù)現(xiàn)場的實際觀察及分析，造成彈簧式力矩卷筒鋼絲繩斷的原因主要有以下幾個方面。

1）支撐彈簧式力矩卷筒在原理上承受活套車的拉力、力矩卷筒彈簧的預(yù)緊力及軌道與車輪的滾動摩擦力，理論上軌道與車輪的滾動摩擦力很小，可以忽略不計，其主要承受活套小車的拉力和力矩卷筒的彈簧預(yù)緊力。在理論上當(dāng)活套的套量達(dá)到最大時，每個力矩卷筒的鋼絲繩將會伸出同樣的長度，每個力矩卷筒將承受相同的彈簧預(yù)緊力。但在實際運行中，每個力矩卷筒所釋放的鋼絲繩的長度是不一樣的，每個力矩卷筒將承受相同的彈簧預(yù)緊力并不相同。在所有的力矩卷筒中靠近活套車的第七個力矩卷筒的鋼絲繩最先釋放完，在釋放完鋼絲繩后在瞬間將承受一個較大沖擊力，這個沖擊力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了力矩卷筒彈簧的預(yù)緊力。隨著套量的增加，隨后是第六個、第五個、第四個、第三個力矩卷筒的鋼絲繩依次釋放完，第一和第二個力矩卷筒的鋼絲繩只釋放了一部分。當(dāng)活套套量達(dá)到最大，第三個至第七個力矩卷筒上的鋼絲繩完全被釋放完，在鋼絲繩完全被釋放完后在這一瞬間由于鋼絲繩沒有了彈簧預(yù)緊力的緩沖而承受很大的瞬間沖擊拉力，這個瞬間沖擊拉力超出了鋼絲繩的破斷拉力，從而導(dǎo)致鋼絲繩的斷裂。

2）活套彈簧式力矩卷筒的出廠預(yù)緊力為650 N,每個力矩卷筒的最大卷取力為2450 N，每個力矩卷筒本體承受的拉力大于20 kN。第七個力矩在最大套量時所承受的力為7×2450=18.5 kN，滿套時帶鋼自身質(zhì)量和支撐小車產(chǎn)生的摩擦力約為1350 N，活套的正張力為22 kN，理論上支撐小車的力矩卷筒是不受張力影響的，這樣其承受的力為18.5＋1.35=19.85 kN。鋼絲繩的外徑為Φ11 mm，破斷拉力為 112×0.33×1870=74.67 kN。

3）活套彈簧式力矩卷筒由于設(shè)計的缺陷，當(dāng)鋼絲繩完全被釋放完，這時鋼絲繩在卷筒部位直接與鋼絲繩護(hù)板的邊緣接觸，護(hù)板是10個厚的鋼板制作而成，鋼絲繩的尾部經(jīng)過護(hù)板的小孔，然后安裝在主軸上。鋼絲繩經(jīng)過多次的收縮和釋放，在與護(hù)板接觸的部位由于不斷的摩擦與大幅度的彎曲，使得接觸部位出現(xiàn)斷絲及疲勞劣化從而導(dǎo)致斷裂。

4）活套支撐小車安裝在鋼軌上，車輪的踏面兩端沒有輪緣，小車的行走定位主要通過傳動側(cè)的定位滾輪來實現(xiàn)，防止支撐小車跑偏，在支撐小車的車輪前方的護(hù)板上安裝有兩個掃軌護(hù)板，護(hù)板也鑲嵌在軌道的兩側(cè)，當(dāng)支撐小車的定位滾輪出現(xiàn)異常時，支撐小車發(fā)生不同程度的跑偏，掃軌護(hù)板就會與軌道發(fā)生摩擦，致使添加到力矩卷筒上的外力就會增加，從而加速了鋼絲繩的斷裂。

4 活套彈簧式力矩卷筒的改進(jìn)措施

為了提高活套彈簧式力矩卷筒使用壽命，確保不因為活套彈簧式力矩卷筒生產(chǎn)工藝造成較大的損失，為此對活套支撐小車力矩卷筒的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)。依據(jù)活套支撐小車力矩卷筒的結(jié)構(gòu)和活套支撐小車每個卷筒所承受的力進(jìn)行改進(jìn)。

依據(jù)活套支撐小車力矩卷筒的結(jié)構(gòu)和活套支撐小車每個卷筒所承受的力，對多次斷裂的原因及部位進(jìn)行統(tǒng)計分析，并與原設(shè)計單位進(jìn)行了技術(shù)交流，對活套支撐小車力矩卷筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以提活套支撐小車力矩卷筒的使用壽命。

翻閱了大量的有關(guān)力矩卷筒及鋼絲繩的材料，經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的分析、比較，最后對改進(jìn)方案進(jìn)行多次充分論證，分析其方案的可行性、可靠性與有效性，確保了方案的正確性。活套支撐小車力矩卷筒原來的結(jié)構(gòu)形式是鋼絲繩直接固定在軸上，通過擋板的小孔在纏繞到鋼絲繩卷筒上面，鋼絲繩始終與擋板摩擦，將鋼絲繩完全釋放時摩擦程度會加深；鋼絲繩的直徑為Φ10.5 mm[1]。依據(jù)充分論證的實施方案，現(xiàn)將活套支撐小車力矩卷筒的鋼絲繩直接固定在鋼絲繩卷筒上，杜絕了力矩卷筒在運行中鋼絲繩與擋板的摩擦；將鋼絲繩的直徑增加到Φ12 mm[1]，增加了鋼絲繩的強(qiáng)度,如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后力矩卷筒的結(jié)構(gòu)管

5 活套彈簧式力力矩卷筒改進(jìn)后的效果

活套彈簧式力力矩卷筒的結(jié)構(gòu)形式及鋼絲繩的強(qiáng)度改進(jìn)后，經(jīng)過近一年多的生產(chǎn)實踐，驗證了活套彈簧式力力矩卷筒改進(jìn)的正確性。自活套彈簧式力力矩卷筒改進(jìn)后再未發(fā)生過因活套彈簧式力力矩卷筒失效而造成的生產(chǎn)事故，基本上將能將設(shè)備的缺陷控制在一個檢修周期內(nèi)進(jìn)行處理，減少了停車次數(shù)，確保了生產(chǎn)的正常運行，節(jié)約了設(shè)備的維修費用。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（第二卷）：第3版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.