卷取機芯軸斷裂事故分析及修復

梅如敏， 余 軍

(常州寶菱重工機械有限公司技術中心， 江蘇 常州 213019)

引 言

卷取機用于將帶鋼卷取成卷，廣泛應用于帶鋼冷軋機組和酸洗、連退、涂鍍、精整等各機組中。由于冷態板帶卷取具有張力大、速度高、卷取質量好等工藝要求，冷態板帶生產過程中所使用的卷取機絕大多數采用卷筒式卷取機。卷筒作為卷取機的核心零部件，決定了卷取機的適用范圍、使用壽命、軋制工藝設備運行的穩定性。卷筒在使用一段時間后必須下機進行修復保養，以提高其使用壽命，保證其使用精度。

卷取機芯軸為卷筒的最重要零件，在高速旋轉工作過程中承受較大的卷取張力和鋼卷重量，因而芯軸一般采用合金鋼鍛件制造，以確保卷取時有足夠的強度和剛性、卷筒能有較長的使用壽命。但芯軸的鍛件毛坯生產周期較長，且卷筒加工精度高、制造裝配復雜，使得卷筒整個制造周期較長。為防止因意外事故造成卷取機卷筒較長時間的停機，也便于卷筒正常的下機維護保養，生產現場一般均備有整體卷筒備件，在發生事故或正常的維護保養時能快速地更換卷筒備件，而不影響生產，減少停機損失。

某公司冷酸機組卷取機在使用4年多后，發生芯軸斷裂事故，而現場沒有卷筒備件可以及時更換，雖經多方努力，盡最大努力搶修了一根芯軸及卷筒，但也造成了很大的停機損失。本文針對該起芯軸斷裂事故進行原因分析，并介紹修復方案，為該類事故做一些經驗總結。

1 原因分析

該冷酸機組卷取機卷筒結構簡圖如圖1所示。卷筒為四斜楔閉式結構，帶鉗口，結構復雜。芯軸多處加工有燕尾槽、直槽等，并在外支撐軸頭處加工有4個方形柱。外支撐軸頭與芯軸在方形柱處通過4個螺栓連接，卷取時螺栓及芯軸方形柱承受較大的彎曲力矩。芯軸結構如圖2所示。

該卷筒在用戶現場使用4年多，從未更換或修復，只進行過加潤滑油等簡單的維護工作。在生產過程中，發現外支撐軸頭部位一根螺栓斷裂，用戶現場更換螺栓時，并未引起警覺。其后2個月，又發現相同部位螺栓斷裂一根，換上新螺栓不久，即發現卷筒不能正常脹、縮，拆卸卷筒外支撐軸頭后發現芯軸4個方形柱斷裂2根，斷裂部位正位于芯軸方形柱根部圓角處。斷裂實物如圖3所示。

圖1 卷取機卷筒結構形式

圖2 芯軸結構圖

圖3 斷裂實物圖

該卷筒結構復雜，設計時就應仔細考慮芯軸的強度和剛性等影響，尤其是芯軸方形柱處。對原設計的芯軸進行有限元計算，查找其芯軸設計的薄弱之處，分析其斷裂原因。

芯軸有限元計算的工況條件(現場實際使用)如下：

帶鋼材質：不銹鋼304；帶鋼厚度：Max.2.0 mm；帶鋼寬度：Max.1300 mm；卷取卷重：Max.20 t；卷取張力：Max.7 t；卷取速度：Max.120 m/min。卷取機帶外支撐工作。

原設計芯軸有限元計算按兩種情況考慮：外支撐軸頭處無螺栓作用和有螺栓作用。芯軸有限元計算結果如圖4，5所示。從圖4可以看出，外支撐軸頭處無螺栓作用時，方形柱圓角處的應力非常大，尤其是內圓角處(圖2中R1處)，應力值已接近芯軸材料的許用疲勞極限值(芯軸為42CrMo鍛件，調質處理)。若芯軸機加工精度達不到要求或材料略有缺陷，則芯軸極易發生疲勞斷裂，壽命較低。若外支撐軸頭處的四根螺栓預緊到位，則芯軸方形柱圓角處的最大應力會降低27%；此時，芯軸方形柱圓角R1，R2處仍為應力集中處，應力較大，且方形柱整體應力也較大。若增大芯軸方形柱處圓角，則應力還會降低。如圖6所示，R1處的圓角由5 mm增大至20 mm，則最大應力也下降，最大應力區域也轉移到R2區域。若增大R2處圓角、或增大方形柱截面尺寸，芯軸應力還會下降。但因卷筒結構的限制，R2處圓角和方形柱的截面尺寸都不能做較大改動。

圖4 芯軸有限元計算結果(無螺栓作用)

圖5 芯軸有限元計算結果(有螺栓作用)

圖6 芯軸有限元計算結果(增大圓角R1)

由此分析可知，外支撐軸頭處螺栓的預緊(及防松)對芯軸強度、壽命等有很大的影響，而芯軸方形柱的結構(圓角尺寸等)也有較大的影響，這些是造成芯軸斷裂的主要因素；從現場螺栓和芯軸斷裂事故發生情況來看，也印證了這一點。該卷筒及芯軸的修復也是從這些方面進行實施的。

2 修復方案

因該用戶一直沒有采購卷筒備件，而芯軸鍛件也無存件，需較長周期才能采購到。因此，采用原斷裂芯軸利舊并修復的方法以應對現場急需。

芯軸修復方案如圖7所示。原卷筒拆卸后運至制造廠，將舊芯軸斷裂部分割掉并加工成圖7所示結構，并重新投料制作芯軸軸頭部分。將加工后的舊芯軸和新制軸頭進行冷裝，保證過盈量在0.15 mm以上，并用螺栓緊固聯結。新制軸頭與舊芯軸上的各槽中心保持一致，新制軸頭上各槽尺寸略微加大，不影響卷筒脹、縮功能。新制軸頭R1處圓角增大至20 mm。新制軸頭方形柱截面向圓心方向單邊增厚2.5 mm，同時增大方形柱根部周邊的圓角。因卷筒結構尺寸限制，方形柱截面尺寸未能作更大的改動。

按上述方案修復芯軸的有限元計算結果如圖8所示(工況條件同前)，可見芯軸最大應力有較大降低，方形柱圓角根部的應力狀況得到一定優化。

圖7 芯軸修復方案圖

圖8 修復芯軸有限元計算結果

芯軸修復完成后，將原卷筒上其它零部件重新裝配至修復芯軸上(少量磨損較大的零件更換或修復)，各螺栓預緊，并做卷筒脹、縮動作。經過動作實驗及檢測，修復后的卷筒動作無卡阻，卷筒脹圓、縮圓尺寸與原設計值完全一致。

3 結束語

在各方的努力下，經過6天的緊急搶修，斷裂的卷筒經修復后重新上機使用。幾個月以來，該卷筒還在線正常運行，而新制的卷筒備件也已制作完成，可隨時更換在線的卷筒。

此次卷取機芯軸斷裂事故及其原因分析、修復方案制定及實施，為處理類似事故提供了一個較好的案例。在設計過程中，可參考這些實際的經驗，設計出結構更合理、更能滿足用戶使用壽命要求的卷筒。