水淬輥的故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李銘，姚貴英

（1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451150）

水淬段是冷軋連續(xù)退火爐的最后一道工藝，其目的在于將經(jīng)過退火后的帶鋼進(jìn)行二次冷卻，最終冷卻至室溫。而水淬輥是水淬段重要的工作輥，水淬輥的穩(wěn)定性直接影響著生產(chǎn)的連續(xù)性。在生產(chǎn)過程中，3支水淬輥呈三角狀布置在水淬槽中。

2019年，某鋼鐵企業(yè)冷軋連退線在日常的現(xiàn)場點(diǎn)檢中發(fā)現(xiàn)三角狀上端的水淬輥有異響，且傳動部分的溫度出現(xiàn)異常。利用檢修時間對水淬輥進(jìn)行開爐檢查，檢查時發(fā)現(xiàn)兩側(cè)支撐板與法蘭連接處的螺栓出現(xiàn)一定程度的松動，并有兩條螺栓斷裂，如圖1所示，隨即對水淬輥進(jìn)行下機(jī)更換。供貨廠家針對此次事故對水淬輥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)的方法是采用焊接的方式代替螺栓連接和鍵連接，將連接法蘭、輥?zhàn)油獗谂c支撐板相焊接，水淬輥中軸與連接法蘭也采用焊接的形式進(jìn)行連接。將改進(jìn)后的輥?zhàn)舆M(jìn)行上機(jī)使用，不久水淬輥的軸頸處發(fā)生斷裂，如圖2所示。爾后對水淬輥中軸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)中軸在與連接法蘭滿焊連接后，軸身出現(xiàn)了損傷，這是中軸斷裂的主要原因。

為避免水淬輥在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)事故，應(yīng)從水淬輥的受力方面進(jìn)行分析，確定水淬輥故障的原因，對事故進(jìn)行提前預(yù)防，以減少因事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 螺栓斷裂

圖2 中軸斷裂

1 模態(tài)分析

1.1 模態(tài)分析的目的

模態(tài)分析的目的是得到水淬輥的固有頻率和振型。機(jī)構(gòu)的振動其實(shí)為各階振型的線性疊加，但是在各階振型中低階振型對機(jī)構(gòu)的影響比高階振型對機(jī)構(gòu)的影響大很多，因此在進(jìn)行振動特性分析時通常只分析其前5～10階振型即可。本文分析水淬輥的前5階振型。

圖3 水淬輥三維模型

圖4 水淬輥網(wǎng)格劃分圖

水淬輥若發(fā)生共振會引起劇烈振動，造成過早的疲勞損壞。因此水淬輥在工作時，為有效避免共振應(yīng)滿足一定的轉(zhuǎn)速要求。水淬輥?zhàn)罡咿D(zhuǎn)速（臨界轉(zhuǎn)速）比固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速低15%，即。

1.2 模態(tài)分析結(jié)果

由于水淬輥外壁并不是失效位置，因此在顯示結(jié)果時，將輥?zhàn)油獗陔[藏以便準(zhǔn)確觀察其他位置的變形情況。模態(tài)分析得出的各階固有頻率、最大變形及振型描述如表1所示。第1階、第2階模態(tài)分析結(jié)果云圖如圖5、圖6所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

圖5 一階振型

圖6 二階振型

通過一階振型的固有頻率可以求出臨界轉(zhuǎn)速nmax2058rad/min。調(diào)取PLC數(shù)據(jù)塊存儲的傳動數(shù)據(jù)，在產(chǎn)線速度Vmax=140m/min時，水淬輥轉(zhuǎn)速n=1500rad/min＜2058rad/min，故水淬輥在工作時不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，所以進(jìn)一步對水淬輥進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2 靜力學(xué)分析

水淬輥在轉(zhuǎn)動時，主要承受三個力，分別是張力、重力以及電機(jī)的扭矩。

2.1 張力

調(diào)取PLC中的數(shù)據(jù)塊，可以得出在產(chǎn)線速度Vmax=140m/min時，最大張力T=22kN，故水淬輥所受壓力

F=T×（sinA+sinB）

=22×(sin40.28° +sin40.28° )=28.45kN

2.2 重力

由于整個輥?zhàn)映叽巛^大，且軋輥的軸與輥身僅由法蘭連接，所以重力是不可忽略的一個因素。經(jīng)SOLIDWORKS建模并賦予材料后計算得：輥身重量為2327Kg，軸的重量為：908Kg。則整個水淬輥的重力G=31703N

2.3 扭矩

減速機(jī)的輸出扭矩

其中使用系數(shù)u選取1.7。

在Solution中 添 加Equivalent stress和Total deformation選項(xiàng)，即可得到水淬輥的等效應(yīng)力云圖和總體位移的云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 水淬輥應(yīng)力云圖

圖8 水淬輥位移云圖

（1）由應(yīng)力云圖可以看出：連接法蘭螺栓的應(yīng)力最大。螺栓所承受的最大應(yīng)力為260.42MPa，而根據(jù)螺栓的機(jī)械性能參數(shù)，性能等級為5.6的螺栓對應(yīng)的屈服強(qiáng)度是300MPa，而若安全因子取1.2，則260.42×1.2=312.504MPa＞300MPa。由此可見，螺栓的選擇存在問題，這是螺栓松動斷裂的原因之一。

（2）由總位移云圖可以看出：水淬輥軸中心位置的位移量最大，dfmax=0.55468mm。由于軸的彎曲變形，法蘭盤與輥身支撐板均發(fā)生變形，支撐板上端凹進(jìn)去下端凸出來，支撐板最大位移為0.311mm，這是螺栓斷裂的重要原因。

根據(jù)現(xiàn)有情況，可以對水淬輥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小水淬輥軸整體的變形位移量，從而可以減小螺栓因支撐板變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，使水淬輥的使用壽命更長。

3 疲勞強(qiáng)度分析

水淬輥是水淬輥傳動系統(tǒng)的重要組成部分，能準(zhǔn)確的確定水淬輥模型的使用壽命對于預(yù)防生產(chǎn)事故具有很大的幫助，疲勞破壞不同于強(qiáng)度破壞，它是一個積累的過程，而且在這過程中受到很多復(fù)雜因素的影響。通過workbench對水淬輥模型進(jìn)行疲勞分析。

水淬輥的疲勞分析將在模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格的劃分、約束和載荷施加的前提下進(jìn)行的，在此不再贅述模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分以及約束和載荷的施加情況。水淬輥模型疲勞分析結(jié)果如圖9所示。

由壽命云圖可以看出，加載對稱循環(huán)應(yīng)力后，水淬輥螺栓的壽命Nf只有32803cycles。由此可知，水淬輥的破壞屬于疲勞破壞，其螺栓位置是首先破壞的位置。這為后面的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

方案一：參照廠家給的優(yōu)化方案，在原始設(shè)計的基礎(chǔ)上，將連接法蘭、輥?zhàn)油獗谂c支撐板相焊接，水淬輥中軸與連接法蘭也采用焊接形式，即用焊接的形式代替了螺栓連接和鍵連接，如圖10所示。

水淬輥按上述方案焊接后，張力最大的工況下水淬輥位移云圖如圖11所示，應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖9 水淬輥壽命云圖

圖10 填角焊接方式焊接的水淬輥三維圖

圖11 水淬輥位移云圖

圖12 水淬輥應(yīng)力云圖

由張力最大工況下的水淬輥應(yīng)力云圖可知：以焊接代替螺栓連接和鍵連接以后，水淬輥?zhàn)畲髴?yīng)力點(diǎn)仍然出現(xiàn)在螺栓連接處，其最大應(yīng)力由原來的260.42MPa降為215.25MPa，下降效果明顯。

由張力最大工況下的水淬輥位移云圖可知：以焊接代替螺栓連接和鍵連接以后，水淬輥?zhàn)畲笪灰泣c(diǎn)仍然出現(xiàn)在水淬輥中軸位置，且最大位移與原始設(shè)計基本保持不變，即由原來的最大位移0.55468mm減小為0.53077mm。

方案二：在水淬輥支撐板加厚的前提下，加裝6條支撐筋板來防止支撐板的凹凸變形。如圖13所示。

水淬輥支撐板按圖13所示方案加裝6條支撐筋板后，張力最大工況下水淬輥位移云圖如圖14所示，應(yīng)力云圖如圖15所示。

圖13 加裝筋板的水淬輥三維圖

圖14 水淬輥位移云圖

圖15 水淬輥應(yīng)力云圖

由張力最大工況下的水淬輥位移云圖可知：在水淬輥支撐板加厚的基礎(chǔ)上加裝支撐筋板以后，水淬輥?zhàn)畲笪灰泣c(diǎn)仍然出現(xiàn)在水淬輥中軸位置，但其最大位移由原來的0.55468mm降低到0.13914mm，效果十分顯著。

由張力最大工況下的水淬輥應(yīng)力云圖可知：在水淬輥支撐板加厚的基礎(chǔ)上加裝支撐筋板以后，水淬輥?zhàn)畲髴?yīng)力點(diǎn)不再是連接法蘭螺栓處，而變成了軸肩處。由于水淬輥模型在建模時簡化了圓角和倒角，所以實(shí)際軸肩圓角處所受應(yīng)力小于模擬出的129.83MPa。與原來相比，應(yīng)力大幅降低，且效果亦十分顯著。

綜合以上分析并結(jié)合連退線的生產(chǎn)及現(xiàn)場布置情況，選擇方案二為水淬輥的改進(jìn)方案。

5 結(jié)語

本文通過ANSYS分析得出水淬輥螺栓松動斷裂的原因，根據(jù)分析出的原因?qū)λ爿佭M(jìn)行合理的優(yōu)化，最終得到變形小、受力小的水淬輥模型。為現(xiàn)場設(shè)備提供了合理的建議，以達(dá)到降低產(chǎn)線事故率以及減少生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)損失的目的。