棒材軋機主傳動裝置承載能力增容改造

翁 鵬

（河鋼集團宣鋼公司二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

河鋼集團宣鋼公司（全文簡稱河鋼宣鋼）二鋼軋廠三棒車間于2014年9月投產，設計成品軋制速度為15 m/s，主要生產品種規格為Φ20～Φ70 mm的圓鋼，年生產能力為70萬t，以及Φ20～Φ40 mm的帶肋鋼筋，年生產能力為90萬t，使用坯料尺寸為165mm×165 mm×12 000 mm，軋機布置為650mm×540mm×4+650mm×800mm×6+540 mm×800 mm×4+400 mm×700 mm×4全連式軋機。2019年5月受市場、環保等因素影響，三棒車間由圓鋼切改為螺紋鋼生產，在生產過程中，接連出現了萬向軸十字軸軸徑、法蘭斷裂，法蘭螺絲斷裂，軋機減速機軸承保持架損壞等惡性事故，嚴重影響了產能的提升，故對事故形成原因進行了深入分析并及時采取了預防解決措施。

1 切改螺紋鋼生產中存在的問題

1.1 萬向軸存在的問題

河鋼宣鋼二鋼軋廠三棒車間選用意大利DANIELI公司引進的具有90年代先進水平的棒材軋制設備，軋機與減速機間使用萬向軸連接，萬向軸也被稱為萬向聯軸器，它與各機構的2根軸連接，實現機械零件共同旋轉及扭矩傳遞。萬向軸允許的最大傾角為8°～12°，因其調整量較大，主要用于初軋機、板坯軋機、厚板軋機、鋼管軋機、鋼球軋機、薄板軋機和冷、熱帶鋼軋機等。萬向軸的主要特點是工作比較平穩，并能傳遞較大的扭矩，雖然結構比較復雜，但在軋鋼機上的應用還是比較廣泛的。萬向軸軸體的材質一般為50號以上的鍛鋼，強度極限不小于650～700 MPa。應力較大時，可使用合金鍛鋼，三棒萬向軸使用的材質為普通鍛鋼。

圓鋼生產時，對普碳鋼的開軋溫度要求為970～1 020℃，優碳鋼為1 010～1 050℃，合結鋼為1 020～1 060℃，齒輪鋼及軸承鋼的開軋溫度要求為1 060～1130℃，為減少因溫度波動造成的成品尺寸波動問題，車間一般按照作業文件規定的中上限控制開軋溫度進行作業，以保證鋼坯內外及通長溫度均勻；全面切改螺紋鋼后，HRB400E鋼的開軋溫度要求在970～1 020℃，為保證成品性能，車間按中下限范圍控制溫度。溫度降低導致軋機負荷增大，軋制電流及力矩較圓鋼生產時有所升高，尤其以精軋4架軋機（15號—18號）表現較為明顯，列表對比如表1所示。

表1 切改前后力矩對比

除整體力矩提升外，切改螺紋鋼后，頭部力矩峰值有超100%的現象，負荷的增大導致萬向軸工況急劇惡化[1]，2019年5月—11月間，三棒車間多次發生萬向軸十字軸軸頸斷裂[2]（見下頁圖1）、法蘭斷裂、法蘭螺絲斷裂[3]、萬向軸接管扭轉變形等設備故障，對正常生產秩序造成惡劣影響。觀察法蘭、軸徑、螺絲等斷口形狀，裂口處均為新的撕裂裂紋，無舊裂紋。主要從以下兩方面進行原因分析：反查當時軋制工藝，是否存在瞬時大扭矩致使法蘭、法蘭螺絲、軸徑等根部斷裂；校驗萬向軸的設計強度是否符合要求。

圖1 萬向軸十字包斷裂

1.2 減速機存在的問題

DANIELI公司減速機原設計的輸入軸齒輪端為調心滾子軸承，聯軸器端為圓錐滾子軸承。調心滾子軸承可以限制軸或外殼在軸承的游隙范圍內的軸向位移，但其可承受軸向承載能力小，主要承受徑向負荷，起一定定位作用；圓錐滾子軸承主要承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯合載荷，既能夠承受一個方向的軸向載荷，也能夠限制軸或外殼一個方向的軸向位移。

切改螺紋鋼后，設備作業率提高，軋機承載負荷變大，并且停機時間變少，減速機長時間在惡劣工況下工作，軸承運行情況急劇惡化，切改后的幾個月內頻繁發生中精軋機減速機齒輪端軸承保持架損壞事故（見圖2），對生產造成惡劣影響。從以下兩方面對損壞原因進行分析：反查軋制工藝情況，是否存在因工藝造成的超負荷運轉導致的設備問題；分析造成設備問題的內部原因。

圖2 軸承保持架損壞

2 原因分析及改造方案確定

2.1 萬向軸改造方案確定

DANIELI公司15號—18號軋機選用SWC225型萬向聯軸器，反查發生設備事故時的軋制工藝，鋼坯軋制溫度正常，料型正常，發生故障時設備無嚴重的瞬間超載情況，說明發生斷裂或扭轉的原因與軋制工藝關系不大，是典型的功能性斷裂。

計算減速機輸出轉矩，對萬向軸進行強度校驗[5]，由式（1）、（2）、（3）計算減速機輸出轉矩：

式中：I為速比；Pw為電機功率；n為減速機輸出轉速；T為工作理論扭矩，N·m；Tc為計算扭矩，N·m；ne為電機轉速；K為減速機額定工作情況系數，根據中沖擊負荷，連續軋機取K=1.8。

公式計算結果如表2所示。

表2 計算結果

依照（4）式進行萬向軸強度校驗：

式中：Tf為萬向軸疲勞轉矩，疲勞扭矩指長時間連續工作時所能承受的最大扭矩；Tn為萬向軸公稱轉矩，公稱轉矩指短時期內，可以正常傳遞的扭矩。

SWC225型萬向聯軸器強度如表3所示。

表3 SWC225型萬向軸強度

由表3可知，理論計算電機的輸出轉矩中，除18架轉矩最低外，其余架次均已超過SWC225萬向軸的疲勞轉矩，并且15架軋機最高轉矩已超過萬向軸的公稱轉矩，設備選型存在一定問題，長時間運行后，萬向軸狀況很不穩定。

重新對萬向軸進行選型并更換，最終選擇將15號—18號軋機SWC225型萬向軸更換為SWC250型萬向軸，SWC250型萬向軸參數如下：

表4 SWC250型萬向軸強度

更換為SWC250萬向軸后，四架軋機均未超過萬向軸公稱轉矩，雖然15號及16號軋機超過萬向軸疲勞轉矩，但超疲勞扭矩的情況只在軋輥輥徑最小時才會出現，且持續時間較短，故萬向軸強度可以滿足生產需求。

2.2 減速機改造方案確定

通過反查生產時的軋制工藝，鋼坯軋制溫度正產，料型正常，未發生超負荷運轉現象，說明保持架損壞的原因與軋制工藝關系不大。

DANIELI公司設計的減速機上調心滾子軸承及圓錐滾子軸承的使用導致輸入軸軸向位移范圍變小。一方面傳動軸受熱脹冷縮影響會在軸承位置產生軸向位移，由于調心滾子軸承設計限制傳動軸的軸向位移，導致齒輪端軸承外圈與箱體相對位置發生變化，長時間運行會因摩擦導致軸承間隙變大，從而振動值變高；另一方面由于切改螺紋鋼后軋機提速，軋機振動變大，并且14號、16號、18號軋機減速機無二級傳動，軋機振動會直接傳導到輸入軸齒輪端軸承位置（相對于有二級傳動的減速機，輸入軸齒輪受振動影響較大）[4]，導致軋機軸承外套與減速機箱體之間振動加劇。振動值越高，軸承所受徑向負荷越大，這是導致保持架損壞的直接原因[6]。

將齒輪端調心滾子軸承更換為圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承相對于調心滾子軸承徑向承載能力大，并且不限軸向位移，可以解決因熱膨脹引起的軸承外套與軸承座相對位置的變化，但圓柱滾子軸承對軸和座孔的加工要求高，因此軸承安裝后內外圈軸線相對偏斜情況需嚴格控制，以免造成接觸應力集中，另外還需對減速機箱體進行改造，增加軸承定位，因現場不具備改造條件，故將定距環縮短，加大調心滾子軸承寬度，以達到增大軸承載荷的目的[7]。減速機改造前后對比圖如圖3所示。

圖3 減速機改造前后對比圖

3 改造方案的實施與效果

2019年8月至2019年12月期間，河鋼宣鋼二鋼軋廠利用設備檢修時間陸續對15號—18號軋機實施了萬向軸增容及減速機軸承改造，通過近一年的實施使用情況來看，該項目實施后，提高了設備作業率，降低了生產成本。具體產生如下效果：

表5 型號規格對比

1）消除了萬向軸頻繁斷裂的事故隱患，延長了設備使用周期，斷軸事故由約2次/月降低為0次/月，精軋區萬向軸均為正常下線，無事故下線。

2）改進了減速機齒輪端軸承結構，增加了軸承承載能力，降低了事故率，提高了作業率。