許華① 閆瑾 唐志惠 杜劍清

(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029)

摘 要：針對(duì)立輥軋機(jī)主傳動(dòng)軸頻繁斷裂問(wèn)題，經(jīng)過(guò)扭矩測(cè)試與仿真，分析指出設(shè)備過(guò)載的原因，據(jù)此調(diào)整控制系統(tǒng)與工藝參數(shù)，解決了主傳動(dòng)軸頻繁斷裂問(wèn)題，效果顯著。

關(guān)鍵詞：立輥軋機(jī)；扭矩；測(cè)試；仿真；故障診斷

1前言

某熱軋廠 E1 立輥軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)十字接軸叉頭開(kāi)裂和斷裂事故，影響正常生產(chǎn)。為分析事故原因，了解傳動(dòng)軸受力狀態(tài)，對(duì) E1 與 R1 主傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)合生產(chǎn)線記錄的電參數(shù)與工藝參數(shù)進(jìn)行綜合分析與仿真，明確指出在目前工藝條件下接軸斷裂的原因。

2 測(cè)試方法

扭矩測(cè)點(diǎn)選在各萬(wàn)向接軸處，采用應(yīng)變式扭矩傳感器測(cè)量。扭矩測(cè)試系統(tǒng)如圖 1 所示。采用無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)、無(wú)間斷記錄多通道信號(hào)，采集儀采用鋰電池模塊供電。采用外置無(wú)線同步模塊同步，無(wú)線同步模塊通過(guò)無(wú)線同步通訊控制器控制，無(wú)線 AP 與無(wú)線同步通訊控制器通過(guò)交換機(jī)與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)同步。

3 測(cè)試結(jié)果分析與仿真

圖 2 是軋制過(guò)程中典型的扭矩波形，上圖是 E1 操作側(cè)立輥 1、3 道次扭矩，下圖是 R1 下輥 1、2、3 道次扭矩。

立輥扭矩特征如下:

第 1 道次咬入峰值不高，扭矩平穩(wěn)，但當(dāng)平輥咬入后，立輥扭矩突加較大的扭矩沖擊，之后逐漸回落接近零點(diǎn)，再爬升至一個(gè)較低的扭矩平臺(tái)，直至拋鋼。

第 3 道次扭矩規(guī)律與第 1 道次類似，但在咬入瞬間發(fā)生了較大的反向扭矩沖擊，平輥咬入引起的立輥扭矩沖擊也較大。

以上現(xiàn)象表明: 立輥傳動(dòng)軸在定寬時(shí)扭矩是正常的，其過(guò)大負(fù)荷是由于平輥咬鋼所產(chǎn)生的扭矩沖擊，說(shuō)明在平輥咬鋼瞬間，系統(tǒng)設(shè)定的速度差不足以補(bǔ)償平輥咬鋼時(shí)所產(chǎn)生的速降，使得在咬鋼瞬間及咬鋼后一段時(shí)間內(nèi)，立輥將軋材推入平輥，使立輥承受了非正常負(fù)荷。帶來(lái)的結(jié)果是平輥幾乎無(wú)咬鋼沖擊。對(duì)比圖中平輥的 3 個(gè)道次扭矩，只有第 2 道次有咬鋼沖擊峰，證明了這一結(jié)論。

R1 咬鋼后，立輥扭矩逐步回落而平輥扭矩逐漸加大，一降一升是同步的，說(shuō)明在隨后軋制過(guò)程中，平輥逐漸克服了最初的咬入速降，開(kāi)始拉動(dòng)軋材軋制。這個(gè)過(guò)程直至平輥扭矩達(dá)到最大，而立輥扭矩接近零，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng) R1軋機(jī)加速結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)記錄的電信號(hào)對(duì)電 流與轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析證明了以上結(jié)論。

參照測(cè)試工況的工藝數(shù)據(jù)，得出立輥傳動(dòng)軸的實(shí)測(cè)最大軋制力、最大扭矩、最大電流均發(fā)生在第 1 道次，其中最大扭矩與最大電流發(fā)生在 R1 咬入瞬間。因此接軸破壞的原因如下:

在R1 咬鋼瞬間，系統(tǒng)設(shè)定的速度差不足以補(bǔ)償平輥咬鋼時(shí)所產(chǎn)生的速降，使得在咬鋼瞬間及咬鋼后一段時(shí)間內(nèi)，立輥將軋材推入平輥，使立輥承受了非正常負(fù)荷。這是接軸破壞的主要原因。

接軸破壞還與其它工藝條件有關(guān): 數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)生大負(fù)荷時(shí)普遍鋼溫較低。第 3 道次較大側(cè)壓量的制動(dòng)作用引起咬入時(shí)較大的反向扭矩，使軋機(jī)瞬間承受由反向到正向的扭矩沖擊。

以上 3 點(diǎn)都需要調(diào)整控制系統(tǒng)與工藝參數(shù)予以解決。 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真表明^［4］，最大應(yīng)力發(fā)生在截面過(guò)渡的應(yīng)力集中區(qū)域，與實(shí)際破壞區(qū)域吻合，且處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)，取第一強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力作為判斷依據(jù)，結(jié)果表明，在測(cè)試工況下，法蘭叉頭與十字軸最大拉應(yīng)力均已超過(guò)許用應(yīng)力，尚未達(dá)到斷裂的強(qiáng)度極限。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試分析與仿真，提出了解決方案: 提高 R1 咬鋼時(shí)對(duì) E1 的速度差; 提高出鋼溫度，給出了最小入口鋼溫; 適當(dāng)降低第 3 道次側(cè)壓量; 給出了傳動(dòng)軸扭矩與主傳動(dòng)電機(jī)電流警戒值。該廠在收到分析報(bào)告后，調(diào)整了控制系統(tǒng)與部分工藝參數(shù)，最終解決了 E1 主傳動(dòng)軸頻繁斷裂問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

［1］劉鴻文． 材料力學(xué)( 第 6 版) ［M］． 北京: 高等教育出版 社，2017．

［2］馬立峰． 軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)( 第 2 版) ［M］． 北京: 冶金工業(yè) 出版社，2021．

［3］黎景全． 軋制工藝參數(shù)測(cè)試技術(shù)( 第 3 版) ［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2007．

［4］孟潔，張金利，閆瑾，等． 基于 Workbenh 的 SWC 型聯(lián) 軸器斷裂分析［J］． 冶金設(shè)備，2015( S1) : 106 － 108．