高速線材廠精整集卷（芯棒）減速機外殼斷裂故障分析

劉志軍 陳 嘉

（韶關(guān)鋼鐵廣東韶鋼工程技術(shù)有限公司，廣東 韶關(guān)512122）

1 故障概述

高線廠集卷站主要由3大塊組成，即集卷筒、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、運卷機構(gòu)。集卷筒的功能是把散冷線的線卷收集成芯棒上的垂直盤卷，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是把集卷筒里的垂直盤卷通過旋轉(zhuǎn)變成水平盤卷，運卷機構(gòu)的功能是把盤卷運到C型鉤上。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由一臺速比為29∶1的電機減速機（具體參數(shù)如表1所示）、大齒輪軸承、A／B2條交叉成90°的芯棒組成。

表1 電機減速機具體參數(shù)

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理是當集卷筒托盤降到位置后，位置感應器發(fā)出已到位信號給控制柜，控制柜發(fā)出動作信號給電機后端的編碼器，從而使電機減速機帶動A／B芯棒作180°往復旋轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)把垂直盤卷變成水平盤卷的目的。電機后端的編碼器同時又起到計數(shù)功能，當芯棒處于180°～30°之間時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是快速運轉(zhuǎn)的，當芯棒處于30°～0°之間時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是慢速運轉(zhuǎn)的，當編碼器計數(shù)處于0°時，控制柜發(fā)出運卷小車可以前進的信號，此時小車就前進，運走盤卷。二高線從2008年投產(chǎn)到2011年10月28日20：00發(fā)生事故，這中間的4年時間里，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的電機減速機偶爾會出現(xiàn)輸出軸端蓋螺絲松動、軸頭密封漏油現(xiàn)象。像整個減速箱體中間裂開、螺絲斷掉的情況還是第一次出現(xiàn)，裂口為二次裂口，第一次為箱體內(nèi)部，第二次沿著箱體一圈；螺絲斷掉一枚，螺絲孔擴大成橢圓孔2個。

2 箱體裂開故障原因分析

箱體裂開肯定是有外力作用才會發(fā)生，并且外作用力要大于箱體材質(zhì)本身固有的抗屈服強度。從上述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理以及圖1中可分析得出，外作用力其實就是大小齒輪嚙合時大齒輪軸承對減速箱輸出軸小齒輪的反作用力。

2.1 分析1

從圖1中我們可以看出大齒輪對小齒輪的作用力F可分解成2個分力，即水平方向的分力Fsinα、垂直方向的分力Fcosα。α角為齒形角，一般為20°。垂直方向的力為周向力（與輸出軸相切），對減速箱箱體不形成剪切力。水平分力垂直于輸出軸，對箱體形成剪切力。從現(xiàn)場看，此箱體為鑄鐵件，查資料可得知此類箱體一般采用HT15材料。HT15材料的抗拉強度為150MPa，因此箱體要被撕裂必須滿足以下條件：Fsinα／S＞150MPa。S為撕裂口面積和（第一次裂口），測量減速箱體S約為0.003m2。從旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理可以看出，帶有盤卷的芯棒由垂直旋轉(zhuǎn)到水平位置時電機減速機在工作過程中產(chǎn)生2個階段的力，第一階段的力為驅(qū)動力（即芯棒在垂直位置），第二階段的力為阻力（即芯棒不在垂直位置時要克服芯棒自重所產(chǎn)生的慣性力）。經(jīng)測算芯棒在45°位置時電機減速機所受的力最大，也就是我們要求的F力。根據(jù)力矩平衡原理可得出下列公式：

圖1 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理圖

式中，R為大齒輪軸承半徑，約為1m；m為盤卷重量，約為2.5t；L為盤卷重力的力臂長度，現(xiàn)場測量約為2.2m。

根據(jù)上述公式可算出F＝53900N，因此Fsinα／S＝6MPa＜150MPa，所以旋轉(zhuǎn)機構(gòu)平時正常工作是不可能導致減速箱體撕裂的，必須有一個很大的外施加力才會導致箱體撕裂。

2.2 分析2

從當時現(xiàn)場來看，集卷站靠修剪處的固定運動臂上臂（400×150×20）向下傾斜變形嚴重，根據(jù)操作工的描述，當旋轉(zhuǎn)芯棒轉(zhuǎn)到快30°位置時，運卷小車快速開到收卷位。這樣就造成運動臂與固定托盤十字叉打架，當旋轉(zhuǎn)芯棒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，由于運動臂的阻擋，芯棒不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這樣就會給電機減速機造成一個很大的外力。運動臂的材質(zhì)是45鋼，從現(xiàn)場來看其已經(jīng)嚴重變形，所以其所受壓力已過了屈服臨界點。45鋼的抗拉強度為600MPa，遠大于HT15的150MPa。根據(jù)固定臂的形狀以及受力面值，可算出固定運動臂受力為1800000N（旋轉(zhuǎn)芯棒轉(zhuǎn)到30°位置時，固定運動臂所受力臂與大齒輪軸承半徑基本一樣），根據(jù)力的相互作用原理，可知此時電機減速機也受到相應的1800000N的力，因此Fsinα／S＝200MPa＞150MPa，這樣就造成了減速箱體被撕裂。從前面表述的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理可以看出，只有當編碼器計數(shù)處于0°時，運卷小車才可以開到運卷位。但是當時現(xiàn)場的情況是旋轉(zhuǎn)芯棒才到30°位置，按正常情況編碼器的讀數(shù)也應是30°，但實際上編碼器計數(shù)卻處于0°。因此可得出結(jié)論，編碼器出故障導致計數(shù)失效導致了該事故的發(fā)生。

3 解決措施

3.1 在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)邊上安裝一個感應器

在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)邊上安裝一個感應器（旋轉(zhuǎn)芯棒到水平位置時，感應器發(fā)出感應信號），在控制器上加一個額外的控制程序，使得只有編碼器計數(shù)處于0°和感應器發(fā)出感應信號2條件同時滿足時，運卷小車才可以開到運卷位，從而避免當編碼器計數(shù)出故障時導致的各種故障。

3.2 把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，調(diào)短電機超負荷跳閘時間

把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，把電機超負荷跳閘時間調(diào)短。這樣即使出現(xiàn)運動臂與固定托盤十字叉打架等導致電機減速機瞬間受到很大外力沖擊的情況，也不會使箱體爆裂，而只會造成電機跳閘，從而保護了設備。

4 結(jié)語

通過以上分析，高線廠集卷站旋轉(zhuǎn)芯棒減速機殼體的爆裂主要是由編碼器計數(shù)失效所導致，針對此情況，在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)邊上安裝一個感應器，并把減速箱體材料改成45鋼以上材質(zhì)，同時調(diào)短電機超負荷跳閘時間，可以達到保護設備的目的。