劉宇寧,羅東升

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)有限公司，上海 200941)

冷軋平整機(jī)工藝輥螺釘斷裂原因分析及對(duì)策

劉宇寧,羅東升

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)有限公司，上海 200941)

以寶鋼冷軋1730連退平整機(jī)組的工藝輥為例，采用有限元技術(shù)分析了工藝輥螺釘斷裂原因，主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不合理因素使螺釘疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備不足引起的。針對(duì)分析結(jié)果，采取了重新設(shè)計(jì)工藝輥結(jié)構(gòu)，取消用螺釘連接固定軸承座和輥筒的形式，而是將軸承座分為兩部分，軸承座加上透蓋的形式。收到良好使用效果，徹底消除了工藝輥因螺釘斷裂而引發(fā)的故障。

連退機(jī)組；鍍鋅機(jī)組；平整機(jī)；工藝輥；堵輥

0 前言

酸洗機(jī)組、連退機(jī)組、鍍鋅機(jī)組等冷軋板生產(chǎn)線都配有平整軋機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)平整機(jī))，平整作為冷軋板產(chǎn)品生產(chǎn)中后道工序，其主要作用是改善板材的機(jī)械性能和外形質(zhì)量。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的冷軋板材產(chǎn)量不斷增加，用戶對(duì)帶鋼機(jī)械性能、板形、表面質(zhì)量等方面要求的不斷提高，使冷軋板市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，所以平整機(jī)工藝輥的工作性能以及穩(wěn)定性就越發(fā)顯得重要。大部分平整機(jī)組的工藝輥在線使用更換周期為一年，期間偶爾會(huì)發(fā)生工藝輥軸承座端面固定螺釘斷裂的現(xiàn)象，造成“堵輥”故障并劃傷鋼帶、帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

1 平整機(jī)工作原理及輥系布置

平整機(jī)工作原理是指在常溫狀態(tài)下，使板帶經(jīng)過(guò)軋機(jī)工作輥時(shí)有(0.5%～4%)小的壓下率，發(fā)生了二次冷軋軋制變形，使板材的機(jī)械性能、板形及板面質(zhì)量得到改善，以滿足成品板材性能的提升。

平整機(jī)輥系組成：以寶鋼冷軋1730連退機(jī)組六輥CVCplus平整機(jī)為例說(shuō)明，如圖1所示。

圖1 平整機(jī)輥系組成Fig.1 Roll system of the temper rolling mill

從圖1可以看出平整機(jī)的輥系有2部分組成；一部分是垂直方向直接參與軋制鋼板的軋輥組成：支承輥、中間輥、工作輥；另一部分是水平方向在工作輥前后布置的起輔助作用輥?zhàn)樱喝鐝埩y(cè)量輥、轉(zhuǎn)向輥、防皺輥等；這些不參與直接軋制的起輔助作用的輥?zhàn)樱追Q(chēng)為“工藝輥”。

平整機(jī)組的工藝輥是為了保障和充分發(fā)揮平整軋機(jī)性能，提升板材質(zhì)量而設(shè)置的，各種平整機(jī)都有不同的特點(diǎn)，配置了各不相同的工藝輥，配置在平整機(jī)工作輥前后的機(jī)架上。同一類(lèi)型的平整機(jī)配置的工藝輥都具有相同的結(jié)構(gòu)和安裝接口，只是輥徑有所不同。平整機(jī)的工藝輥都是被動(dòng)輥，依靠板帶張力形成的摩擦力工作，其運(yùn)轉(zhuǎn)受到諸多因素及條件影響、制約，并直接關(guān)系到冷軋板材成品質(zhì)量和平整機(jī)工作的穩(wěn)定性。

1.輥筒 2.輥軸 3.深溝球軸承 4.波形彈簧 5.鎖緊螺母6.定距環(huán) 7.擋圈 8.軸承座 9.螺釘 10.鎖緊螺母 11.加脂嘴 12.密封圈 13.密封軸套 14.隔圈圖2 工藝輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process roll structure

2 工藝輥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

從工藝輥結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，輥筒通過(guò)板帶摩擦力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，輥筒通過(guò)兩側(cè)的軸承座端面螺釘固定連接，再通過(guò)球軸承與輥軸產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，輥軸兩端外側(cè)軸頭通過(guò)方身固定在平整機(jī)的機(jī)架上。工藝輥工作時(shí)輥軸固定不動(dòng)，輥筒隨著鋼帶做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工藝輥固定端的球軸承的內(nèi)外圈都是固定，自由端的球軸承外圈固定，內(nèi)圈可以游動(dòng)，用以補(bǔ)償輥筒工作時(shí)熱脹冷縮的變化；件4波形彈簧安裝在自由端球軸承的內(nèi)圈與件6定距環(huán)之間，用來(lái)保證球軸承滾動(dòng)體與游動(dòng)的軸承內(nèi)圈滾道有良好接觸面，使軸承旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；這種工藝輥明顯的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小，不易打滑，使用維護(hù)簡(jiǎn)單。但是這種工藝輥也普遍存在致命的弱點(diǎn)，就是會(huì)偶爾發(fā)生軸承座端面螺釘斷裂，造成堵輥停機(jī)的故障，給平整機(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)較大威脅。

3 工藝輥螺釘斷裂原因分析

根據(jù)前述工藝輥的結(jié)構(gòu)和工作原理，首先要分析工藝輥設(shè)計(jì)上受力情況：工藝輥在帶鋼的作用下?lián)锨冃屋^小，可以假設(shè)帶鋼對(duì)于工藝輥的作用是均布的。受力如圖3所示，將帶鋼作用于工藝輥上的壓強(qiáng)表示為P，帶鋼的張力為T(mén)，帶鋼的寬度為B；記帶鋼對(duì)工藝輥的包角為α，這里取過(guò)工藝輥中心線與包角中心線的平面內(nèi)工藝輥徑向合力為F沿著圖示x軸，帶鋼與x軸的夾角為θ，工藝輥的半徑為R。

圖3 工藝輥承載示意圖Fig.3 Schematic diagram of the process roll loading

工藝輥在使用過(guò)程中發(fā)生軸承座端面固定螺釘斷裂的現(xiàn)象，根據(jù)工藝輥設(shè)計(jì)圖紙，工藝輥輥筒與軸承座之間是間隙(0.015～0.09mm)配合，那么在工作過(guò)程中軸承座端面螺釘要起到傳遞扭矩載荷的作用，把來(lái)自輥筒的載荷傳遞給軸承。根據(jù)工藝輥軸承座端面螺釘承受載荷的特點(diǎn)，那么螺釘發(fā)生斷裂的原因初步分析主要有2個(gè)原因，一是螺釘設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度不足，二是軸承座端面螺釘承受交變載荷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，螺釘?shù)目蛊趶?qiáng)度不足。本文分別從這二個(gè)方面進(jìn)行模擬計(jì)算，一是驗(yàn)算螺釘抗剪切強(qiáng)度是否滿足機(jī)械強(qiáng)度要求。二個(gè)是計(jì)算分析螺釘?shù)目蛊谛阅苁欠駶M足需要.

3.1 工藝輥軸承座端面螺釘強(qiáng)度計(jì)算

在帶鋼帶動(dòng)下，假設(shè)先軸承損壞堵轉(zhuǎn)時(shí)，輥筒通過(guò)螺釘傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩將會(huì)急劇增大，螺釘受到的剪切力隨之增大。堵轉(zhuǎn)通常不會(huì)同時(shí)發(fā)生于工藝輥兩端軸承，即在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，只會(huì)有一端軸承座端面螺釘承受所有的扭矩以及相應(yīng)的彎矩，而另一端則不承受扭矩，只承受相應(yīng)的彎矩，設(shè)定此情景之下進(jìn)行螺釘剪切強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)圖紙，工藝輥軸承座端面各有16個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘與輥筒固定，螺釘規(guī)格為ISO4762 M8×25，強(qiáng)度級(jí)別為8.8級(jí)，抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為640 MPa，有效截面積查得36.6 mm2。

假設(shè)在張力最大工況下，即帶鋼張力為T(mén)=150 kN，帶鋼寬度B=1 630 mm，工藝輥發(fā)生堵轉(zhuǎn)后，帶鋼與輥?zhàn)硬话l(fā)生相對(duì)滑移，帶鋼作用在工藝輥上所有的扭矩將由螺釘承載，鋼板對(duì)輥筒的摩擦力矩：

M=F×μ×R=2×T×sinα/2×μ×R

輥面承受鋼帶壓力F=2×T×sinα/2 kN

此時(shí)，T=150 kN，包角α=36.63°，

輥?zhàn)影霃絉=150 mm，摩擦系數(shù)μ=0.15

由上面公式計(jì)算得：M=2.12 kN·m，此摩擦力矩在工藝輥發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，將完全以扭矩的形式由一側(cè)螺釘以抗剪方式進(jìn)行承載。假設(shè)各個(gè)螺釘受力均勻，則有：

Fτ×R×16=M

式中，F(xiàn)τ為單個(gè)螺釘承受的剪力;R為螺釘固定半徑；M為最大扭矩。

在螺釘承受扭矩受力分布均勻的情況下，τ<τp，螺釘不會(huì)發(fā)生剪切破壞，螺釘抗剪切設(shè)計(jì)強(qiáng)度是沒(méi)有問(wèn)題的。

根據(jù)理論公式初步計(jì)算在正常工作狀態(tài)下螺栓的剪切強(qiáng)度是足夠的，然后再采用有限元方法進(jìn)一步核算螺栓的剪切強(qiáng)度，如圖3所示為工藝輥載荷示意圖。

根據(jù)圖3工藝輥進(jìn)行受力分析，由X方向力平衡得方程：

對(duì)于此工況，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的P=0.613 MPa。

如圖4所示為工藝輥對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算模型圖及載荷加載情況圖，由于堵轉(zhuǎn)發(fā)生在工藝輥的一側(cè)，對(duì)于工藝輥的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分，堵轉(zhuǎn)的一側(cè)采用耦合全部自由度的方式，而在另一側(cè)釋放軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以此考慮堵轉(zhuǎn)情況下只有一端的螺栓承受全部的扭矩。工藝輥轉(zhuǎn)軸一端固定，一端放開(kāi)軸向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，扭矩加載在工藝輥筒上，考慮重力加速度。

所有載荷張力、扭矩、工藝輥?zhàn)灾氐闹等缬邢拊Ｐ洼d荷圖4所示。

圖4 工藝輥有限元載荷示意圖Fig.4 The process roll loading

有限元模型中，為便于模型網(wǎng)格劃分，建立螺釘時(shí)，簡(jiǎn)化為有效截面積相當(dāng)?shù)男问?，不考慮螺帽的內(nèi)六角形式。工藝輥軸承座和輥筒間采用摩擦接觸，假設(shè)最不利情況下，摩擦系數(shù)為0，所有的扭矩均由螺釘承載。如圖5所示為工藝輥螺釘剪應(yīng)力云圖，可以看出，在正常工作狀態(tài)下，一圈螺栓均勻受力，最大剪應(yīng)力為28.52 MPa，也小于螺釘?shù)脑S用剪應(yīng)力128 MPa，螺栓的剪切強(qiáng)度在設(shè)計(jì)上是能夠滿足使用要求的。

實(shí)際情況中，在交變載荷作用及振動(dòng)等因素影響下，很可能在工藝輥使用過(guò)程中形成只有部分螺釘承受扭矩載荷的情況，假設(shè)工藝輥一側(cè)只有5個(gè)以上螺釘同時(shí)承載時(shí)，進(jìn)行有限元模擬分析，計(jì)算結(jié)果顯示螺釘承受剪應(yīng)力為92.54 MPa，仍小于螺釘許用剪應(yīng)力128 MPa。螺栓的剪切強(qiáng)度仍能夠滿足強(qiáng)度要求的。

圖5 工藝輥5顆螺釘剪應(yīng)力Fig.5 The shear stress of the five bolts of the process roll

上述通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和有限元方法核算，螺釘抗剪的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的。但實(shí)際工藝輥在修復(fù)過(guò)程中，曾把螺釘由M8X25-8.8換成 M10X25-8.8依然還會(huì)發(fā)生斷螺釘?shù)默F(xiàn)象。

3.2 軸承座端面螺釘疲勞壽命計(jì)算

通過(guò)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算分析螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度能夠滿足要求，那為什么還會(huì)發(fā)生斷螺釘?shù)默F(xiàn)象呢？一般機(jī)械零件在工作過(guò)程中，在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的疲勞。疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。那么會(huì)不會(huì)是螺釘?shù)钠趶?qiáng)度不足而引起的呢？

螺釘?shù)穆菁y通常是通過(guò)滾壓成型的，本可以提高螺釘疲勞強(qiáng)度，可由于螺紋的溝槽底部尖角易形成應(yīng)力集中，通過(guò)螺釘連接的零件之間一般是沒(méi)有間隙的，在計(jì)算螺釘強(qiáng)度時(shí)只校核螺釘?shù)目估?、抗剪?qiáng)度指標(biāo)能夠滿足要求就可了。本案當(dāng)中工藝輥螺釘連接輥筒和軸承座，在兩被連接部件之間的徑向、軸向方向的連接都是有設(shè)計(jì)間隙存在，工藝輥在工作中螺釘受力好比旋轉(zhuǎn)的懸臂梁，受到復(fù)雜的軸向、徑向交變應(yīng)力，這些設(shè)計(jì)不理因素都會(huì)導(dǎo)致螺釘疲勞性能下降。

圖6 工藝輥模型圖和局部放大圖 Fig.6 The process roll model and partial enlarged

圖7 工藝輥螺釘幾何模型和網(wǎng)格圖Fig.7 The geometric model and mesh of the process roll screw

疲勞計(jì)算的有限元模型的載荷加載情況和圖4相同，也就是張力最大的情況，對(duì)于工藝輥施加相應(yīng)的載荷。螺釘為M8強(qiáng)度8.8級(jí)，螺釘?shù)臄Q緊力矩為18N·m。

工作過(guò)程中，帶鋼的最大速度12.67 m/s，工藝輥在1 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)13.5轉(zhuǎn)，工藝輥螺釘受力的一個(gè)循環(huán)周期分別是工藝輥為0.07 s。

在實(shí)際工作中，螺釘?shù)慕蛔冚d荷是隨工藝條件的不同而變化的，此處取最大張力工況進(jìn)行疲勞計(jì)算，即帶鋼張力為150 kN，帶鋼寬度1 630 mm的情況。根據(jù)工程上螺釘疲勞分析情況，此處螺釘材料的疲勞強(qiáng)度因子取為0.8。

本文疲勞分析采用ANSYS軟件，計(jì)算中加入螺紋細(xì)節(jié)情況，考慮螺釘預(yù)緊和螺紋處的應(yīng)力相對(duì)集中情況，以較準(zhǔn)確衡量螺釘?shù)氖芰ΑＭㄟ^(guò)細(xì)化螺釘局部網(wǎng)格，得到該處應(yīng)力分布后，由于一圈螺釘具有對(duì)等性，單獨(dú)取其中一個(gè)螺釘進(jìn)行疲勞分析。此處計(jì)算考慮所有螺釘受力均勻的情況。

ANSYS 疲勞計(jì)算以ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范( ASME Boiler and Pressure Vessel Code) 作為計(jì)算的依據(jù)，采用簡(jiǎn)化了的彈塑性假設(shè)和Miner損傷累積疲勞準(zhǔn)則。

Goodman 理論適用于低韌性材料，對(duì)壓縮平均應(yīng)力沒(méi)能做修正，Soderberg 理論比Goodman理論更保守，并且在有些情況下可用于脆性材料，Gerber 理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力 提供很好的擬合，但它不能正確地預(yù)測(cè)出壓縮平均應(yīng)力的有害影響。此處可以采用Goodman 理論進(jìn)行分析。

如圖8所示為工藝輥的疲勞壽命分布云圖及局部放大圖，可以看到，當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到2.694e7s即10個(gè)月時(shí)，螺釘?shù)谋砻鎸⒂休^大面積出現(xiàn)疲勞損傷現(xiàn)象，一旦這種現(xiàn)象出現(xiàn)， 將發(fā)生螺釘斷裂。

圖8 工藝輥螺釘有限元分析的疲勞壽命Fig.8 The fatigue life of the process roll screw

綜上所述，即便是在極限載荷下，螺釘?shù)膹?qiáng)度是完全滿足設(shè)計(jì)需求的，也就是說(shuō)在一般情況下螺釘不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度問(wèn)題引發(fā)的破壞。但是，由于工藝輥工作中，螺釘始終處在一個(gè)比較復(fù)雜交變應(yīng)力條件下，且交變頻率相對(duì)較高。以案例工藝輥在使用10月就會(huì)有螺釘就發(fā)生疲勞破壞而斷裂風(fēng)險(xiǎn)，這里疲勞分析是以鋼帶最大張力時(shí)的工況，如果以機(jī)組70%～80%負(fù)荷量工作進(jìn)行計(jì)算分析，工藝輥的螺釘疲勞壽命基本上可維持到1年；如果工藝輥軸承座端面螺釘發(fā)生松動(dòng)、或載荷分布不均以及螺釘制造上存在瑕疵的情況下，螺釘?shù)膲勖鼘?huì)大大降低。實(shí)際上螺釘疲勞失效是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，螺釘斷裂也不會(huì)同時(shí)斷裂的，由于工藝輥安裝位置及環(huán)境因素影響，在線維護(hù)檢查不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以至于堵輥劃傷鋼帶等故障發(fā)生后才被發(fā)現(xiàn)。一般同類(lèi)工藝輥正常在線使用周期為1年，所以工藝輥在線使用期內(nèi)偶而發(fā)生螺釘斷裂，造成了堵輥故障現(xiàn)象就有了合理的解釋。

4 采取改進(jìn)的對(duì)策措施和實(shí)施效果

通過(guò)前面計(jì)算分析計(jì)算，得出了工藝輥軸承座端面螺釘斷裂的原因，主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)

計(jì)上不合理因素使螺釘疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備不足引起的。

針對(duì)分析結(jié)果，采取了重新設(shè)計(jì)工藝輥結(jié)構(gòu)，取消用螺釘連接固定軸承座和輥筒的形式，而是將軸承座分為兩部分，軸承座加上透蓋的形式。在透蓋外采用卡簧的固定軸承座套的軸線方向、圓周旋轉(zhuǎn)方向采用圓柱銷(xiāo)定位的設(shè)計(jì)方案；改進(jìn)的工藝示意圖如圖10所示。

圖9 工藝輥改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 The optimized structure of the process roll

新改進(jìn)設(shè)計(jì)的工藝輥，出口和入口輥各制造了一根，并于2014年4月上機(jī)，投入1730連退平整機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證使用。采取超期服役驗(yàn)證的苛刻的方式，一直正常使用到2015年11月才下機(jī)。新改進(jìn)設(shè)計(jì)的工藝輥在線連續(xù)使用時(shí)間最終達(dá)到了近19個(gè)月，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的工藝輥改進(jìn)設(shè)計(jì)成功，運(yùn)行可靠，消除了原結(jié)構(gòu)的工藝輥的故障現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)了前期的驗(yàn)證后，1730冷軋連退平整機(jī)的出入口工藝輥已全部更換為新品工藝輥。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)寶鋼1730冷軋連退平整機(jī)工藝輥螺釘斷裂的原因分析以及改進(jìn)措施的驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明：在設(shè)計(jì)同類(lèi)輥?zhàn)咏M件時(shí)，除了要核算常規(guī)下的零件機(jī)械強(qiáng)度外，還應(yīng)需校核輥?zhàn)釉诔惺芙蛔儜?yīng)力作用下、零件抗疲勞強(qiáng)度是否能滿足疲勞壽命的要求。

建議使用相同結(jié)構(gòu)工藝輥的其他冷軋機(jī)組如酸洗、鍍鋅平整機(jī)組可以采用本文新結(jié)構(gòu)的工藝輥以提高工藝輥工作的可靠性，減少平整機(jī)故障停機(jī)時(shí)間。

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Analysis and countermeasures on screw fracturing of the process roll of cold strip temper rolling mill

LIU Yu-ning, LUO Dong-sheng

(Shanghai Baosteel Industry Technological Services Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

This paper, take the process roll of temper mill of the Baosteel 1730mm cold milling continuous annealing line(CAL) as an example, analyzed screws breakage reasons with finite element method. It was mainly due to some unreasonable factors in the structure design, which causing insufficient reserves of the fatigue strength of the screw. According to the results of analysis, it redesigned the structure of the process roller. With canceling the fixed form of screw connection between bearing house and roller, in the new form that the bearing house was divided into two parts, cover and house. After that it is completely eliminate that the fault stopping roll caused by broken screws.

CAL；coating galvanized line(CGL); temper rolling mill；the process roll；stopped-roll

2016-05-20；

2016-06-15

劉宇寧(1971-)，男，工程師，研究方向：冶金機(jī)械設(shè)備再制造技術(shù)。

羅東升(1963-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：冶金機(jī)械設(shè)備再制造技術(shù)。

TG333

A

1001-196X(2016)06-0100-06