基于Simulation 仿真的輥道卡阻原因分析及改造

周松濤 楊草原

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

某1 780 mm 傳統(tǒng)熱連軋生產(chǎn)線，由加熱爐、粗軋機(jī)、中間輥道/中間坯保溫罩、切頭飛剪、精軋機(jī)組、層流冷卻裝置、地下卷取機(jī)、鋼卷運(yùn)輸設(shè)備等組成。粗軋機(jī)和精軋機(jī)由中間輥道連接，起運(yùn)輸中間坯的作用，并與安裝在正上方的傾翻式保溫罩形成保溫結(jié)構(gòu)，對中間坯進(jìn)行保溫，減少熱量損失。通過操作可以抬起或落下不同組數(shù)的上部保溫罩，用來調(diào)節(jié)中間坯的溫度，從而實現(xiàn)精軋的進(jìn)鋼溫度調(diào)控。該區(qū)域的設(shè)備布置如圖1所示，運(yùn)行工況見表1。

圖1 熱連軋中間輥道區(qū)域設(shè)備布置

表1 熱連軋中間輥道運(yùn)行工況

1 設(shè)備概況及存在問題

該生產(chǎn)線在投產(chǎn)初期，靠近精軋機(jī)一側(cè)的中間輥道幾乎全都發(fā)生了間斷性卡阻現(xiàn)象，造成輥道電機(jī)跳閘，甚至無法運(yùn)輸中間坯，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。同時，由于運(yùn)輸中間坯停滯，對中間輥道的高溫烘烤使輥身發(fā)生彎曲，更惡化了輥道設(shè)備的狀況，對輥道本身造成損壞。由于生產(chǎn)量任務(wù)增加，現(xiàn)場利用兩塊中間坯通過輥道的間隔時間，人工對輥道的軸承座和輥徑輥身進(jìn)行澆水冷卻，通過人工冷卻這一臨時措施維持生產(chǎn)。因此，需要對該問題進(jìn)行分析，找到解決問題的最好辦法。

2 輥道卡阻的原因分析與核算

2.1 原因分析

輥道卡阻在排除了輥身等外部干涉擠壓和潤滑正常等因素外，就只有輥?zhàn)友b配內(nèi)部的原因了，中間輥道輥?zhàn)友b配如圖2 所示。

圖2 中間輥道輥?zhàn)友b配

電機(jī)端輥?zhàn)虞S承有軸向定位，而非電機(jī)端即游動端軸承內(nèi)圈有軸向定位，而外圈無軸向定位，這樣在軸身發(fā)生熱脹時軸向可以自由竄動，游動端軸承兩側(cè)都有間隙，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是在輥道受熱伸長后，固定端不動，其輥?zhàn)由扉L量由游動端吸收。該軸承軸向間隙如圖3 所示。通過查詢各相關(guān)零件圖并核對尺寸后，可知該游動端軸承設(shè)計的允許最大縮短量為2 mm，超過此范圍定距環(huán)將會與密封環(huán)摩擦產(chǎn)生卡阻；最大伸長量為5 mm，超過此范圍輥身將會與密封環(huán)摩擦產(chǎn)生卡阻。

圖3 輥道游動端軸向間隙

事故發(fā)生后，現(xiàn)場解體軸承座后發(fā)現(xiàn)，游動端軸承座密封環(huán)與輥?zhàn)咏Y(jié)合處有嚴(yán)重的磨損，由于密封環(huán)與軸承座是固定在輥道基礎(chǔ)上的，由此判斷造成這種磨損的原因是輥?zhàn)邮軣崤蛎浰隆?/p>

2.2 中間輥道熱膨脹量核算及仿真

2.2.1 核算條件的確定

為了核算輥道的熱膨脹量，采用材料力學(xué)理論計算和有限元分析兩種方法進(jìn)行比對。要進(jìn)行理論計算，需要知道輥?zhàn)拥拈L度等參數(shù)及溫度的變化情況，以此確定核算條件并建立仿真模型。

中間輥道采用交流變頻調(diào)速電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，雙止口定位，實心鍛鋼輥?zhàn)?，輥道軸承采用SKF 調(diào)心滾子軸承，C3 游隙。由圖紙尺寸可知，該輥道兩軸承的中心距為2 730 mm，材料為鍛鋼30Mn5，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.26，熱膨脹系數(shù)為 12.4×10-6℃-1。

現(xiàn)場生產(chǎn)期間，利用兩塊板坯中間的空隙時間，用手持式高溫測量儀測量輥身溫度，測溫點(diǎn)取輥身中間位置，測量次數(shù)不少于10 次，測得的最高溫度為267 ℃，考慮到與過鋼時的偏差，取277 ℃作為計算溫度，即熱膨脹量核算的依據(jù)是由常溫 20 ℃升至 277 ℃。

2.2.2 建立輥?zhàn)佑邢拊Ｐ图盁崤蛎浄抡?/p>

運(yùn)用Solidworks 軟件建立輥?zhàn)訉嶓w模型，有限元模型采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)16 950，單元數(shù)10 624。其實體模型與網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 輥?zhàn)訉嶓w模型及網(wǎng)格劃分

通過Simulation 有限元模塊進(jìn)行模擬分析時，固定電機(jī)端，輥身長度為 1 630 mm、277 ℃時的熱膨脹形態(tài)及等效位移云圖如圖5 所示[1]。

從圖5 可以看出，輥?zhàn)影l(fā)生明顯的熱膨脹變形，其變形最大的部位是在輥?zhàn)佑蝿佣溯S承處，最大的變形位移為 7.619 9 mm。因此，在 277 ℃溫度時輥?zhàn)拥臒崤蛎浀刃灰茷?.62 mm。

圖5 輥?zhàn)拥刃灰圃茍D

仿真結(jié)果顯示，在正常生產(chǎn)時的輥身最大膨脹量為7.62 mm，大于設(shè)計允許的膨脹量5 mm。

2.2.3 力學(xué)計算比對

為了驗證和比對仿真的真實性，再從材料力學(xué)方面進(jìn)行理論計算。在計算時，假設(shè)整根輥?zhàn)訛橹睆?60 mm 的圓柱形，假設(shè)沿輥?zhàn)娱L度方向上受熱均勻，且溫度均為最高溫度277 ℃。根據(jù)材料力學(xué)溫度應(yīng)力公式，其輥身的膨脹量為[2]：

將數(shù)據(jù)代入式（1）可得輥身膨脹量ΔL=8.70 mm。計算結(jié)果顯示，在正常生產(chǎn)時的輥身最大膨脹量為8.70 mm，大于設(shè)計允許的膨脹量5 mm。如果該生產(chǎn)線在冬季寒冷天氣長時間檢修時，輥身將會縮短，代入式（1）可知輥?zhàn)涌s短到2 mm 時的環(huán)境溫度需降低至-46.58 ℃，這是不可能的。

仿真分析與人工計算結(jié)果有偏差，這是因為人工計算的兩個假設(shè)造成的：假設(shè)輥?zhàn)颖旧碇睆酵ㄩL為最大直徑；假設(shè)沿輥身全長受熱為最高溫度。而實際板坯最大寬度為1 630 mm，小于輥身長度 1 780 mm。

通過以上兩種理論核算，輥?zhàn)拥淖畲鬅崤蛎浟孔钌偈?.62 mm，大于設(shè)計間隙5 mm，從而造成零件之間的摩擦，這是輥道卡阻產(chǎn)生的根本原因。

3 改造方案

在密封環(huán)與輥身之間的5 mm 間隙處，將密封環(huán)的A 環(huán)面在原基礎(chǔ)上多加工掉4 mm，將裝配間隙從5 mm 擴(kuò)大到9 mm，這樣就可以保證輥道在發(fā)生溫升以后，有足夠的伸長空間，這樣不會發(fā)生零件間摩擦而卡阻。且這樣加工不影響密封環(huán)的強(qiáng)度。

利用檢修等停車時間將密封環(huán)拆下，加工后重新回裝，投入使用后，沒有發(fā)生過卡阻故障，問題得到了解決。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場測量并利用Simulation 有限元分析方法，得出中間輥道軸向間隙設(shè)計偏小是造成輥道卡阻的原因。根據(jù)計算和仿真結(jié)果提出了改造方案，卡阻問題得到了解決，避免了事故發(fā)生，有效降低了產(chǎn)線運(yùn)行成本。