高速线材厂精整集卷（芯棒）减速机外壳断裂故障分析

刘志军 陈 嘉

（韶关钢铁广东韶钢工程技术有限公司，广东 韶关512122）

1 故障概述

高线厂集卷站主要由3大块组成，即集卷筒、旋转机构、运卷机构。集卷筒的功能是把散冷线的线卷收集成芯棒上的垂直盘卷，旋转机构的功能是把集卷筒里的垂直盘卷通过旋转变成水平盘卷，运卷机构的功能是把盘卷运到C型钩上。旋转机构由一台速比为29∶1的电机减速机（具体参数如表1所示）、大齿轮轴承、A／B2条交叉成90°的芯棒组成。

表1 电机减速机具体参数

旋转机构的工作原理是当集卷筒托盘降到位置后，位置感应器发出已到位信号给控制柜，控制柜发出动作信号给电机后端的编码器，从而使电机减速机带动A／B芯棒作180°往复旋转，以此实现把垂直盘卷变成水平盘卷的目的。电机后端的编码器同时又起到计数功能，当芯棒处于180°～30°之间时旋转机构是快速运转的，当芯棒处于30°～0°之间时旋转机构是慢速运转的，当编码器计数处于0°时，控制柜发出运卷小车可以前进的信号，此时小车就前进，运走盘卷。二高线从2008年投产到2011年10月28日20：00发生事故，这中间的4年时间里，旋转机构的电机减速机偶尔会出现输出轴端盖螺丝松动、轴头密封漏油现象。像整个减速箱体中间裂开、螺丝断掉的情况还是第一次出现，裂口为二次裂口，第一次为箱体内部，第二次沿着箱体一圈；螺丝断掉一枚，螺丝孔扩大成椭圆孔2个。

2 箱体裂开故障原因分析

箱体裂开肯定是有外力作用才会发生，并且外作用力要大于箱体材质本身固有的抗屈服强度。从上述旋转机构工作原理以及图1中可分析得出，外作用力其实就是大小齿轮啮合时大齿轮轴承对减速箱输出轴小齿轮的反作用力。

2.1 分析1

从图1中我们可以看出大齿轮对小齿轮的作用力F可分解成2个分力，即水平方向的分力Fsinα、垂直方向的分力Fcosα。α角为齿形角，一般为20°。垂直方向的力为周向力（与输出轴相切），对减速箱箱体不形成剪切力。水平分力垂直于输出轴，对箱体形成剪切力。从现场看，此箱体为铸铁件，查资料可得知此类箱体一般采用HT15材料。HT15材料的抗拉强度为150MPa，因此箱体要被撕裂必须满足以下条件：Fsinα／S＞150MPa。S为撕裂口面积和（第一次裂口），测量减速箱体S约为0.003m2。从旋转机构工作原理可以看出，带有盘卷的芯棒由垂直旋转到水平位置时电机减速机在工作过程中产生2个阶段的力，第一阶段的力为驱动力（即芯棒在垂直位置），第二阶段的力为阻力（即芯棒不在垂直位置时要克服芯棒自重所产生的惯性力）。经测算芯棒在45°位置时电机减速机所受的力最大，也就是我们要求的F力。根据力矩平衡原理可得出下列公式：

图1 旋转机构工作原理图

式中，R为大齿轮轴承半径，约为1m；m为盘卷重量，约为2.5t；L为盘卷重力的力臂长度，现场测量约为2.2m。

根据上述公式可算出F＝53900N，因此Fsinα／S＝6MPa＜150MPa，所以旋转机构平时正常工作是不可能导致减速箱体撕裂的，必须有一个很大的外施加力才会导致箱体撕裂。

2.2 分析2

从当时现场来看，集卷站靠修剪处的固定运动臂上臂（400×150×20）向下倾斜变形严重，根据操作工的描述，当旋转芯棒转到快30°位置时，运卷小车快速开到收卷位。这样就造成运动臂与固定托盘十字叉打架，当旋转芯棒继续旋转时，由于运动臂的阻挡，芯棒不能继续转动，这样就会给电机减速机造成一个很大的外力。运动臂的材质是45钢，从现场来看其已经严重变形，所以其所受压力已过了屈服临界点。45钢的抗拉强度为600MPa，远大于HT15的150MPa。根据固定臂的形状以及受力面值，可算出固定运动臂受力为1800000N（旋转芯棒转到30°位置时，固定运动臂所受力臂与大齿轮轴承半径基本一样），根据力的相互作用原理，可知此时电机减速机也受到相应的1800000N的力，因此Fsinα／S＝200MPa＞150MPa，这样就造成了减速箱体被撕裂。从前面表述的旋转机构工作原理可以看出，只有当编码器计数处于0°时，运卷小车才可以开到运卷位。但是当时现场的情况是旋转芯棒才到30°位置，按正常情况编码器的读数也应是30°，但实际上编码器计数却处于0°。因此可得出结论，编码器出故障导致计数失效导致了该事故的发生。

3 解决措施

3.1 在旋转机构边上安装一个感应器

在旋转机构边上安装一个感应器（旋转芯棒到水平位置时，感应器发出感应信号），在控制器上加一个额外的控制程序，使得只有编码器计数处于0°和感应器发出感应信号2条件同时满足时，运卷小车才可以开到运卷位，从而避免当编码器计数出故障时导致的各种故障。

3.2 把减速箱体材料改成45钢以上材质，调短电机超负荷跳闸时间

把减速箱体材料改成45钢以上材质，把电机超负荷跳闸时间调短。这样即使出现运动臂与固定托盘十字叉打架等导致电机减速机瞬间受到很大外力冲击的情况，也不会使箱体爆裂，而只会造成电机跳闸，从而保护了设备。

4 结语

通过以上分析，高线厂集卷站旋转芯棒减速机壳体的爆裂主要是由编码器计数失效所导致，针对此情况，在旋转机构边上安装一个感应器，并把减速箱体材料改成45钢以上材质，同时调短电机超负荷跳闸时间，可以达到保护设备的目的。