高速线材集卷站承卷平台升降装置升级改造

张鑫鑫

(北京首钢国际工程技术有限公司 北京100043)

1 前言

集卷站是高速线材生产线盘卷收集区的关键设备，位于散卷冷却线尾部下方，其作用是把来自散卷冷却线的散状线圈垂直收集成盘卷并水平放到运卷车上，再由运卷车将盘卷运至P&F线钩式运输机的“C”形钩上[1]。其中承卷平台升降装置是集卷站关键设备之一，该设备环绕在芯棒周围，在链条的牵引下随着线卷不断下落，承卷平台也沿导向立柱同步下降，托住上方掉下的线卷的同时，也防止乱卷，基本原理如图1所示。

图1 承卷平台升降装置

承卷平台升的升降动作为电机驱动，主电机通过主传动轴上的链轮，拉动链条，从而控制承卷平台的上升和下降，主传动轴的传动原理如图2所示。

图2 主传动轴传动原理图

本设备在多家高速线材厂生产使用过程中，曾多次发生传动轴断裂的严重事故，因传动轴断裂造成设备无法工作，从而导致整条生产线停工。给生产厂造成一定的经济损失，同时引起各厂的高度重视，需找出传动轴断裂原因，避免事故反复发生。

2 事故原因分析

2.1 初步分析

本设备原始设计者为某外方设计院，出现事故的几个生产厂使用的设备也都是源自该外方设计院的设计，而这些设备的制造商都不同，不同设备制造商生产的设备出现同样的问题，基本排除设备制造和安装方面的原因，疑似原始设计可能会有问题。其次，再仔细观察传动轴断裂的实际情况，发现断面与轴线呈45度螺旋线方向。而当材料受到扭转力矩时，表面与轴线成45度方向的拉应力最大，当此应力超过材料的承载极限时该材料就会沿受力方向发生断裂。

经初步分析，主传动轴的设计强度不够应该是该事故频发的主要原因。

2.2 事故原因验证

承卷平台设备自重约3吨，盘卷最大自重约2.4吨，传动链轮需承载的总重约5.4吨，主传动轴材质为调质处理的45#钢。由于设备运行时频繁启停，并加速减速及正反转，主要载荷为交变载荷且有较大冲击，工况比较恶劣。针对此工况对转动轴进行受力分析，并针对此时的受力情况做出传动轴的弯矩图和扭矩图。具体受力分析如图3所示。

由图3的受力分析可以看出，该传动轴的工况较为复杂，在传递电机主要扭矩的同时还要承受很大的弯矩，是典型的弯扭组合受力工况。图中传动轴的A点是整个传动轴受力最大的地方，并存在应力集中现象，而该处也正是所有事故中传动轴断裂的地方。

图3 主传动轴受力分析

根据A点受力情况，对A点进行强度验算，当传动轴材质为45#钢时，在常规工况下，A点轴径d应满足下列条件：

即在常规工况下，A点的轴径应至少为107mm，而实际轴径仅为φ90mm，同时设备使用工况恶劣，目前的设计强度远远不足以满足设备的使用要求，故在生产过程中频繁出现传动轴断裂的生产事故。

综上，通过上述详细计算，再次验证了传动轴频繁断裂的主要原因就是主传动轴的设计强度不够，是原始设计的计算出现了偏差，该传动轴的强度无法应付现有工况，从而导致了生产事故频发。

3 改造方案

3.1 调整材质

简捷易实现的改造方案，即不改变所有设计尺寸，只改变传动轴的材质，使用更高强度的材质代替45#钢。如某厂将传动轴的材质更改为调质后的42CrMo，改造后有一定效果，传动轴使用寿命有所延长，但最后还是在同样的位置再次发生断裂。此外原设计方也提供了一种改造方案，该方案要更加保守一些，是将材质更改为调质后的45CrNiMoVA[2]，此方案确实可以解决传动轴频繁断裂的问题，但该方案的缺点是45CrNiMoVA这种材质在机械制造行业属于非主流材料，市面上较少，不易采购且价格昂贵。此外，原设计方给出的热处理要求还需将材料调质HB320～360，调质后的原材料硬度较高不利于机加工，也变相增加了设备的制造成本。

3.2 配重平衡法

配重平衡法。由于承卷平台本身的自重就很大，可以通过定滑轮系统对承卷平台增加3t左右的配重，平衡掉设备本身的自重[3]。从而大大减少传动轴工作时受到的动、静载荷，改善设备运行时的恶劣工况，大大延长了设备的使用寿命。此方案较第一种方案稍复杂，在生产厂也可实现。不足之处是该系统所占空间较大，承卷平台设备周边要有足够的空间安装定滑轮系统及配重。

3.3 调整结构

上文提到的两种改造方案都是基于在使用厂改造的前提条件，这些方案或受限于现场条件，或背离原始设计意图。本文从设计角度出发，在不改变传动轴材质的情况下，提供一种全新的解决方案。

升级改造方案的思路如下，首先通过改变传动轴的结构型式，达到改善其受力形式的目的，其次适当提高传动轴的承载能力。具体升级改造方案原理图如图4所示：

图4 改造方案原理图

1)改变传动轴的结构形式：将传动轴分为两段，中间用联轴器连接。每段传动轴各有两个轴承座来支撑，两个轴承座中间是承载链轮。这样，就使传动轴由变更前的弯扭组合受力变为主要传递扭矩载荷，大大改善了传动轴原本复杂的受力状况。

2)提高传动轴的承载能力：将传动轴应力集中处的轴径适当加大，如将轴径由原来的φ90mm加大到φ100mm，提高传动轴承载能力的同时，并不会对原设计做太大的变动，完全遵循原始设计理念。

按照改造后方案对传动轴进行疲劳强度安全系数校核，最大负载情况下，主传动轴受力分析如图5所示：

图5 改造后主传动轴受力分析

故传动轴危险截面的安全系数S计算如下：

计算安全系数大于安全系数许用值，故传动轴的疲劳强度足够。

4 结束语

前述设计方案完成后不久，即迎来实践检验机会。某高速线材厂搬迁改造工程，搬迁后要对盘卷收集设备进行升级改造。承卷平台升降装置主传动轴及轴系相关零部件采用已完成设计的升级改造方案进行设备更新。

目前，该厂投产已4年多。在此期间，该设备从未发生过主传动轴断裂的事故。实践证明，本次升级改造方案非常成功。

本文针对高速线材承卷平台的传动轴断裂事故，分析了现有升级改造方案的不足和缺陷，从设计角度提供一种解决问题的新思路以及更加优化的解决方案，在类似设备的设计及升级改造中具有借鉴参考的价值。