热镀锌开卷机涨缩系统失效分析

王立新 胡志雄

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430083)

热镀锌开卷机涨缩系统失效分析

王立新 胡志雄

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430083)

开卷机是连续热镀锌生产线上的重要设备之一，而开卷机的涨缩系统的正常运行是保证开卷机完成开卷送料工序的必要条件。根据连续热镀锌生产线的实际生产情况及设备运行状态，针对开卷机在生产运行过程中频繁发生涨缩缸杠头断裂，拉杆断裂及铜滑条勾头断裂等导致开卷失效的问题，进行了探讨与研究，并提出了解决问题的办法及优化方案。

开卷机；涨缩系统；断裂；优化

0 引言

在连续热镀锌生产线上，开卷机是确保生产线连续正常运行的重要设备之一。在国内某大型钢厂的冷轧分厂，有三条连续热镀锌生产线，这些生产线设备工艺先进，均由德国SMS-DEMAG公司引进技术总包，于2004年进行规划设计，2006年开始生产运行，年产量120万吨，可生产普通建材用板、高铝板、轻工业用板、家电板和高级汽车板等等优质产品。但是自机组投产运行以来，在连续生产的过程中，开卷机频繁发生涨缩缸杠头断裂，拉杆断裂及铜滑条勾头断裂等导致开卷失效的故障问题，严重影响了连续热镀锌生产线的正常生产和运行，增加了机组非正常停机次数与停机时间，降低了生产效率且增加了设备维护管理成本。在这些故障频发的阶段，镀锌产品的质量缺陷问题大幅度增加，产品判废率提高，直接导致产线经济效益下滑。

1 开卷机技术特点及动作分析

在热镀锌连续生产线上，开卷机用于钢卷开卷及支撑，并在钢卷运行后提供张力，主要由传动电机、减速箱、卷筒芯轴、对中装置，涨缩液压缸及接头和卷筒外伸支撑等部件组成。其中卷筒的内部构造又由芯轴、液压缸、拉杆、扇形块、铜滑条，闷头等组成，它的结构示意图如图1所示，为悬臂式液压涨缩型结构设计。

图1 开卷机涨缩系统内部构造示意图

如图1所示，液压涨缩缸通过HUB与拉杆连接，拉杆前端通过螺母连接使拉杆与闷头配合，铜滑条前端勾头处与闷头凸台面配合连接。当钢卷小车运送钢卷上卷开卷时，开卷机的卷筒是这样运动的:涨缩缸先通过拉杆以及闷头带动四块铜滑条向前运动，扇形块与铜滑条配合面为楔形设计，因此扇型块将沿着楔形斜面下降，开卷机卷筒外径缩小，钢卷小车将钢卷送入卷筒。这时，涨缩缸通过拉杆及闷头带动铜滑条向后运动，导致扇形块沿楔形斜面上升，卷筒外径扩大，挤压钢卷内径，从而起到涨紧钢卷内壁，通过摩擦力的作用，保证钢卷与开卷机卷筒在开卷的过程中是处于相对静止的状态，再经过纠偏对中等程序，开卷机就完成了一次完整的上卷开卷动作。开卷机卷筒外径的大小可以通过定位螺母(图1中标示1)来调节，进而调节了在涨缩过程中卷筒与钢卷之间的涨紧力，这是在开卷生产过程中必然用到的调节手段。

2 开卷机涨缩系统失效形式

开卷机的频繁失效一直困扰着连续热镀锌生产线的正常生产。从每次失效的形式观察分析，主要是两个方面的失效导致开卷机功能整体失效:第一种失效形式为开卷机的铜滑条勾头断裂失效，第二种失效形式为拉杆或涨缩缸杠杆断裂失效。

2.1 铜滑条勾头断裂失效

在热镀锌生产线开卷机运行现场，铜滑条勾头断裂失效图如图2所示，观察发现断裂处于沉头螺栓孔与勾头槽角部，如图3铜滑条CAD示意图所示，断裂处刚好位于图示应力集中点的位置，该处壁厚较薄，属于易断裂的部位。从图3也可以看出铜滑条勾头处与闷头配合端面危险界面有效抗拉横截面积小，在开卷机的运行中，由于铜滑条尺寸误差导致铜滑条滑动阻力过大，涨缩缸的拉力超过了铜滑条端部钩头所能够承受的拉力。另外沉头孔设计形式是不合理的，降低了铜滑条的受力强度。铜滑条勾头断裂失效后，会影响到开卷机的上卷速度，当失效严重时会导致钢卷上卷卡钢以至于开卷机无法上卷，从而须单机开卷应付生产，或停机处理铜滑条勾头断裂失效问题，降低了生产效率及经济效益。

图2 铜滑条勾头断裂实物图

图3 勾头CAD示意图

2.2 拉杆或涨缩缸杠杆断裂失效

从热镀锌连续生产线生产现场拍到的拉杆或涨缩缸杠杆断裂失效图如图4所示。从图4中可以看出断裂属于拉断，承受了过大的拉力导致的失效问题，且断裂的位置处于法兰的根部。如图5拉杆的CAD示意图所示，断裂的位置刚好处于图示的应力集中点，从CAD示意图可以看出该处设计的倒角过小，不能够消除应力集中，在开卷机的连续运行中，此处产生了应力疲劳，达到一个设计所能够承受疲劳极限值时，就产生了疲劳断裂，以此也可以推断出，拉杆及涨缩缸受力部位原设计尺寸过小，随着开卷机的持续运行，此设计尺寸不适合当前的受力环境。拉杆或涨缩缸杠杆的断裂失效，同样会导致生产速度大大降低，尤其是在生产厚料时由于上钢卷时间太短而无法单机开卷，从而直接会致使生产机组停机，造成大量的产品产生质量缺陷而改判，直接降低了热镀锌产线的产能，对生产影响巨大。

图4 拉杠和涨缩缸失效部位实物图

图5 拉杠失效部位CAD示意图

3 开卷机涨缩系统失效优化

针对热镀锌连续生产线开卷机频繁失效的问题，经过仔细的研究与分析，反复对比现场的失效零件，失效断裂位置，断口形貌，设计结构特点，提出了整改与优化设计方案，在优化方案实行后，开卷机两种典型的失效形式，得到了有效的解决与控制。现阶段，在该厂三条连续热镀锌生产线上，再也没有出现过类似的开卷机失效形式。

3.1 铜滑条断裂失效优化

消除应力集中点，如图6所示，应力集中点即勾头处倒角原设计倒角为R1，现更改为R5，有效的减少了应力集中；增大铜滑条勾头受力面的面积尺寸，将铜滑条勾头处的厚度由原来设计的59mm增加到69mm，将原来不合理设计的沉头孔改为通孔，有效的增大了铜滑条的强度与抗拉能力。

图6 勾头示意图

调节卷筒收缩位置：在排查引起铜滑条断裂失效的原因时，检查卷筒时发现部分卷筒存在过度收缩现象，此时，收缩后卷筒扇形块之间完全没有间隙，扇形块相互咬死，由于液压缸没有收缩到末端位置，其液压系统压力仍然作用于拉杆，并通过闷头作用于铜滑条上，这也是造成铜滑条断裂失效的另一个原因，这种不正常情况也是必须避免的。因此，为避免卷筒过度收缩，使铜滑条承受液压缸拉力，对存在过度收缩的卷筒进行了调节，通过定位螺母对拉杆的位置进行了重新定位，使液压缸收缩到末端位置后，扇形块之间仍然保留一定的间隙值，同时将涨缩缸的涨缩压力由原来的60bar调整到30bar，这样就减少了对铜滑条的拉力，合理降低了涨缩缸对铜滑条的破坏。

3.2 拉杆及涨缩缸断裂失效优化

图7 圆角过渡台肩的圆杆的拉伸

(1)

(2)

在保证安装尺寸精度符合工艺技术要求，空间布局合理的情况下，对拉杆的原始尺寸进行修改，并对台肩圆角弧度进行优化，优化前D0=100、d0=70、r0=0.5，优化后D1=110、d1=80、r1=5，优化尺寸及结构对比如图8所示。

图8 拉杠示意图

同样的前提条件下，对涨缩缸的原始尺寸进行修改，并对台肩圆角弧度进行优化，优化前D0=100、d0=70、r0=1，优化后D1=110、d0=80、r0=5，优化尺寸及结构对比如图9所示。

图9 涨缩缸示意图

根据公式(1)与公式(2)，可以求出σmax，推出式(3)：

(3)

将改进前后数据代入公式可得：

通过计算数据，根据差值法可以查得ασ1≈2.05、ασ≈3.30。因此：

同理，算出涨缩缸改进后的最大应力σmax1与原始最大应力σmax0的比值：

通过计算数据，根据差值法可以查得ασ1≈2.05、ασ≈3.19。因此：

根据计算结果，经过优化的涨缩缸，同样达到了消除应力集中的目的。

经过这些尺寸与结构的优化，拉杆及涨缩缸断裂失效的问题得到了有效的解决。同时从制作材料方面考虑，拉杆的原始制造材料为42CrMo4+QT，现改为42CrMn-A，增加了材料的延伸率及抗冲击能力，以确保对拉杆及涨缩断裂失效的优化措施可靠有效。

4 结束语

开卷机是连续热镀锌生产线重要的设备之一，开卷机的正常运行是确保热镀锌生产线连续正常运行的必要条件，是生产效益的保证。开卷机的失效形式很多，本文分析了最主要的两种失效形式为铜滑条的断裂失效，拉杆及涨缩缸的断裂失效，这两种失效形式一旦发生，将对生产产生极大的影响，严重影响了生产效益及产品质量，给热镀锌产线造成损失，且这两种失效形式发生了，补救起来费时费力，因此，须加强防范。开卷机的两种主要的失效形式的发生，主要是因为结构设计的缺陷所导致的。因此，在分析此类失效问题时，要从多方面考虑，零部件在运动过程中有没有受力不均，应力集中的情况发生，制造这种零部件的材料的延伸率够不够，屈服强度是多少，抗冲击能力是多少等等问题，都是排查此类失效缺陷的入手点，这样就可以较快速的找出问题点所在，优化设计。

[1] 李九岭.带钢连续热镀锌[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[2] 黄宇，何立远，王海峰.热镀锌开卷机卷筒芯轴的快速修复[J].轧钢，2009，(26):66-67.

[3] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] 田士海，王丽佳，翟赞.开卷机芯轴速度故障分析[J].机床与液压.2010，(38):109-110.

[5] 航空工业部科学技术委员会.应力集中系数手册[M].高等教育出版社.

(责任编辑：李文英)

Failure Analysis of Hot-dip Galvanized Uncoiler Expanding System

WANG Lixin HU Zhixiong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Uncoiler is one of the most important devices of the continuous hot-dip galvanizing production line and the normal operation of the uncoiler expanding system is considered to be necessary condition to ensure the process of uncoiling feeding. In the paper, the study is carried out, based on actual production and equipment operating status of the continuous hot-dip galvanizing line, and expanding cylinder bar head fracture, rod breakage and copper slider hook head fracture, offering solutions to the problems and optimization program.

uncoiler; expanding system; fracture; optimization

2015-03-04

2015-03-20

王立新(1984～)，男，工程师.E-mail:285349939@qq.com

TH238

A

1671-3524(2015)02-0034-04