中厚板轧机主轴轧辊侧轴头断裂原因分析及解决办法

刘桥云，周晓峰

（湘潭钢铁集团有限公司，湖南湘潭 411101）

引言

某钢厂3.8 m 中厚板生产线于2005 年9 月份建成投产，配备双机架4辊可逆中厚板轧机，在实际生产过程中出现主轴轧辊侧轴头断裂情况，平均使用寿命1.5 年。如图1 所示主传动轴(A)用于在主电机和工作辊/工作辊梅花头之间传输力矩。再通过万向节连接电机接手和工作辊。传动轴的轴身在带迷宫环的滑动轴承(C)内运转，轴承的供油从中心油润滑系统提供。在电机侧，两根轴头在一个铰链U型夹里调节。辊子侧轴头的滑块润滑通过一台干油泵(D)实现。本文重点就是分析轧辊侧轴头断裂的原因和解决办法。

1 中厚板四辊轧机辊系工况介绍

1.1 主要运行参数

电机功率：7 500 kW；

电机速度：0～±60/140 r/min；

额定转矩：1 194 kNm；

轧制扭距(200%)：2 388 kNm；

最大过载扭距(250%)：2 985 kNm；

切断扭距（275%）：3 283 kNm；

工作辊最小辊径：φ930 mm。

1.2 辊端关节主要零件材料性能（见表1）

表1 主要零件材料性能表

图1 主传动结构示意图

2 现场断裂实物情况

图2 轴头断裂照片1

图3 轴头断裂照片2

3 结构强度分析

由于断裂虎口主要是在辊端侧轴头，因此对辊端侧轴头与制造厂一起进行了有限元分析：

三维建模如图4。

图4 轴头建模图

加载扭矩3 500 kNm如图5。

图5 轴头有限元分析

分析结果参见图6。

图6 轴头有限元分析结果截图

辊端轴头最大应力为445.77 MPa，出现在安装虎口铜滑块凹槽的圆弧过渡处，属于应力最集中部位。

4 辊端轴头金相组织和材料理化性能分析

为了找到轧辊端轴头虎口断裂的原因，对辊端虎口取样做金相组织分析和材料理化性能分析，分析结果如下：

4.1 金相组织分析

从金相组织分析报告（见图7）来看，整个组织晶粒度偏大，普遍在2～4 级，个别甚至在0 级。说明锻造比不够。

图7 金相组织报告照片

4.2 理化性能分析

从理化结果（见图8）来看屈服强度偏低，抗拉强度基本能满足，冲击功达不到设计要求。

埃塞俄比亚(以下简称“埃塞”)位于东非高原，国土面积110万km2，首都亚的斯亚贝巴，同时也是非洲联盟总部的所在地。人口1.05亿。非洲即将启动非洲大陆自贸区，埃塞为整个非洲提供了最大的市场，同时还有大量的廉价劳动力。阿姆哈拉语为联邦工作语言，通用英语，主要民族语言有奥罗莫语、提格雷语、锡达玛语、阿法尔语、索马里语和其他当地语言。

图8 材料理化分析结果照片

5 原因分析总结

（1）从有限元分析来看，应力集中最大处位于安装虎口铜滑块凹槽的圆弧过渡尖角处，若该部位在精加工时未处理好，极可能导致产生应力集中，发生疲劳裂纹，并逐步扩散，导致轴头断裂。从实际轴头断裂位置和裂纹源来看，也极为吻合。

（2）从金相组织分析和材料理化性能分析来看，在制造过程中，若锻造比不够或者装配过程中存在回火现象，会导致晶粒度不合格，性能达不到设计要求，强度满足不了工况需求，必然会导致疲劳断裂。

6 解决办法

通过上面的分析，找到了问题的所在，制订措施如下：

（1）厂家在制造轴头备件时要保证毛坯的锻造比，并取样分析，保证晶粒度在6级以上。

（2）在进行精加工时要保证圆弧过渡R15 倒角要保证，避免最大应力集中区的处理，保证加工精度要求。

（3）对辊端轴头处易产生疲劳裂纹部位进行周期性探伤，并建立管理台账，做到早发现早处理，避免酿成事故。

（4）规范装配工艺，避免二次回火。

7 结语

中厚板轧机轴头断裂危害较大，对整个轧机精度包括大电机的影响都较大，必须避免该类事故发生。从改进后的运行情况来看，效果较好。