淺析800軋機軋輥斷裂故障原因及改進措施

劉鐵軍，王芝

（湖南華菱湘鋼棒材廠，湖南 湘潭 411101）

1 概述

棒材800 軋機是我廠二棒生產線開坯粗軋機，2012 年集中出現了5 次800 軋輥扁頭斷裂生產中斷的事故，2017 年也出現幾起斷輥事故，影響到我廠的正常生產和設備運行。如下圖，800 軋機是二輥可逆閉口式軋機，由一臺3250kW 的電機單軸帶動，通過人字齒分配出兩根接軸，接軸虎口帶動800 軋輥（圖1）的扁頭式輥頭，實現軋輥的軋制傳動，傳動結構示意圖見圖2。

圖1 軋輥零件三維立體圖圖

圖2 800 軋機軋輥傳動示意圖

2 軋制參數介紹

2.1 普通壓下工藝程序

六槽輥采用300mm×430mm 矩型坯開170mm×190mm 料，壓下工藝見表1。表中只取前3 個道次的數據使用。

表1 普通壓下工藝程序表

最大壓下量為第三道次輸入料型，高× 寬即H×B=380mm×305mm，軋制后料型為h×b=340mm×313mm，壓下量△h=40mm，寬展△b=8mm。

2.2 大壓下工藝程序

800 軋機為方坯軋制，降低軋制道次，增大壓下量有利于軋件內部粗晶粒的破碎，提高產品質量。我廠從2014 年8月開始采用大壓下工藝。

大壓下程序最大的變形是第一道次，輸入料型高×寬H×B=430mm×300mm，軋制后料型h×b=360mm×315mm。壓下量△h=70mm，寬展△b=15mm。

3 理論計算推導

3.1 軋制壓力

式中：B、b 為鋼材在軋制前、后的料寬；R 為軋輥的工作半徑；?h為壓下量。

對于熱軋低碳鋼坯及簡單斷面型鋼，箱形孔型，平均單位軋制壓力的計算可由艾克隆德半經驗公式得出

3.2 扭轉力矩

單支軋輥扁頭傳遞的扭矩，應為單支軋輥的軋制力矩、單支軋輥軸承的附加摩擦力矩、單支軋輥軸承的空載力矩和單支軋輥動力矩四項之和。

3.2.1 軋制力矩

如果不考慮軋輥中的摩擦損失，傳動一個軋輥所需的力矩為軋制力P 和力臂a 的乘積

3.2.2 附加摩擦力矩

對于普通二輥軋機，軋制力作用在兩支軋輥所有軸承中的附加摩擦力矩

式中，P 軋制壓力；d 軋輥輥頸直徑；f1軋輥軸承的摩擦系數。

3.2.3 空載力矩

空載力矩，是轉動零件的重力，包括接軸、軋輥、齒輪等在軸承上的摩擦力矩

3.2.4 機械傳動系統的動力矩

軋制時，由軋制速度的變化，產生的有質量的備件出現的慣性，所造成的阻力矩稱為轉動力矩。在雙向可逆軋制過程中，這種情況比較明顯。

3.3 剪切應力

系數a、γ 與比值h/b 有關，其值見表3。

對于文中的800 軋輥各尺寸，h=680mm，b=185mm，h/b=3.6757，取中間值即α=0.275，γ=0.749

4 計算過程

4.1 普通壓下工藝計算

取半鋼軋輥輥環直徑D=824mm、輥縫s=20mm、拋鋼軋輥轉速n=100r/min 的條件下，在箱形孔中軋制45C 鋼，軋件尺寸H×B=380×305mm、h×b=340×313mm、t=1120℃。

經計算可得，單支軋輥扁頭傳遞的扭矩

對于800 軋輥扁頭根部的實際截面形狀，中心部位是空的，所以咬入時的扁頭根部峰值扭矩

4.2 大壓下工藝計算

表3 系數、取值表

5 軋輥扁頭靜強度校核

5.1 經典強度理論校核

為保證軋輥扭轉時，有足夠的強度，必須使其最大工作切應力不超過材料的扭轉許用切應力，即τmax ≤ [ τ]，材料的扭轉許用切應力可由材料的扭轉極限應力τu 除以安全系數n 求得，即

對于脆性材料的變截面軸，適用“第一強度理論”，其強度條件為

由上面艾克隆德公式計算，正常壓下計算得到數值為48.6MPa，小于74MPa，在安全范圍內。但是在大壓情況下，計算得到為80MPa，大于檢測軋輥強度的許用剪切應力74MPa，故存在不安全的超負荷運轉情況，軋輥的設計強度和實際制作軋輥的強度無法滿足現場生產。

5.2 有限元靜力學分析驗證

首先在solidiworks 中進行三維建模，模型載入Geometry 模塊后，進行網格劃分。定義邊界條件，添加載荷，最后運算可得到軋輥各個表面的等效應力的等值線云圖，如圖3 所示。

圖3 等效應力的等值線云圖

有限元分析軟件得到的普通壓下工藝情況下，扁頭根部截面危險區域的應力值52.5MPa，與前面章節計算得到的48.6MPa，大小基本相符，驗證了之前理論公式計算的正確性。超負荷運行容易造成疲勞斷裂，甚至直接全部新斷口崩斷。

6 改進措施

6.1 改進方案的確定

經過查找相關資料，目前國內棒材開坯軋機軋輥主要有：中鎳鉻半鋼軋輥、合金鑄鋼軋輥、60CrMnMo 鍛鋼軋輥和Cr3鍛鋼軋輥。鍛鋼的抗拉強度理論上比半鋼軋輥要有很大提高，所以將材質優化作為改進方向。

經測量，800 鍛鋼軋輥扁頭部位附近，材料屈服的扭轉極限應力，是原設計的半鋼軋輥的3.3 倍。

取安全系數n=5，其扭轉許用切應力

由上面艾克隆德公式計算，計算得到大壓下數值為80MPa，只達到鍛鋼軋輥強度的許用剪切應力1/3，故將不存在超負荷運轉情況。

6.2 實施效果

2016 年01 月開始使用鍛鋼軋輥，效果良好。實踐證明，即使在大壓下工藝實施較多的近3 年，改型的軋輥扁頭斷裂數量為0。至今，鍛鋼軋輥輥號D001～D020，共引進了20 支鍛鋼軋輥，均未發生斷輥情況，徹底解決了軋輥扁頭斷裂的問題。具體數據見表4。

從上表可以看出，隨著鍛鋼軋輥的使用，大大減少了斷輥數量，總數量不為零，是半鋼軋輥斷裂故障。

7 結語

表4 2012.01～2018.12 期間軋輥扁頭斷裂數據（單位：支）

本文對棒材軋鋼廠開坯軋機的傳動系統中出現的軋輥扁頭故障進行了分析和處理，經典理論計算嚴謹，并采用了仿真分析軟件輔助分析校核。從軋制參數分析與計算、軋輥扁頭強度校核、軋輥三維建模分析等方面對軋輥扁頭進行了強度驗算。從有限元分析結果中，找到危險截面的危險點位于軋輥扁頭根部，與實際相符。最后提出了解決問題的方法，制定對應的措施，嚴肅工藝紀律，通過改型后的措施實施，效果顯著。