上卷小车车轮轴断裂故障分析及处理

余爱祥 高卫军 周铁强 范 春

(二重(德阳)重型装备有限公司重型机械设计研究院，四川610052)

某冷轧厂有一条酸洗冷连轧生产线，采用双开卷机人工半自动上卷方式上卷。但是现场两台上卷小车均多次发生车轮轴断裂故障，严重影响该厂生产效率。经查阅相关资料，其它钢厂使用的上卷小车均未出现类似现象，因此对上卷小车的车轮轴发生断裂故障的原因分析及处理无可参考案例。鉴于此台设备工作过程中涉及机械、液压及电气方面，我们从这三方面对车轮轴断裂原因进行分析，找出问题根源，并制订相应的改进措施，为以后上卷小车的设计提供参考。

1—V型鞍座 2—钢卷 3—开卷机卷筒 4—主动轮 5—减速电机 6—升降架 7—升降液压缸 8—被动轮

1 上卷小车车轮轴断裂部位

上卷小车结构简图如图1所示，减速电机驱动主动轮，实现往返运动，V型鞍座安装在升降架上，升降液压缸驱动升降架上升、下降运动。

上卷过程中被动轮在开卷机侧，现场断的轴为被动轴，断口位置在开卷机入口处，具体位置见图2。图3 为现场上卷小车断轴实物图。

图2 上卷小车轴断部位Figure 2 The fracture location of coil car shaft

图3 上卷小车断轴实物图Figure 3 The physical map of the fracture shaft of coil car

2 上卷小车车轮轴断裂原因分析

上卷小车技术参数：

单个钢卷重量m1：≤28 000 kg(实际生产≤20 000 kg)

升降架重量m2：8146 kg

移动行程：22 000 mm

移动速度：30～250 mm/s

升降速度：30～100 mm/s

小车定位精度：±10 mm

升降架液压缸：∅160×950 mm，工作压力14 MPa

2.1 上卷电气控制过程分析

上卷小车与开卷机位置关系如图4所示。上卷电气控制过程为：

(1)上卷小车从鞍座上托起钢卷，横移至等待位；

(2)对中钢卷卷心与开卷机卷筒中心；

(3)上卷小车横移，使钢卷套入开卷机卷筒；

(4)卷筒涨径；

(5)涨径完成后，压辊压上；

(6)开卷机外支撑闭合；

(7)开卷机缓慢反转，调整带头位置；

(8)上卷小车升降架下降，横移离开；

(9)开卷导板伸出，将带钢引入夹送辊；

(10)夹送辊闭合，夹住带钢；

(11)卷筒正转，夹送辊夹送带钢至双层剪剪切带头。

图4 上卷小车与开卷机等位置关系图Figure 4 The positional diagram of coil car and uncoiler

检查自动化控制程序，上卷小车托住钢卷，对中卷心后，将卷套上卷筒，卷筒开始涨径，涨径完成后压辊压上。由于钢卷形状不规则，对中后的部分钢卷中心比卷筒中心高。涨径时，卷筒直径增大，此时出现钢卷小车挡住卷筒涨径的现象，卷筒继续涨径，涨径力一直作用在上卷小车上(见图5)。调整钢卷带头位置时，开卷机需要反转，反转过程中给上卷小车一个反转力矩，被动轴在开卷机正下方，带钢入口方向受有额外负载，与现场被动轴断裂位置一致。

图5 涨径时钢卷中心与卷筒中心位置Figure 5 The center of steel coil and center of reel at the rise of diameter

2.2 液压控制原理分析

结合上卷电气过程，检查液压控制回路，上卷小车升降液压缸上升至一定高度后，液压锁紧，使钢卷保持高度不变。

当出现不规则钢卷时，卷筒涨径到一定程度后压住上卷小车，并继续涨径至完成涨径。上卷小车被液压锁紧后保持高度位置不变，卷筒位置只能上移，才能完成涨径。这就是现场卷筒头部出现上翘现象的原因，严重时整个开卷机浮动底座都被抬起。

2.3 车轮轴强度校核

车轮被动轴受力情况如图6所示。

受力简图见图7(a)，剪力图见图7(b)，弯矩图见7(c)。

F=(m1+m2)g/4= 70365 N

M=FL=70365×0.25=17591.25 N·m

根据轴的剪力图及弯矩图，危险面为图6中所示的a-a截面。轴径D=∅90 mm。

抗弯模量为：

W=πd3/32=0.0000715 m3

弯曲应力为：σ=M/W=246 MPa

车轮轴危险截面是台阶面，应力比较集中。

图6 车轮被动轴受力图Figure 6 The force diagram of the passive shaft of wheel

(a)受力简图(b)剪力图(c)弯矩图

图8 有限元分析a-a截面处应力Figure 8 The finite element analysis of the stress at a-a section

车轮轴材料为42CrMo，热处理状态硬度为214～286 HBW。

查标准得：σb=800～950 MPa，σs=550 MPa

根据轴的结构尺寸及标准得Kσ=2.055

考虑应力集中，σ′为：

σ′=Kσ×σ=2.055×246=505.5 MPa

使用过程中，由于不能精确计算涨缩缸及开卷机对上卷小车的作用力，车轮轴所受载荷计算不够精确，许用安全系数[S]=1.5～1.8。

此工况下安全系数为：

S=σs/σ′=1.088

因此，该车轮轴结构设计不合理，强度不足。

2.4 采用有限元法校核轴强度

我们利用有限元方法判断轴的危险面，并校核轴危险面的强度。有限元分析a-a截面处应力图如图8所示。

根据车轮轴的结构尺寸建立几何模型，左侧中心约束轴向位移及垂直位移，右侧车轮中心约束轴向位移，轴承中心处有钢卷和小车自身重力的1/4压力。分析结果等效应力σ=514 MPa。

该结果与弯曲理论计算相差不大，因此上述计算是合理的，可以用作车轮轴强度判断依据。

3 现场整改方案及实施效果

3.1 电气控制程序整改

首先修改自动化控制程序参数。钢卷对中参数，设定为钢卷中心比卷筒中心低10 mm。观察现场开卷机卷筒涨径过程，在卷筒涨径时，大部分钢卷消除了往下压住上卷小车的现象。修改后涨径时钢卷中心与卷筒中心位置如图9所示。

3.2 液压控制原理整改

在液压控制系统中增加溢流阀，溢流值设定为上卷小车承受重力时升降的1.5倍，即小车承受正常载荷的1.5倍。

为了不影响生产，同时施工操作尽量简便，现场采用方案如下：在液压控制系统阀组中的平衡阀下加装一个过渡阀，溢流阀插装在该过渡阀上。委托加工过渡阀及采购溢流阀等配件，在设备检修时完成方案实施。

3.3 车轮轴结构尺寸整改

为了减小危险截面a-a的弯曲应力，采取以下有3个措施：

图9 修改后涨径时钢卷中心与卷筒中心位置Figure 9 The center of the steel coil and the central position of the reel in the modified rise diameter

图10 现场整改方案Figure 10 The rectification scheme at site

(1)减小力臂长度尺寸L1，加大危险截面a-a截面尺寸，即加大轴径。

(2)减小力臂长度尺寸L1，即上卷小车两轮子跨距减小或者加大两轴承间距，需要改变基础上轨道间距或车架结构，改造周期长，改造成本高。

(3)现场选择增加车轮轴直径的方案。

式中，[S]取值1.8，Kσ取值为2，[σ-1]为材料许用弯曲应力。现场选择轴径d=140 mm，具体整改方案如图10所示。

3.4 实施效果

上述3个措施实施后，上卷小车正常运行15个月至今未出现车轮轴断裂的现象。根据现场操作人员反馈，未出现卷筒上翘现象。

4 结论

(1)现场设备出现故障时，应从机械、电气和液压三个方面系统整体地分析原因，方能找出导致设备故障的所有因素。

(2)上卷小车车轮轴断裂主要是由于轴的结构尺寸不合理，造成强度不足产生的。

(3)作为设备系统的一部分，电气、液压设计不当会产生额外负载，影响设备整体正常运行。

(4)生产过程中，优化设备的电气和液压控制可以消除负面影响，减小设备的机械结构尺寸，降低设备投入成本。

(5)本次处理上卷小车车轮轴断裂故障有显著作用，达到了处理效果，实现了连续高速、高效生产。

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