翁 鹏

（河钢集团宣钢公司二钢轧厂，河北 宣化 075100）

河钢集团宣钢公司（全文简称河钢宣钢）二钢轧厂三棒车间于2014年9月投产，设计成品轧制速度为15 m/s，主要生产品种规格为Φ20～Φ70 mm的圆钢，年生产能力为70万t，以及Φ20～Φ40 mm的带肋钢筋，年生产能力为90万t，使用坯料尺寸为165mm×165 mm×12 000 mm，轧机布置为650mm×540mm×4+650mm×800mm×6+540 mm×800 mm×4+400 mm×700 mm×4全连式轧机。2019年5月受市场、环保等因素影响，三棒车间由圆钢切改为螺纹钢生产，在生产过程中，接连出现了万向轴十字轴轴径、法兰断裂，法兰螺丝断裂，轧机减速机轴承保持架损坏等恶性事故，严重影响了产能的提升，故对事故形成原因进行了深入分析并及时采取了预防解决措施。

1 切改螺纹钢生产中存在的问题

1.1 万向轴存在的问题

河钢宣钢二钢轧厂三棒车间选用意大利DANIELI公司引进的具有90年代先进水平的棒材轧制设备，轧机与减速机间使用万向轴连接，万向轴也被称为万向联轴器，它与各机构的2根轴连接，实现机械零件共同旋转及扭矩传递。万向轴允许的最大倾角为8°～12°，因其调整量较大，主要用于初轧机、板坯轧机、厚板轧机、钢管轧机、钢球轧机、薄板轧机和冷、热带钢轧机等。万向轴的主要特点是工作比较平稳，并能传递较大的扭矩，虽然结构比较复杂，但在轧钢机上的应用还是比较广泛的。万向轴轴体的材质一般为50号以上的锻钢，强度极限不小于650～700 MPa。应力较大时，可使用合金锻钢，三棒万向轴使用的材质为普通锻钢。

圆钢生产时，对普碳钢的开轧温度要求为970～1 020℃，优碳钢为1 010～1 050℃，合结钢为1 020～1 060℃，齿轮钢及轴承钢的开轧温度要求为1 060～1130℃，为减少因温度波动造成的成品尺寸波动问题，车间一般按照作业文件规定的中上限控制开轧温度进行作业，以保证钢坯内外及通长温度均匀；全面切改螺纹钢后，HRB400E钢的开轧温度要求在970～1 020℃，为保证成品性能，车间按中下限范围控制温度。温度降低导致轧机负荷增大，轧制电流及力矩较圆钢生产时有所升高，尤其以精轧4架轧机（15号—18号）表现较为明显，列表对比如表1所示。

表1 切改前后力矩对比

除整体力矩提升外，切改螺纹钢后，头部力矩峰值有超100%的现象，负荷的增大导致万向轴工况急剧恶化[1]，2019年5月—11月间，三棒车间多次发生万向轴十字轴轴颈断裂[2]（见下页图1）、法兰断裂、法兰螺丝断裂[3]、万向轴接管扭转变形等设备故障，对正常生产秩序造成恶劣影响。观察法兰、轴径、螺丝等断口形状，裂口处均为新的撕裂裂纹，无旧裂纹。主要从以下两方面进行原因分析：反查当时轧制工艺，是否存在瞬时大扭矩致使法兰、法兰螺丝、轴径等根部断裂；校验万向轴的设计强度是否符合要求。

图1 万向轴十字包断裂

1.2 减速机存在的问题

DANIELI公司减速机原设计的输入轴齿轮端为调心滚子轴承，联轴器端为圆锥滚子轴承。调心滚子轴承可以限制轴或外壳在轴承的游隙范围内的轴向位移，但其可承受轴向承载能力小，主要承受径向负荷，起一定定位作用；圆锥滚子轴承主要承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷，既能够承受一个方向的轴向载荷，也能够限制轴或外壳一个方向的轴向位移。

切改螺纹钢后，设备作业率提高，轧机承载负荷变大，并且停机时间变少，减速机长时间在恶劣工况下工作，轴承运行情况急剧恶化，切改后的几个月内频繁发生中精轧机减速机齿轮端轴承保持架损坏事故（见图2），对生产造成恶劣影响。从以下两方面对损坏原因进行分析：反查轧制工艺情况，是否存在因工艺造成的超负荷运转导致的设备问题；分析造成设备问题的内部原因。

图2 轴承保持架损坏

2 原因分析及改造方案确定

2.1 万向轴改造方案确定

DANIELI公司15号—18号轧机选用SWC225型万向联轴器，反查发生设备事故时的轧制工艺，钢坯轧制温度正常，料型正常，发生故障时设备无严重的瞬间超载情况，说明发生断裂或扭转的原因与轧制工艺关系不大，是典型的功能性断裂。

计算减速机输出转矩，对万向轴进行强度校验[5]，由式（1）、（2）、（3）计算减速机输出转矩：

式中：I为速比；Pw为电机功率；n为减速机输出转速；T为工作理论扭矩，N·m；Tc为计算扭矩，N·m；ne为电机转速；K为减速机额定工作情况系数，根据中冲击负荷，连续轧机取K=1.8。

公式计算结果如表2所示。

表2 计算结果

依照（4）式进行万向轴强度校验：

式中：Tf为万向轴疲劳转矩，疲劳扭矩指长时间连续工作时所能承受的最大扭矩；Tn为万向轴公称转矩，公称转矩指短时期内，可以正常传递的扭矩。

SWC225型万向联轴器强度如表3所示。

表3 SWC225型万向轴强度

由表3可知，理论计算电机的输出转矩中，除18架转矩最低外，其余架次均已超过SWC225万向轴的疲劳转矩，并且15架轧机最高转矩已超过万向轴的公称转矩，设备选型存在一定问题，长时间运行后，万向轴状况很不稳定。

重新对万向轴进行选型并更换，最终选择将15号—18号轧机SWC225型万向轴更换为SWC250型万向轴，SWC250型万向轴参数如下：

表4 SWC250型万向轴强度

更换为SWC250万向轴后，四架轧机均未超过万向轴公称转矩，虽然15号及16号轧机超过万向轴疲劳转矩，但超疲劳扭矩的情况只在轧辊辊径最小时才会出现，且持续时间较短，故万向轴强度可以满足生产需求。

2.2 减速机改造方案确定

通过反查生产时的轧制工艺，钢坯轧制温度正产，料型正常，未发生超负荷运转现象，说明保持架损坏的原因与轧制工艺关系不大。

DANIELI公司设计的减速机上调心滚子轴承及圆锥滚子轴承的使用导致输入轴轴向位移范围变小。一方面传动轴受热胀冷缩影响会在轴承位置产生轴向位移，由于调心滚子轴承设计限制传动轴的轴向位移，导致齿轮端轴承外圈与箱体相对位置发生变化，长时间运行会因摩擦导致轴承间隙变大，从而振动值变高；另一方面由于切改螺纹钢后轧机提速，轧机振动变大，并且14号、16号、18号轧机减速机无二级传动，轧机振动会直接传导到输入轴齿轮端轴承位置（相对于有二级传动的减速机，输入轴齿轮受振动影响较大）[4]，导致轧机轴承外套与减速机箱体之间振动加剧。振动值越高，轴承所受径向负荷越大，这是导致保持架损坏的直接原因[6]。

将齿轮端调心滚子轴承更换为圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承相对于调心滚子轴承径向承载能力大，并且不限轴向位移，可以解决因热膨胀引起的轴承外套与轴承座相对位置的变化，但圆柱滚子轴承对轴和座孔的加工要求高，因此轴承安装后内外圈轴线相对偏斜情况需严格控制，以免造成接触应力集中，另外还需对减速机箱体进行改造，增加轴承定位，因现场不具备改造条件，故将定距环缩短，加大调心滚子轴承宽度，以达到增大轴承载荷的目的[7]。减速机改造前后对比图如图3所示。

图3 减速机改造前后对比图

3 改造方案的实施与效果

2019年8月至2019年12月期间，河钢宣钢二钢轧厂利用设备检修时间陆续对15号—18号轧机实施了万向轴增容及减速机轴承改造，通过近一年的实施使用情况来看，该项目实施后，提高了设备作业率，降低了生产成本。具体产生如下效果：

表5 型号规格对比

1）消除了万向轴频繁断裂的事故隐患，延长了设备使用周期，断轴事故由约2次/月降低为0次/月，精轧区万向轴均为正常下线，无事故下线。

2）改进了减速机齿轮端轴承结构，增加了轴承承载能力，降低了事故率，提高了作业率。